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实用EMI噪讯对策讲座(1)——基础物理篇

我爱方案网| EMI,噪讯,讲座| 2011-11-30
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中心议题:
    *  EMI信噪的定义
    *  信号与噪讯
    *  使信号歪斜的要素
    *  传输电气性信号
 

本系列讲座共12篇,剩下6篇在文章最后:
实用EMI噪讯对策讲座(1)——基础物理篇
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010427
实用EMI噪讯对策讲座(2)——信号模式
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010428
实用EMI噪讯对策讲座(3)——噪讯与电洞
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010429
实用EMI噪讯对策讲座(4)——平衡
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010430
实用EMI噪讯对策讲座(5)——天线与噪讯放射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010431
实用EMI噪讯对策讲座(6)——反射
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010432

几乎所有的电子硬件工程师工作上都会面临不同程度的电磁波干扰(EMI)问题,尤其是最近几年电子产品逐渐朝高功率、高传输速率、小型化方向发展,使得EMI问题越来越复杂多样化,事实上这正意味着充分掌握EMI特性,同时在设计阶段事先导入预防措施采取正确的防范对策,才是有效克服日趋严格的EMI/EMC挑战最佳手段。本文将从基础物理的角度说明EMI信噪的定义与判别要素。 
   
信号与噪讯


a.信号与噪讯的定义

所谓信号「Δ」是指相互隔离场所,利用光、电气等符号进行信息交流时的符号而言,此处所指的符号Δ是指表达语言、文字等信息时的记号体系。本实用EMI噪讯对策技术讲座所谓信号,则是指电气性的信号而言,通常电气性信号大多使用电压Δ或是电流Δ等符号。在模拟Δ信号有所谓的电压大小信号,它表示大小的信息,即使数字Δ信号也是直接使用模拟信号的电压,两者最大差异是数字信号利用大小,亦即0或是1的2值决定,而不是利用某个额定电压值决定信号的大小。

以上介绍的方式虽然是最基本的信号表示方法,不过也有其它表示方法经常被使用,例如在频率变调Δ领域,通常利用频率Δ表示信息。此外数字信号除了上述2值之外,偶而会使用3值以上的多值表示,由于2值信息比3值以上的信息处理上更容易,因此目前大部份的场合都使用2值方式。 如图1所示信号分为内载必要信息的信号(signal)与妨害该信号的噪讯(noise)两大类,广义上信号是必要信号与噪讯两者的组合,一般使用狭义定义,狭义上只将必要信号称为信号,原则上本讲座中的信号是指狭义的信号而言,使用特殊广义定或是要求明示时,利用一种被称为电气性信号作区隔。
 
几乎所有的电子硬件工程师工作上都会面临不同程度的电磁波干扰(EMI)问题,尤其是最近几年电子产品逐渐朝高功率、高传输速率、小型化方向发展,使得EMI问题越来越复杂多样化,事实上这正意味着充分掌握EMI特性,同时在设计阶段事先导入预防措施采取正确的防范对策,才是有效克服日趋严格的EMI/EMC挑战最佳手段。本文将从基础物理的角度说明EMI信噪的定义与判别要素。

信号与噪讯

a.信号与噪讯的定义

所谓信号「Δ」是指相互隔离场所,利用光、电气等符号进行信息交流时的符号而言,此处所指的符号Δ是指表达语言、文字等信息时的记号体系。本实用EMI噪讯对策技术讲座所谓信号,则是指电气性的信号而言,通常电气性信号大多使用电压Δ或是电流Δ等符号。在模拟Δ信号有所谓的电压大小信号,它表示大小的信息,即使数字Δ信号也是直接使用模拟信号的电压,两者最大差异是数字信号利用大小,亦即0或是1的2值决定,而不是利用某个额定电压值决定信号的大小。

以上介绍的方式虽然是最基本的信号表示方法,不过也有其它表示方法经常被使用,例如在频率变调Δ领域,通常利用频率Δ表示信息。此外数字信号除了上述2值之外,偶而会使用3值以上的多值表示,由于2值信息比3值以上的信息处理上更容易,因此目前大部份的场合都使用2值方式。 如图1所示信号分为内载必要信息的信号(signal)与妨害该信号的噪讯(noise)两大类,广义上信号是必要信号与噪讯两者的组合,一般使用狭义定义,狭义上只将必要信号称为信号,原则上本讲座中的信号是指狭义的信号而言,使用特殊广义定或是要求明示时,利用一种被称为电气性信号作区隔。
 

 


 
图1 信号与噪讯的差异

b.信号歪斜与噪讯

刻意使信号歪斜使该结果成为期待的信号,此时刻意使信号歪斜的操作称为信号处理,非刻意的信号歪斜会妨害期待的信号,它相当于噪讯的定义,换言之它是信号本身歪斜造成噪讯发生。信号处理的用语通常使用数字信号或是模拟信号表示,在数字技术它被当作处理的意味,一般更广泛定义亦即在模拟信号中它包含处理的含意,因此使用信号处理的用语。
 
