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TDK | 噪声的根源和种类,追踪看不见的噪声

本文将为您讲解噪声的根源和种类,以及如何追踪看不见的噪声。

无现金支付 (手机支付)、可优化暖气和照明等耗电量的智能家居、电动汽车和自动驾驶技术、搭载AI画面识别技术的自动安检设备和机器人——我们周围的环境正发生急速的变化。为这些技术提供支持的正是大量的电信号传导。今后预计还会不断出现各种先进技术,电信号的传导也需要达到与之相符的高速大容量。而且,这些信号还必须保证高安全性和可靠性。


实际上,电信号和噪声都是电磁能量,因此电子化生活越是便利,电子设备就越需要噪声对策。



噪声的两种类型:传导噪声和辐射噪声

我们周围的电气电子设备多少都算是噪声的产生源,看不见的噪声与热量有类似之处。众所周知,热的移动分为传导、对流、辐射三种。保温瓶的内部是真空的双层构造,这是为了防止空气的热传导和对流。不过,辐射热属于电磁波 (红外线),即使真空也无法阻断。因此,杯子里面会镀上银胆,反射红外线,提高保温效果。


作为电磁能量,噪声也根据传递方式大致分为传导噪声和辐射噪声。传导噪声通过电源线、信号线、印刷电路板的电路等,与信号一起移动。辐射噪声无需介质,以电磁波形式飞散。


传导噪声的入侵线路相对比较明确,但和信号类似,难以识别。电信号一般会以电压变化的方式传导,但噪声也是这种变化的一部分,会与电信号融合。

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电路板和地面间的静电结合,以及线路间的电磁结合会成为噪声的传输路径。此外,电路板若直接存在电势差,就会形成大型的电流循环,成为噪声传输路径。并且,传导噪声还会变为辐射噪声,辐射噪声也会变为传导噪声。


电脑内部充满了无用电磁波


辐射噪声比传导噪声还要令人难以捉摸。即使没有线缆连接,辐射噪声也会找机会侵入其它电子设备,系统内的噪声会变为系统间的噪声,扩大影响范围。在高频电流的电路中,线路的电感等成分会产生无用的电磁波,这也属于噪声。由于电磁波的辐射量与频率的平方成正比,所以时钟频率高达Ghz的电脑等设备等成为了辐射噪声的主要产生源之一。


上一篇推文中也提到过,噪声对策的基本方式包括 (1) 屏蔽 (2) 反射 (3) 吸收 (4) 旁路。电脑本身包裹的金属外壳,就是为了防止无用电磁波的泄露。不过,CD和DVD的取出口、散热通气口、金属板的接缝处等位置会形成“窗口”,无用电磁波会从此逃出。此外,与周围设备连接的线缆哪怕掉了一块皮,也会形成天线,辐射无用电磁波。电信号和噪声本质上是相同的东西。如果没有在产生源采取对策,之后就无从挽救了。如果只是“临阵磨枪”,反而会“赔了夫人又折兵”,让噪声进一步增加。


兼顾生成噪声和侵入噪声的EMC


噪声也会通过静电结合与电磁结合的方式扩大。有电流的导体附近若存在其它导体,就会构成看不见的电容器 (浮游容量),并产生诱导电压。这称为静电结合。高频电流流动时,其导体也会随之产生电压变化,造成辐射噪声和传导噪声,对设备造成负面影响。


电磁结合是磁场引发的诱导现象。交流电路的旁边若有其它电路,产生的磁场变化就会导致电流。这可以根据法拉第电磁诱导法则推导,和变压器是相同的原理。磁场的时间性变动越激烈、两个电路循环的面积越大、两个电路越接近,电磁结合所诱发的噪声电压就越大。连接印刷电路板的导线采用双绞线的原因是,导线产生的磁场影响会因此被减弱。双绞线构成的一个个小圈所产生的磁场会交替地呈相反方向,让磁场抵消,从而减少辐射噪声。

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电场变化产生磁场,磁场变化产生电场

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环状电场和磁场交替连接,跨越空间的话就形成了电磁波


在电路元件高度集成的电子设备中,静电结合和电磁结合会复杂地交错,线路的信号因此就能轻松地侵入其它线路。这称为“串扰”,随着电子设备的小型化,电路板上的噪声问题也开始激增。为了减少噪声影响,人们常采用屏蔽线。屏蔽线确实对静电结合与电磁结合都有效,但在此之前,需要在电路配置上花费工夫,例如让电压、电流变动大的导线远离,让导线交叉而不并行等。


电子设备是不可能根除噪声的。正因如此,兼顾生成噪声和侵入噪声对策的EMC方案变得愈发重要了起来。那么,噪声的模式与行为有哪些?为何Earth与Ground的区别很重要?



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