2.8 干擾噪聲

某個外部干擾源產生噪聲，并經過一定的途徑將噪聲耦合到信號檢測電路，便形成了對現代電子信息系統的外部干擾噪聲。例如，檢測電路的一部分電路可能像天線一樣拾取無線電波，也可能拾取電刷電機的電弧和由接觸器觸頭所產生的電磁輻射波；變壓器或電機的交變磁場可能會在檢測電路中感應出同樣頻率的電壓或電流；干擾噪聲會經過分布電容或寄生電容耦合到附近的電路導線中；即使是檢測電路中導線的機械振動，也可能因為切割磁力線而感應出干擾噪聲。外部干擾噪聲對檢測結果影響的大小與檢測電路的布局和結構密切相關，其特性既取決于干擾源的特性，又取決于耦合途徑的特性，而與電路中元器件的優劣無關。這類噪聲可能是隨機的，也可能是確定性的。

外部干擾噪聲大都與磁場耦合或電場耦合有關，還有一些干擾噪聲是由導線引入的。這類噪聲的研究領域和降噪技術有時稱為電磁兼容性（EMC）。

2.8.1 干擾噪聲源

1.電力線噪聲

隨著工業電氣化的發展，工頻（50Hz）電源幾乎無處不在，因此工頻電力線干擾也就普遍存在。電力線噪聲主要表現在以下幾個方面。

1）尖峰脈沖

由于電網中大功率開關的通斷，電機、變壓器和其他大功率設備的啟/停及使用電焊機等原因，工頻電網中頻繁出現尖峰干擾脈沖。這種尖峰干擾脈沖的幅度可能是幾伏、幾百伏，有時甚至是幾千伏，持續時間一般較短，多數在微秒數量級。這種尖峰干擾脈沖的高次諧波分量很豐富，而且出現得頻繁，幅度高，是污染低壓（220V）工頻電網的一種主要干擾噪聲，會對現代電子信息系統帶來很多不利影響。如果不采取適當的措施抑制電源的尖峰脈沖干擾，就有可能導致檢測波形的畸變，嚴重時甚至會導致信號處理計算機的程序跑飛和死機。

2）工頻電磁場

在由工頻電力線供電的實驗室、工廠車間和其他生產現場，工頻電磁場幾乎無處不在。例如，在高電壓、小電流的工頻設備附近，存在著較強的工頻電場；在低電壓、大電流的工頻設備附近，存在著較強的工頻磁場；即使在一般的電氣設備和供電線的相當距離之內，都會存在一定強度的50Hz電磁輻射波。工頻電磁場會在現代電子信息系統的導體和信號回路中感應出50Hz的干擾噪聲。

3）電網電壓波動

工業電網電壓的欠壓或過壓有時會達到額定電壓的±15%以上，如果現代電子信息系統的電源穩壓電路性能不高，工頻電壓的波動就有可能串入信號回路中。隨著電力工業的發展和供電質量的不斷提高，電網電壓波動問題漸趨緩和。

2.電氣設備噪聲

電氣設備必然產生工頻電磁場，而且在開、關時還會在電網中產生尖峰脈沖。某些特殊的電氣設備還有可能產生射頻噪聲，如高頻加熱電器和逆變電源。此外，某些電氣設備還會產生放電干擾，包括輝光放電、弧光放電、火花放電和電暈放電。

1）輝光放電

最常見的輝光放電是熒光燈和霓虹燈。當兩個電極之間的氣體被電離時，因為離子碰撞便會產生輝光放電。輝光放電所需電壓取決于電極之間的距離、氣體類型和氣壓。發生輝光放電后，氣體擊穿，此后只需較低電壓就可以維持氣體電離和輝光放電。輝光放電會產生超高頻電磁波，其強度取決于放電電流。

2）弧光放電

最典型的弧光放電是電焊，這是一種金屬霧放電。電弧電流產生的高溫將電極金屬熔化并氣化，由此形成電弧光。弧光放電會產生高頻電磁波輻射，也會造成局部電網的電壓波動和尖峰脈沖干擾。

3）火花放電

在電氣設備觸點通斷的瞬間，觸點處的斷續電流會引起火花放電。例如，接觸器觸頭的瞬間通斷、直流電動機電刷的持續通斷、內燃機的點火系統等。由火花放電產生的電磁輻射頻率范圍很寬，輻射能量也比較大。例如，汽車點火干擾的頻率范圍約為20～1000MHz，作用范圍可達50～100m。在電火花加工設備的附近，更會產生強烈的火花放電干擾。

4）電暈放電

當高壓輸電線絕緣失效時會產生間歇脈沖電流，形成電暈放電。一般的檢測設備都遠離高壓輸電線，交流供電也是經多級降壓變壓器而來，變壓器的低通濾波作用使得電暈放電干擾的高頻分量大幅度衰減，但其低頻分量還會產生不利影響。

