信号通道的干扰 - 传感器电路的噪声及其抗干扰技术研究

　　通常传感器设在生产现场，而显示、记录等测量装置安装在离现场有一定距离的控制室内，这样需要很长的信号传输线，信号在传输的过程中很容易受到干扰，导致所传输的信号发生畸变或失真。长线信号传输所遇到的干扰有：

　　(1)周围空间电磁场对长线的电磁感应干扰。

　　(2)信号线间的串扰。当强信号线(或信号变化速度很快的线)与弱信号线靠得很近时，通过线间分布电容和互感产生线间干扰。

　　(3)长线信号的地线干扰。信号线越长，则信号地线也越长，即地线电阻较大，形成较大的电位差。

　　2.4 空间电磁波的干扰

　　空间电磁波干扰主要有：

　　(1)雷电、大气层的电场变化、电离层变化及太阳黑子的电磁辐射等;

　　(2)区域空间中通信设备、电视、雷达等通过天线发射强烈的电磁波;

　　(3)局部空间电磁波对电路、设备产生的干扰，如氖灯、荧光灯等气体放电设施产生的辉光放电干扰，弧光放电产生的电波形成的干扰。

　　3 抑制传感器电路噪声的措施

　　3.1 根据不同工作频率合理选择噪声低的半导体元器件

　　在低频段，晶体管由于存在势垒电容和扩散电容等问题，噪声较大。而结型场效应管因为是多数载流子导电，不存在势垒区的电流不均匀问题。而且栅极与导电沟间的反向电流很小，产生的散粒噪声很小。故在中、低频的前级电路中应采用场效应管，不但可以降低噪声还可以有较高的输入阻抗。另外如果需要更换晶体管等半导体元件，一定要经过对比选择，即使型号相同的半导体器件参数也是有差别的。同样，电路中的碳膜电阻与金属膜电阻的噪声系数也是不一样的，金属膜电阻的噪声比碳膜的要小，特别是在前级小信号输入时，可以考虑用噪声小的金属膜电阻。

　　3.2 根据不同的工作频段、参数选择适当的放大电路

　　选择适当的放大电路不仅对本级电路有直接影响，对整个电路的工作参数、工作状态都会产生重要影响。如共射组态连接时，电路有较高的放大增益，同时它的噪声对后级的影响较小。而共集组态时有较高的输入阻抗同时也有较好的频响。因此根据不同的电路对参数应有不同要求，选择好的电路，不仅可以简化线路结构，同时也可以减少噪声对整个电路的干扰。在电路性能参数允许的条件下，尽可能采用抗干扰能力较好的数字电路。

　　3.3 传感器电路中加入滤波环节

　　在放大电路中，频带越宽，噪声也越大，而有用信号的频率往往在一定范围内，故可在电路中加入滤波环节，滤除或尽可能衰减干扰信号，以达到提高信噪比抑制干扰的目的。滤波技术对抑制经导线耦合到电路的干扰特别有效，将相应频带的滤波器接入信号传输通道中，各种滤波器是抑制差模干扰的有效措施之一。在自动检测系统中常用的滤波器有：

　　(1)RC滤波器。当信号源为热电偶、应变片等信号变化缓慢的传感器时，利用小体积、低成本的无源RC滤波器将会对串模干扰有较好的抑制效果。

　　(2)交流电源滤波器。电源网络吸收了各种高、低频噪声，对此常用LC滤波器来抑制混入电源的噪声，例如100μH的电感、0.1 μF的电容组成的高频滤波器能吸收中短波段的高频噪声干扰。

　　(3)直流电源滤波器。直流电源往往为几个电路所共用，为了避免通过电源内阻造成几个电路间相互干扰，应该在每个电路的直流电源上加上RC或LC退耦滤波器，用来滤除低频噪声。

