2.8 干扰噪声

某个外部干扰源产生噪声，并经过一定的途径将噪声耦合到信号检测电路，便形成了对现代电子信息系统的外部干扰噪声。例如，检测电路的一部分电路可能像天线一样拾取无线电波，也可能拾取电刷电机的电弧和由接触器触头所产生的电磁辐射波；变压器或电机的交变磁场可能会在检测电路中感应出同样频率的电压或电流；干扰噪声会经过分布电容或寄生电容耦合到附近的电路导线中；即使是检测电路中导线的机械振动，也可能因为切割磁力线而感应出干扰噪声。外部干扰噪声对检测结果影响的大小与检测电路的布局和结构密切相关，其特性既取决于干扰源的特性，又取决于耦合途径的特性，而与电路中元器件的优劣无关。这类噪声可能是随机的，也可能是确定性的。

外部干扰噪声大都与磁场耦合或电场耦合有关，还有一些干扰噪声是由导线引入的。这类噪声的研究领域和降噪技术有时称为电磁兼容性（EMC）。

2.8.1 干扰噪声源

1.电力线噪声

随着工业电气化的发展，工频（50Hz）电源几乎无处不在，因此工频电力线干扰也就普遍存在。电力线噪声主要表现在以下几个方面。

1）尖峰脉冲

由于电网中大功率开关的通断，电机、变压器和其他大功率设备的启/停及使用电焊机等原因，工频电网中频繁出现尖峰干扰脉冲。这种尖峰干扰脉冲的幅度可能是几伏、几百伏，有时甚至是几千伏，持续时间一般较短，多数在微秒数量级。这种尖峰干扰脉冲的高次谐波分量很丰富，而且出现得频繁，幅度高，是污染低压（220V）工频电网的一种主要干扰噪声，会对现代电子信息系统带来很多不利影响。如果不采取适当的措施抑制电源的尖峰脉冲干扰，就有可能导致检测波形的畸变，严重时甚至会导致信号处理计算机的程序跑飞和死机。

2）工频电磁场

在由工频电力线供电的实验室、工厂车间和其他生产现场，工频电磁场几乎无处不在。例如，在高电压、小电流的工频设备附近，存在着较强的工频电场；在低电压、大电流的工频设备附近，存在着较强的工频磁场；即使在一般的电气设备和供电线的相当距离之内，都会存在一定强度的50Hz电磁辐射波。工频电磁场会在现代电子信息系统的导体和信号回路中感应出50Hz的干扰噪声。

3）电网电压波动

工业电网电压的欠压或过压有时会达到额定电压的±15%以上，如果现代电子信息系统的电源稳压电路性能不高，工频电压的波动就有可能串入信号回路中。随着电力工业的发展和供电质量的不断提高，电网电压波动问题渐趋缓和。

2.电气设备噪声

电气设备必然产生工频电磁场，而且在开、关时还会在电网中产生尖峰脉冲。某些特殊的电气设备还有可能产生射频噪声，如高频加热电器和逆变电源。此外，某些电气设备还会产生放电干扰，包括辉光放电、弧光放电、火花放电和电晕放电。

1）辉光放电

最常见的辉光放电是荧光灯和霓虹灯。当两个电极之间的气体被电离时，因为离子碰撞便会产生辉光放电。辉光放电所需电压取决于电极之间的距离、气体类型和气压。发生辉光放电后，气体击穿，此后只需较低电压就可以维持气体电离和辉光放电。辉光放电会产生超高频电磁波，其强度取决于放电电流。

2）弧光放电

最典型的弧光放电是电焊，这是一种金属雾放电。电弧电流产生的高温将电极金属熔化并气化，由此形成电弧光。弧光放电会产生高频电磁波辐射，也会造成局部电网的电压波动和尖峰脉冲干扰。

3）火花放电

在电气设备触点通断的瞬间，触点处的断续电流会引起火花放电。例如，接触器触头的瞬间通断、直流电动机电刷的持续通断、内燃机的点火系统等。由火花放电产生的电磁辐射频率范围很宽，辐射能量也比较大。例如，汽车点火干扰的频率范围约为20～1000MHz，作用范围可达50～100m。在电火花加工设备的附近，更会产生强烈的火花放电干扰。

4）电晕放电

当高压输电线绝缘失效时会产生间歇脉冲电流，形成电晕放电。一般的检测设备都远离高压输电线，交流供电也是经多级降压变压器而来，变压器的低通滤波作用使得电晕放电干扰的高频分量大幅度衰减，但其低频分量还会产生不利影响。