3.射頻噪聲

隨著無線廣播、電視、雷達、微波通信的不斷發展，以及手機的日益推廣，空間中的射頻噪聲越來越嚴重。射頻噪聲的頻率范圍很廣，從100kHz到吉赫茲數量級。射頻噪聲多數是調制（調幅、調頻或調相）電磁波，也含有隨機的成分。檢測設備中的傳輸導線都可以看做接收天線，都在不同程度地接收空間中無處不在的射頻噪聲。因為射頻噪聲的頻率范圍一般都高于檢測信號的頻率范圍，所以利用濾波器可以有效地抑制射頻噪聲的不利影響。

4.地電位差噪聲

如果現代電子信息系統的不同部件采用不同的接地點，則這些接地點之間往往存在或大或小的地電位差。例如，在一個沒有良好接地設施的車間內，不同接地點之間的地電位差可達幾伏甚至幾十伏。又如，在飛機的機頭、機翼和機尾之間，電位差可達幾十伏；汽車的不同部件之間也可能存在幾伏的電位差。即使在同一塊電路板上，不同接地點之間的地電位差也可能在毫伏數量級或更大。

如果信號源和放大器采用不同的接地點，則地電位差對于差動放大器來說是一種共模干擾，而對于單端放大器來說是一種差模干擾。因為地電位差噪聲的頻率范圍很可能與信號頻率范圍重疊，所以很難用濾波的方法解決問題。克服地電位差噪聲不利影響的有效辦法是采用合適的接地技術或隔離措施。

5.雷電及天體噪聲

雷電發生時的一次電流可達106A，云與地面之間的感應電場可達l～10kV/m，上升時間為微秒數量級。雷電會造成幅度很大的電場和磁場，也會產生高強度的電磁輻射波，頻率范圍為幾十千赫茲到幾十兆赫茲。此外，在云與地雷電的附近，大地的地電位差也會發生劇烈變化，可高達幾千伏。

由于宇宙射線和太陽黑子的電磁輻射，所以大氣中普遍存在天體噪聲。天體噪聲的頻率很高，一般在吉赫茲量級以上，遠遠超出了一般電子信息系統的頻帶范圍，因此對普通電子系統影響不大。

6.機械起源的噪聲

在非電起源的噪聲中，機械原因占多數。例如，電路板、導線和觸點的振動有可能通過某種機-電傳感機理轉換為電噪聲。而在不少應用場合，很難避免電路的機械運動和振動。例如，裝設在運載工具或工業設備的運動部件中的檢測電路振動的幅度可能很大，電纜線的運動和振動更是常見。

1）摩擦電效應

兩種不同的物質相互摩擦會產生電荷的轉移，使得一種物質帶正電，另一種物質帶負電。這種摩擦電效應有可能導致產生高阻抗、小信號電路中的干擾噪聲。例如，在用同軸電纜連接高輸出阻抗信號源和高輸入阻抗放大器的情況下，彎曲電纜的過程會使組成電纜的導體和絕緣體之間形成摩擦或斷斷續續的接觸，導致電荷傳輸和電纜芯帶電，也會給電纜內外層導體之間的分布電容充電，形成電纜芯和外屏蔽層之間的噪聲電壓。隨著電纜任何一端連接這兩個導體的電阻的減小，分布電容的放電速度加快，噪聲電壓幅度會明顯減小。例如，當用手彎曲1m長的同軸電纜時，如果同軸電纜和外屏蔽層之間連接的電阻為10MΩ，則噪聲電壓峰值能達到5mV以上；如果該電阻降為lMΩ，則噪聲電壓峰值可以降到1mV以下。

此外，在電路中把所有的電纜綁扎緊固，從而減少或消除電纜的彎曲，能有效地減少電纜摩擦電噪聲。當上述措施仍然不能把摩擦電噪聲降低到可以接受的程度時，可以采用特殊的低噪聲電纜，這種電纜的外部屏蔽導體和內部絕緣體之間有一個石墨層，其潤滑作用減緩了兩者之間的摩擦，而且在絕緣體表面附著一層導電的石墨，提高了絕緣體表面電荷的活性，從而提高了電荷平衡的速度，防止了電荷的聚集。但是這種電纜是“低噪聲”，而不是“無噪聲”的，它只能減少而不能消除摩擦電噪聲。當經受振動或熱脹冷縮時，它仍然要產生小幅度的摩擦電噪聲。因此，在微弱信號檢測電路中，所有的連接線應該盡量短，而且要固定在不振動的結構上，并且遠離溫度變化較大的氣流，以防熱脹冷縮。

2）導體在磁場中的運動

根據法拉第定律，導體在磁場中運動，將感生出電動勢，即有

Um=LBνsinθ （2-8-1）

式中，v為導體移動的速度；B為磁感應強度；L為導體長度。這里假設導體與磁場方向垂直，而且磁場強度B在L上均勻，運動方向與B之間的夾角為θ。

如果B不是靜態磁場，而是交變磁場，那么導體運動所產生的電動勢上還要疊加通過互感產生的噪聲。

即使信號線是在微弱的地磁場中運動，對于微弱信號檢測系統來說，其所產生的噪聲電動勢也可能是不容忽視的。例如，如果磁感應強度為4×10-5Wb/m2，長度為1m的信號線以1cm/s的速度垂直于磁場運動，則產生的噪聲電壓為0.4μV。

