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TDK | 噪声的模式与行为,区别Earth与Ground的重要性

引发电子设备故障的噪声和信号一样,都是电能。电气通信就是与这种难缠噪声抗争的历史。不过,通过与噪声问题的正面交锋,如今的信息通信技术得以确立,我们的生活也由此丰富多彩了起来。

引发电子设备故障的噪声和信号一样,都是电能。电气通信就是与这种难缠噪声抗争的历史。不过,通过与噪声问题的正面交锋,如今的信息通信技术得以确立,我们的生活也由此丰富多彩了起来。在人与家电、汽车、医疗等优质服务密切相连的未来社会,噪声对策技术将愈发地重要。


雷达出现前的航空探测技术

通信所用的电波为波长从数厘米到数毫米的微波,智能手机虽然看起来没有天线,但实际上还是内置了各种用途的天线。


20世纪初期的无线通信采用的是长波到中波的电波。由于当时的收信机灵敏度低,因此会将长度100米到1000米的天线,树立到离地面100米以上的高度。如此巨大的天线在远处也很显眼。在战时,无线通信就是军事的生命线。因此,在一战时期的欧洲,无线通信天线就成了被优先攻击的对象。


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战斗机发动机火花塞的放电火花会产生噪声电波,因此在一战时,为了探测接近的战斗机,人们发明了超外差技术,将噪声电波的频率进行转换和检测。


在20世纪电气通信技术史上留名的美国电气工程师E·H·阿姆斯特朗在一战时担任通信部队的军官,奔赴了欧洲战场。为了保护重要的通信天线,他想出了能预测来袭敌机的妙案。之前介绍过,马可尼的早期无线通信利用了放电火花产生的噪声电波,飞机发动机火花塞也会因为放电火花而产生噪声电波。他的想法是,只要接收到噪声电波,就能发现靠近的敌机了。不过,远处的飞机发出的噪声是微弱的高频波。因此,他发明了将收到的高频噪声电波转换为低频并增幅再进行检测的方法。这就是此后被应用到收音机和电视等设备中的超外差技术。


尽可能缩小Ground电势差

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我们周围的电子设备或多或少地会发出噪声,并受到外部辐射噪声的干扰。不过,只要用金属壳包裹住电子设备,以电磁波形式飞来的噪声就会被阻挡。这是因为金属壳不会接收噪声电波并放它入内。在屏蔽、反射、旁路、吸收的四种噪声对策中,最好理解的就是这种屏蔽法了。此时,金属壳若连接大地 (Earth),就能让大地吸收噪声电波能量,进一步提高效果。电子设备的噪声测量等使用的电磁屏蔽室,也为了阻断外来噪声而全身裹有金属,且连接大地。

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虽然我们常说“接地” (Earth),但准确来说,电子设备的金属壳和底盘,信号返回线路采用的电路板等其实属于“Ground”。另外,金属壳和底盘等称为Frame Ground  (框架接地),电路板称为Signal Ground (信号接地)。


在电子设备方面,有必要严格地区分Earth和Ground。这是因为,即使是Ground接地,Ground和Earth之间的基准电势间仍有微小差异,会造成噪声。这种情况在Frame Ground和接有模拟电路、数字电路、功率电路的Signal Ground之间也会发生,有必要通过设置基准点等细致操作,减少Ground之间的电势差。


电路板有时会成为辐射噪声的天线

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“在合适的位置,Ground需要尽可能粗短。”这是电路板设计的第一原则。之所以将Signal Ground与底盘等Frame Ground连接,也是为了增大Ground的面积。但如果是靠螺丝等方式连接,螺丝松落的话,那里就会产生辐射噪声,需多加注意。带锯齿的菊花垫片和弹簧垫片也是为了确保更好的接触状态才使用的。此外在电路板方面,还需要注意“不能让信号电路和作为Signal Ground的返回线路构成大面积的电路循环”。这是因为这种循环会形成天线,产生高强度的辐射噪声。电子设备有很多印刷电路板,其反面和内层为Signal Ground,信号电路则在正面。Signal Ground中流动的返回电路会选择电阻最低的最短距离。因此,它会在信号电路正下方流动,这样就能减小天线循环的面积,抑制辐射噪声的产生。


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