图2 信号的歪斜

c. S / N 比

信号与噪讯的大小一般以电力(power)「W 」表示,电力是指单位时间的能量Δ( J,焦尔),亦即:
电力( W ) = 能量( J ) / 时间( s )
噪讯通常用信号对噪讯比S/N方式表示,而不是用绝对值表示,亦即:
 
至于电力比则以分贝(dB: decibel)表示,以对数表示电力比称为贝尔(B:Bel),由于它所指的「比」原本是无次元数不过常被使用,因此特别添加单位名称Δ,成为贝尔(单位为1/10,数值变成10倍)。
分贝也使用在电压比,电压比的场合:

贝尔=20分贝

此处假设:
P : 电力
V : 电压
R : 阻抗 ( 电阻 )

消费电力与施加于阻抗的电压可用下式表示:

P = V2 / R

由于贝尔的定义为电力比,因此电压比以贝尔表示时必需换算成电力比,此时2次方在对数变成2倍(此处请读者注意,贝尔为电力与电压时完全不同)。

电流比与电压比同样是:

贝尔 = 20分贝

如上所述S/N以电力比表示,不过信号通常利用电压表示它的大小或,是利用电压传输,因此以电压比或是电压评鉴,被视为适宜的情况相当多。
 

 


电路图中未标示的电路


使信号歪斜的要素

使信号歪斜的要素通常是某些电路组件,具体而言它是指为了刻意进行信号处理时,使用适合该处理作业需求的电路组件,例如电阻Δ、电容Δ等等,而这些电路组件一定被组装搭载在电路上,不过产生噪讯的电路组件一般都未装设在电路上,此处笔者想想要强调的是「即使电路图中未记载、标示,波形歪斜的要素仍旧存在」。电路图中记载的电路组件被视为理想性动作体,在电路图中电阻器属于纯粹理想性电阻器,电容器也是属于纯粹理想性电容器,然而实际使用的电子组件却偏离理想性具备现实特性。图3是组件的理想特性与现实特性,以频率特性Δ的形式进行比较。
   
图3 组件的理想特性与实际特性

由图3可知在频率较低的范围,组件几乎依照理想性动作,频率一旦变高组件的现实特性从理想特性大幅偏离,因此选择电子组件时必需针对该组件实际使用信号频率范围,可以完全发挥理想性动作为前提选用,亦即可以使该组件在使用目的下的频率范围内以接近理想性动作。如图3所示频率较高处,电容几乎完全电感化(inductor)Δ,即使想用滤波器(filter)Δ消除噪讯,由于该现实特性限制,滤波器可能无法达成消除噪讯的预期目标。同样的信号线在电路图上拥有零阻抗(zero impedance)的理想特性,不过现实信号线则一定具备阻抗Δ(图4)。
 
图4 信号线具备阻

阻抗(impedance)内部若有电流流动就会产生电压(图5),该电压就是一般所谓的「噪讯」。阻抗为电感(inductance)时阻抗值为 jωL,电流的频率( ω )一旦变高,对高频噪讯电流而言成为无法忽略电感造成的电压。此处请读者注意,笔直的一般信号线具备电感,电线呈环状卷绕时同样具备电感,尤其是刻意使电感变大的线圈(coil)Δ。类似这样即使电路图中未标示,实际存在的电路称为「电路图未标示的电路」,这点请读者务必牢记在心,因为「电路图未标示的电路」概念非常重要,它对日后处理EMI问题具有潜在性影响。 
  
图5 电流在阻抗内流动时的特性

信号同样有各种形式,例如摩尔斯符号也是信号的一种。电气性信号分为交流与直流两种,直流Δ(考虑期间)属于一定的信号,相对的交流Δ则是随着电流流动方向变化的信号。虽然图7是电流的波形,不过电压的波形也相同。所谓交流是指平均值为0,正端(plus)与负端(minus)呈对称性波形而言。
图7(b)是交流的代表正弦波形,正弦波形可用下式表示:
i = sin ( ω x t )
ω : 角速度
角速度对周期 具有以下关系:
ω = 2π / T
 

 


频率 可用下式表示:
频率的单位是 Hz (Hertz)。
 
图7 电流的波形

正弦波形的交流为正弦波交流,最具代表性的交流单纯交流时,一般是指正弦波交流,不过交流却不限定是正弦波交流,根据以上述定义者全部都是交流,图8是常见的交流电波形。
  
图8 常见的交流电波形

正弦波形除了上述特性之外还需考虑它的位相Δ,一般信号并不是单纯的交流,它是变化复杂任意波形的信号(图9)。任意波形的信号可以用直流成份与多数(彼此频率相异)正弦波形相加方式表示(图10)。
 
图9 一般信号常见的波形
 
图10 任意波形的信号
 

 


表示某个信号包含哪些频率成份与百分比,称它是该信号的频率特性,信号包含的频率 ( f ) 有上限与下限的限制,信号包含的频率范围称为该信号的频域(频宽或是频幅),虽然频宽也可以用绝对值 ( Δf ) 表示,不过一般都以信号频率的百分比 ( Δf / f ) 表示。此外,整合组件、组件的电路,决定输出、入之间哪些频率成份作何种变化等特性,称它为组件、电路的频率特性。频率特性具备两种含意,通常频率特性从横轴取频率的对数,纵轴为 刻度。图11是组件、电路的频率特性范例,该图是LC滤波器Δ的频率特性,由于LC滤波器的特性取决于QΔ定数值,因此该图可能显示LC滤波器的各种的特性。