3.射频噪声

随着无线广播、电视、雷达、微波通信的不断发展，以及手机的日益推广，空间中的射频噪声越来越严重。射频噪声的频率范围很广，从100kHz到吉赫兹数量级。射频噪声多数是调制（调幅、调频或调相）电磁波，也含有随机的成分。检测设备中的传输导线都可以看做接收天线，都在不同程度地接收空间中无处不在的射频噪声。因为射频噪声的频率范围一般都高于检测信号的频率范围，所以利用滤波器可以有效地抑制射频噪声的不利影响。

4.地电位差噪声

如果现代电子信息系统的不同部件采用不同的接地点，则这些接地点之间往往存在或大或小的地电位差。例如，在一个没有良好接地设施的车间内，不同接地点之间的地电位差可达几伏甚至几十伏。又如，在飞机的机头、机翼和机尾之间，电位差可达几十伏；汽车的不同部件之间也可能存在几伏的电位差。即使在同一块电路板上，不同接地点之间的地电位差也可能在毫伏数量级或更大。

如果信号源和放大器采用不同的接地点，则地电位差对于差动放大器来说是一种共模干扰，而对于单端放大器来说是一种差模干扰。因为地电位差噪声的频率范围很可能与信号频率范围重叠，所以很难用滤波的方法解决问题。克服地电位差噪声不利影响的有效办法是采用合适的接地技术或隔离措施。

5.雷电及天体噪声

雷电发生时的一次电流可达106A，云与地面之间的感应电场可达l～10kV/m，上升时间为微秒数量级。雷电会造成幅度很大的电场和磁场，也会产生高强度的电磁辐射波，频率范围为几十千赫兹到几十兆赫兹。此外，在云与地雷电的附近，大地的地电位差也会发生剧烈变化，可高达几千伏。

由于宇宙射线和太阳黑子的电磁辐射，所以大气中普遍存在天体噪声。天体噪声的频率很高，一般在吉赫兹量级以上，远远超出了一般电子信息系统的频带范围，因此对普通电子系统影响不大。

6.机械起源的噪声

在非电起源的噪声中，机械原因占多数。例如，电路板、导线和触点的振动有可能通过某种机-电传感机理转换为电噪声。而在不少应用场合，很难避免电路的机械运动和振动。例如，装设在运载工具或工业设备的运动部件中的检测电路振动的幅度可能很大，电缆线的运动和振动更是常见。

1）摩擦电效应

两种不同的物质相互摩擦会产生电荷的转移，使得一种物质带正电，另一种物质带负电。这种摩擦电效应有可能导致产生高阻抗、小信号电路中的干扰噪声。例如，在用同轴电缆连接高输出阻抗信号源和高输入阻抗放大器的情况下，弯曲电缆的过程会使组成电缆的导体和绝缘体之间形成摩擦或断断续续的接触，导致电荷传输和电缆芯带电，也会给电缆内外层导体之间的分布电容充电，形成电缆芯和外屏蔽层之间的噪声电压。随着电缆任何一端连接这两个导体的电阻的减小，分布电容的放电速度加快，噪声电压幅度会明显减小。例如，当用手弯曲1m长的同轴电缆时，如果同轴电缆和外屏蔽层之间连接的电阻为10MΩ，则噪声电压峰值能达到5mV以上；如果该电阻降为lMΩ，则噪声电压峰值可以降到1mV以下。

此外，在电路中把所有的电缆绑扎紧固，从而减少或消除电缆的弯曲，能有效地减少电缆摩擦电噪声。当上述措施仍然不能把摩擦电噪声降低到可以接受的程度时，可以采用特殊的低噪声电缆，这种电缆的外部屏蔽导体和内部绝缘体之间有一个石墨层，其润滑作用减缓了两者之间的摩擦，而且在绝缘体表面附着一层导电的石墨，提高了绝缘体表面电荷的活性，从而提高了电荷平衡的速度，防止了电荷的聚集。但是这种电缆是“低噪声”，而不是“无噪声”的，它只能减少而不能消除摩擦电噪声。当经受振动或热胀冷缩时，它仍然要产生小幅度的摩擦电噪声。因此，在微弱信号检测电路中，所有的连接线应该尽量短，而且要固定在不振动的结构上，并且远离温度变化较大的气流，以防热胀冷缩。

2）导体在磁场中的运动

根据法拉第定律，导体在磁场中运动，将感生出电动势，即有

Um=LBνsinθ （2-8-1）

式中，v为导体移动的速度；B为磁感应强度；L为导体长度。这里假设导体与磁场方向垂直，而且磁场强度B在L上均匀，运动方向与B之间的夹角为θ。

如果B不是静态磁场，而是交变磁场，那么导体运动所产生的电动势上还要叠加通过互感产生的噪声。

即使信号线是在微弱的地磁场中运动，对于微弱信号检测系统来说，其所产生的噪声电动势也可能是不容忽视的。例如，如果磁感应强度为4×10-5Wb/m2，长度为1m的信号线以1cm/s的速度垂直于磁场运动，则产生的噪声电压为0.4μV。