　　3.4 通过负反馈电路来抑制噪声

　　负反馈电路可以通过反馈信号的取样、控制来稳定电路，提高放大器的信噪比，使放大电路的动态性能获得多方面的改善。负反馈信号可以稳定电路的静态工作点，从而稳定电路的温度、电流、电压等多项参数。在多级电路中，第一级电路因为是原始小信号，因此经常采用的是有较大增益的共射电路组态。除非是特殊需要，共射组态电路往往是不加负反馈的。所以第一级电路产生的噪声只能通过后级的负反馈电路来抑制。对于多级电路而言，通过负反馈信号稳定本级的静态工作点，可以抑制本级电路噪声的产生和传播。因此在多级电路中，负反馈电路是抑制噪声的一个重要手段。

　　3.5 抑制和减少输入端偏置电路的噪声

　　输入端偏置电路噪声一般是由输入端偏置分流电阻产生的。当流过偏置电阻的直流电流过大时就会使能量过剩从而产生电流噪声。如果选择合适的偏置电路，噪声就可以通过旁路电容短接入地，可以抑制噪声输出，减小对下一级电路的影响。另外优质的信号源也是电路抗干扰的重要保证。

　　4 减少传感器电路干扰的措施

　　4.1 合理布局

　　合理的电路布局可以减少不同工作频段电路之间的相互干扰，同时也使对干扰信号的滤除变得相对简单。

　　4.1.1 地线布置的抗干扰措施

　　为克服这种由于地线布设不合理而造成的干扰，在设计印制电路时，应当尽量避免不同回路的电路同时流经某一段共用地线。特别是在高频电路和大电流回路中，更要讲究地线的接法。把“交流地”和“直流地”分开，是减少噪声通过地线串扰的有效方法。

　　4.1.2 电源布线的抗干扰措施

　　在布线时，首先要将交流电源部分与直流电源部分分开，不要共用接地导线，就是把“交流地”和“直流地”分开，减少噪声通过地线串扰。另外，在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声。具体配置方法是在电源输入端接一个10～100μF的电解电容，如果印制电路板的位置允许，采用100μF以上的电解电容的抗干扰效果会更好。在电源线布线时，根据印制电路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走线和数据信号传递的方向一致，有助于增强抗干扰能力。

　　4.1.3 元器件布局的抗干扰措施

　　(1)抑制电磁干扰。相互可能产生影响或干扰的元器件，应当尽量分开或采取屏蔽措施。要设法缩短高频部分元器件之间的连线，减小它们的分布参数和相互间的电磁干扰(如果需要对高频部分使用金属屏蔽罩，还应该在板上留出屏蔽罩占用的面积)。易受干扰的元器件不能离得太近。强电部分(220 V)和弱电部分(直流电源供电)、输入级和输出级的元件应当尽量分开。直流电源引线较长时，要增加滤波元件，防止50 Hz干扰。扬声器、电磁铁、永磁式仪表等元件会产生恒定磁场，高频变压器、继电器等会产生交变磁场。这些磁场不仅对周围元件产生干扰，同时对周围的印制导线也会产生影响。这类干扰要根据情况区别对待，一般应该注意几点：减少磁力线对印制导线的切割，确定两个电感类元件的位置时，尽量使它们的磁场方向相互垂直，减少彼此间的耦合;对干扰源进行磁屏蔽，屏蔽罩要良好接地;使用高频电缆直接传输信号时，电缆的屏蔽层应一端接地。

　　(2)抑制热干扰。温度升高造成的干扰，在印制板设计中也应该引起注意。在排版设计印制板的时候，应采取措施进行元器件之间的热隔离。比如对于温度敏感的元器件，如晶体管、集成电路和其他热敏元件、大容量的电解电容器等，不宜放在热源附近或设备内的上部。电路长期工作引起温度升高，会影响这些元器件的工作状态及性能。

　　4.2 屏蔽技术

　　采用屏蔽技术可以有效防止电场或磁场的干扰。屏蔽又可分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等。

　　4.2.1 静电屏蔽

　　用铜或铝等导电性良好的金属为材料，制作密闭的金属容器，并与地线连接，把需要保护的电路置于其中，使外部干扰电场不影响其内部电路，反过来，内部电路产生的电场也不会影响外电路。例如传感器测量电路中，在电源变压器的初级和次级之间插入一个留有缝隙的导体，并把它接地，可以防止两绕组之间的静电耦合。