3）壓電效應

壓電效應是可逆的。當外力沿特定晶向作用在晶體上產生形變時，在相應的晶面上會產生電荷，而且去掉該外力后又能自動重回到不帶電的平衡狀態。像這種靠晶體形變、不靠電場作用而產生極化的現象，稱為“正壓電效應”；同樣，在特定晶向施加電場后，不僅有極化現象，還會產生形變，去掉電場，則形變和應力消失，這稱為“逆壓電效應”。正、逆壓電效應統稱為壓電效應。從以上敘述可知，壓電式傳感器是一種典型的“雙向傳感器”。常用壓電式傳感器多利用的是壓電材料的正壓電效應。陶瓷絕緣體及某些印制電路板材料具有一定的壓電效應，當這些材料振動時，附著在其上的導體之間會產生噪聲電壓。通過防振動安裝來減少檢測電路的振動，或者通過選用壓電效應小的絕緣材料，能夠有效減小壓電噪聲。

4）顫噪效應

任何被絕緣體分隔的兩個導體都可形成一個電容，電容的大小取決于導體的面積、幾何形狀、相互方向及絕緣體的介電常數。如果由機械原因導致兩個導體的相互位置發生變化，則電容C發生變化，電容兩端的電壓也會相應變化。當電容C變化ΔC時，電壓的變化量ΔU為

式中，Q為聚積在由此電容上的空間電荷量。這正是電容式麥克風的工作原理：當聲壓波使得作為電容器一個極板的麥克風膜片移動時，電容發生變化，電容兩端的電壓也發生變化，從而把聲音轉換成電信號。

電路板中靠得很近的導體，以及電纜線的芯線和屏蔽層之間，也會存在這種效應，機械振動可能會使它們構成的電容發生變化，在這些導體上就產生了噪聲電壓，這種現象叫做顫噪效應。克服顫噪效應的有效方法是避免關鍵電路元件（包括電纜）發生機械振動，此外，降低攜帶微弱信號的電纜的穩態電壓（從而減少Q）也能緩解顫噪效應產生的噪聲。

7.其他噪聲源

1）電化學噪聲

如果電路板清理得不好，某些電化學物質的污染與濕氣混合就有可能形成電解液，與其接觸的電路中的不同金屬間就可能構成一個電化學電池，成為電化學噪聲源。例如，印制電路板上的銅箔、焊錫及沒有清理掉的焊劑有可能形成這樣的電池。通過徹底清潔電路板，并用防潮涂料處理覆蓋電路板，可以有效地緩解，甚至克服電化學噪聲問題。

2）由溫度變化引起的噪聲

當兩種不同的金屬的接點分別處于不同溫度T1和T2時，會產生正比于溫差T1-T2的熱電勢eT，即熱電效應。當空氣紊流或其他原因導致這兩個接點之間的溫差隨機變化時，熱電勢也會隨機變化。在印制電路板上構成接點的不同金屬可以是銅箔和鍍金條，也可以是銅箔和焊接所用的鉛-錫合金。在微弱信號檢測電路中通過避免形成不同金屬的接點可以消除熱電勢噪聲，但是這可能很難做到。而通過選擇形成接點的金屬材料，使得接點的熱電勢較小，可以降低熱電勢噪聲的幅度。例如，銅-鎘/錫合金接點的熱電勢約為0.3μV/℃，而銅-鉛/錫合金接點的熱電勢約為l～3μV/℃。

有的電阻的阻值隨溫度變化，有的半導體PN結的正向壓降隨溫度變化，這些都會把溫度變化轉換為電壓變化。溫度敏感元件的溫度變化速度取決于這些元件附著的物理結構的熱容量，以及熱傳輸通道的熱導率。通常溫度變化的速度是緩慢的，由溫度變化導致的電路電壓變化常常叫做“溫度漂移”。在微弱信號檢測電路的敏感部位采用低溫度系數的電阻，并采用對稱平衡的差動輸入放大器電路，可以有效地減少溫度漂移。

通過把敏感電路裝配在高熱導率、大熱容量的散熱器上，可以減少電路元件溫度的變化及溫度梯度，這對抑制各種由溫度變化引起的噪聲都有效。

3）觸點噪聲

接觸不良的插頭插座、開關觸點及焊接不良的焊點會導致觸點噪聲。機械振動會使這些不良觸點的接觸電阻發生變化；而溫度變化會使觸點膨脹或收縮，進而也會導致接觸電阻發生變化。當電流流過變化的接觸電阻時，也會形成噪聲電壓。

2.8.2 干擾噪聲的頻譜分布

在上述各種干擾噪聲中，電磁場噪聲和射頻噪聲幾乎無處不在，它們所覆蓋的頻率范圍也很廣。工頻電磁場和地電位差也隨處可見，而且其幅度相當大。檢測電路內部必然包含一定數量的電子元器件，它們所固有的白噪聲（如熱噪聲和散彈噪聲）及1/f噪聲必然存在。除了電視或無線電廣播信號能引起射頻噪聲外，很多脈沖源都有可能發射射頻噪聲，如電弧、電火花加工、汽車火花塞等。如圖2.8.1所示為干擾噪聲的頻譜分布。