3）压电效应

压电效应是可逆的。当外力沿特定晶向作用在晶体上产生形变时，在相应的晶面上会产生电荷，而且去掉该外力后又能自动重回到不带电的平衡状态。像这种靠晶体形变、不靠电场作用而产生极化的现象，称为“正压电效应”；同样，在特定晶向施加电场后，不仅有极化现象，还会产生形变，去掉电场，则形变和应力消失，这称为“逆压电效应”。正、逆压电效应统称为压电效应。从以上叙述可知，压电式传感器是一种典型的“双向传感器”。常用压电式传感器多利用的是压电材料的正压电效应。陶瓷绝缘体及某些印制电路板材料具有一定的压电效应，当这些材料振动时，附着在其上的导体之间会产生噪声电压。通过防振动安装来减少检测电路的振动，或者通过选用压电效应小的绝缘材料，能够有效减小压电噪声。

4）颤噪效应

任何被绝缘体分隔的两个导体都可形成一个电容，电容的大小取决于导体的面积、几何形状、相互方向及绝缘体的介电常数。如果由机械原因导致两个导体的相互位置发生变化，则电容C发生变化，电容两端的电压也会相应变化。当电容C变化ΔC时，电压的变化量ΔU为

式中，Q为聚积在由此电容上的空间电荷量。这正是电容式麦克风的工作原理：当声压波使得作为电容器一个极板的麦克风膜片移动时，电容发生变化，电容两端的电压也发生变化，从而把声音转换成电信号。

电路板中靠得很近的导体，以及电缆线的芯线和屏蔽层之间，也会存在这种效应，机械振动可能会使它们构成的电容发生变化，在这些导体上就产生了噪声电压，这种现象叫做颤噪效应。克服颤噪效应的有效方法是避免关键电路元件（包括电缆）发生机械振动，此外，降低携带微弱信号的电缆的稳态电压（从而减少Q）也能缓解颤噪效应产生的噪声。

7.其他噪声源

1）电化学噪声

如果电路板清理得不好，某些电化学物质的污染与湿气混合就有可能形成电解液，与其接触的电路中的不同金属间就可能构成一个电化学电池，成为电化学噪声源。例如，印制电路板上的铜箔、焊锡及没有清理掉的焊剂有可能形成这样的电池。通过彻底清洁电路板，并用防潮涂料处理覆盖电路板，可以有效地缓解，甚至克服电化学噪声问题。

2）由温度变化引起的噪声

当两种不同的金属的接点分别处于不同温度T1和T2时，会产生正比于温差T1-T2的热电势eT，即热电效应。当空气紊流或其他原因导致这两个接点之间的温差随机变化时，热电势也会随机变化。在印制电路板上构成接点的不同金属可以是铜箔和镀金条，也可以是铜箔和焊接所用的铅-锡合金。在微弱信号检测电路中通过避免形成不同金属的接点可以消除热电势噪声，但是这可能很难做到。而通过选择形成接点的金属材料，使得接点的热电势较小，可以降低热电势噪声的幅度。例如，铜-镉/锡合金接点的热电势约为0.3μV/℃，而铜-铅/锡合金接点的热电势约为l～3μV/℃。

有的电阻的阻值随温度变化，有的半导体PN结的正向压降随温度变化，这些都会把温度变化转换为电压变化。温度敏感元件的温度变化速度取决于这些元件附着的物理结构的热容量，以及热传输通道的热导率。通常温度变化的速度是缓慢的，由温度变化导致的电路电压变化常常叫做“温度漂移”。在微弱信号检测电路的敏感部位采用低温度系数的电阻，并采用对称平衡的差动输入放大器电路，可以有效地减少温度漂移。

通过把敏感电路装配在高热导率、大热容量的散热器上，可以减少电路元件温度的变化及温度梯度，这对抑制各种由温度变化引起的噪声都有效。

3）触点噪声

接触不良的插头插座、开关触点及焊接不良的焊点会导致触点噪声。机械振动会使这些不良触点的接触电阻发生变化；而温度变化会使触点膨胀或收缩，进而也会导致接触电阻发生变化。当电流流过变化的接触电阻时，也会形成噪声电压。

2.8.2 干扰噪声的频谱分布

在上述各种干扰噪声中，电磁场噪声和射频噪声几乎无处不在，它们所覆盖的频率范围也很广。工频电磁场和地电位差也随处可见，而且其幅度相当大。检测电路内部必然包含一定数量的电子元器件，它们所固有的白噪声（如热噪声和散弹噪声）及1/f噪声必然存在。除了电视或无线电广播信号能引起射频噪声外，很多脉冲源都有可能发射射频噪声，如电弧、电火花加工、汽车火花塞等。如图2.8.1所示为干扰噪声的频谱分布。