图11 LC滤波器Δ的频率特性

电阻(符号为 R)属于可以限制电气流动的电子组件,严格来说它并不是单纯的阻抗体而是电气阻抗体。水等流体同样有阻抗称为流体阻抗,流体阻抗比电气阻抗复杂。此处假设电阻为R,施加于电阻两端的电压为V,在电阻内部流动的电流为I,下列奥姆法则成立:
V = R x I
不论是交流或是直留奥姆法则都成立,两者主要差异交流的场合使用实效值,所谓实效值是指电力变成直流与等价的值而言。
 
图12 奥姆法则的特性

假设振幅 ( 最大值 ) 为 ,在正弦波实效值Vrms可用下式表示:
 
电容器属于具备储存电荷能力的电子组件,假设电荷量(电气量)为Q,电容器的容量( capacitance )(静电容量)为C,如此一来下式成立:
 
 

 


电流是单位时间的电荷移动量,因此用时间将 CQ = V 微分变成下式(理想特性)微分方程式,接着解开该微分方程式变成下式:
 
式中的 为虚数( -1的平方根)Δ,数学上以 i 表示虚数,不过电气方面会与电流的 i 混淆因此使用 j,式中的 ω 表示信号的角速度。假设信号的频率为 f ,圆周率为 π ,如此一来角速度 ω 可用下式表示: 
 
换言之角速度与频率呈比例,虽然角速度不是频率,不过与频率呈比例关系,因此经常被当作与频率相同意义使用,有时甚至将频率当作角速度单位表示,此时称它为角频率。此处假设:
 
如此一来:
 
它与上述奥姆法则相同的关系成立,式中的 Z 相当于阻抗 R 的定数,根据上式可知 Z 随着交流的频率改变,亦即它具备频率特性(电容的频率特性为Δ), Z 又被称为电容的阻抗(impedance),换言之阻抗Δ是将直流阻抗扩建成交流的概念。检测阻抗时如果检测对象包含电解质的话,此时若以直流检测由于电池作用会产生很大的误差,为防患未然通常都使用交流检测该阻抗。例如检测医学用白老鼠发情期的阴道阻抗检测器必需检测实质阻抗,因此以交流检方式测阻抗。

此外,频率特性对交流有所谓的「flat」,阻抗不会随着频率变化。电感Δ(线圈,符号为 L)(理想特性)的直流阻抗同样是0,不过对交流它反而会限制电气的流动。假设电感的阻抗为 L ,如此一来下式成立:
 
解开后变成:
 
式中的 ( j x ω x L ) 就是电感的阻抗,它的频率特性刚好与电容相反(电感的频率特性为Δ),此外整合电阻、电容、电感的电路(例如滤波器)同样拥有阻抗,它的频率特性非常复杂。

电容器是利用电界、电感的磁界作用构成的组件,电容器以电界的形式储存能量(energy),相形之下电感则以磁界的形式储存能量,不论是电容器或是电感都是储存能量的组件,相形之下电阻则是消费能量的组件。变压器是利用两组线圈的磁界相互结合体,将其中一方的电压传递至另一方,该相互结合以感应系数(inductance)表示,因此被称为相互感应电感。
 
图13 变压器的动作原理

连接负载阻抗的场合下式成立:
 
此外:

 

 


b.传输电气性信号


外来噪讯必定存在传递路径,该路径在电路图中未标示的情况非常多。接着要探讨图14两条相互平行信号线的特性。两条线相互独立时,理论上电气性信号的噪讯不会传递过来,不过两条信如果相互平行时,其间就会有浮游容量(stray capacitance),噪讯会藉由浮游容量传递,电路图中未标示的电路亦即浮游容量几乎随处可见,因此又称为浮游容量Δ。

此外,相互平行两线之间还有相互电感,噪讯也会利用相互电感传递。相互直交信号线的电容与相互电感,若与相互平行信号线比较,相互直交信号线的电容与相互电感一般都可以忽略无视。信号在空中以电波(电磁波)形式传递,电波是整合电界与磁界的结果,天线除了将电波发射到空中称为放射,天线还可以攫取空中的电波。至于电气导体也具备天线效应,即使相隔一段距离相互成为天线,噪讯会透过放射传递。上述现象电路图中都没有标示或记载,不过噪讯会通过电路图中未记载的电路传递,它还包含伴随的信号,经过信号线传递的噪讯。

本系列讲座共12篇,剩下6篇在文章头部:
实用EMI噪讯对策讲座(7)——失真
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010433
实用EMI噪讯对策讲座(8)——遮蔽Shield
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010434
实用EMI噪讯对策讲座(9)——Ground与电源
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010436
实用EMI噪讯对策讲座(10)——电源的噪讯
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010437
实用EMI噪讯对策讲座(11)——DC电源与Ground
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010438
实用EMI噪讯对策讲座(12)——筐体与筐体内的导线
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80010439

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