传感器电路的噪声及其抗干扰技术研究

XJzy

　　摘要：尽量消除或抑制电子电路的干扰是电路设计和应用始终需要解决的问题。传感器电路通常用来测量微弱的信号，具有很高的灵敏度，如果不能解决好各类干扰的影响，将给电路及其测量带来较大误差，甚至会因干扰信号淹没正常测量信号而使电路不能正常工作。在此，研究了传感器电路设计时的内部噪声和外部干扰，并得出采取合理有效的抗干扰措施，能确保电路正常工作，提高电路的可靠性、稳定性和准确性。

　　关键词：传感器;噪声;抗干扰;电路设计

　　引言

　　传感器电路很容易接收到外界或内部一些无规则的噪声或干扰信号，如果这些噪声和干扰的大小可以与有用信号相比较，那么在传感器电路的输出端有用信号将有可能被淹没，或由于有用信号分量和噪声干扰分量难以分辨，则必将妨碍对有用信号的测量。所以在传感器电路的设计中，往往抗干扰设计是传感器电路设计是否成功的关键。

　　1 传感器电路的内部噪声

　　1.1 高频热噪声

　　高频热噪声是由于导电体内部电子的无规则运动产生的。温度越高，电子运动就越激烈。导体内部电子的无规则运动会在其内部形成很多微小的电流波动，因其是无序运动，故它的平均总电流为零，但当它作为一个元件(或作为电路的一部分)被接入放大电路后，其内部的电流就会被放大成为噪声源，特别是对工作在高频频段内的电路高频热噪声影响尤甚。

　　通常在工频内，电路的热噪声与通频带成正比，通频带越宽，电路热噪声的影响就越大。在通频带△f内，电路热噪声电压的有效值：

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。以一个1 kΩ的电阻为例，如果电路的通频带为1 MHz，则呈现在电阻两端的开路电压噪声有效值为4μV(设温度为室温T=290 K)。看起来噪声的电动势并不大，但假设将其接入一个增益为106倍的放大电路时，其输出噪声可达4 V，这时对电路的干扰就很大了。

　　1.2 低频噪声

　　低频噪声主要是由于内部的导电微粒不连续造成的。特别是碳膜电阻，其碳质材料内部存在许多微小颗粒，颗粒之间是不连续的，在电流流过时，会使电阻的导电率发生变化引起电流的变化，产生类似接触不良的闪爆电弧。另外，晶体管也可能产生相似的爆裂噪声和闪烁噪声，其产生机理与电阻中微粒的不连续性相近，也与晶体管的掺杂程度有关。

　　1.3 半导体器件产生的散粒噪声

　　由于半导体PN结两端势垒区电压的变化引起累积在此区域的电荷数量改变，从而显现出电容效应。当外加正向电压升高时，N区的电子和P区的空穴向耗尽区运动，相当于对电容充电。当正向电压减小时，它又使电子和空穴远离耗尽区，相当于电容放电。当外加反向电压时，耗尽区的变化相反。当电流流经势垒区时，这种变化会引起流过势垒区的电流产生微小波动，从而产生电流噪声。其产生噪声的大小与温度、频带宽度△f成正比。

　　1.4 电路板上的电磁元件的干扰

　　许多电路板上都有继电器、线圈等电磁元件，在电流通过时其线圈的电感和外壳的分布电容向周围辐射能量，其能量会对周围的电路产生干扰。像继电器等元件其反复工作，通断电时会产生瞬间的反向高压，形成瞬时浪涌电流，这种瞬间的高压对电路将产生极大的冲击，从而严重干扰电路的正常工作。

　　1.5 电阻器的噪声

　　电阻的干扰来自于电阻中的电感、电容效应和电阻本身的热噪声。例如一个阻值为R的实芯电阻，可等效为电阻R、寄生电容C、寄生电感L的串并联。一般来说，寄生电容为0.1～0.5 pF，寄生电感为5～8 nH。在频率高于1 MHz时，这些寄生电感电容就不可忽视了。

　　各类电阻都会产生热噪声，一个阻值为R的电阻(或BJT的体电阻、FET的沟道电阻)未接入电路时，在频带宽度B内所产生的热噪声电压为：

　　式中：k为玻尔兹曼常数;T是绝对温度(单位：K)。热噪声电压本身是一个非周期变化的时间函数，因此，它的频率范围是很宽广的。所以宽频带放大电路受噪声的影响比窄频带大。

　　另外，电阻还会产生接触噪声，其接触噪声电压为：

　　式中：I为流过电阻的电流均方值;f为中心频率;k是与材料的几何形状有关的常数。由于Vc在低频段起重要的作用，所以它是低频传感器电路的主要噪声源。

　　1.6 晶体管的噪声

　　晶体管的噪声主要有热噪声、散粒噪声、闪烁噪声。

　　热噪声是由于载流子不规则的热运动通过BJT内3个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。其中rbb'所产生的噪声是主要的。

　　通常所说的BJT中的电流，只是一个平均值。实际上通过发射结注入到基区的载流子数目，在各个瞬时都不相同，因而发射极电流或集电极电流都有无规则的波动，会产生散粒噪声。

　　由于半导体材料及制造工艺水平使得晶体管表面清洁处理不好而引起的噪声称为闪烁噪声。它与半导体表面少数载流子的复合有关，表现为发射极电流的起伏，其电流噪声谱密度与频率近似成反比，又称1/f噪声。它主要在低频(kHz以下)范围起主要作用。

　　1.7 集成电路的噪声

　　集成电路的噪声干扰一般有两种：一种是辐射式，一种是传导式。这些噪声尖刺对于接在同一交流电网上的其他电子设备会产生较大影响。噪声频谱扩展至100 MHz以上。在实验室中，可以用高频示波器(100 MHz以上)观察一般单片机系统板上某个集成电路电源与地引脚之间的波形，会看到噪声尖刺峰-峰值可达数百毫伏甚至伏级。

　　2 传感器电路的外部干扰

　　2.1 电源的干扰

　　大多数电子电路的直流电源是由电网交流电源经滤波、稳压后提供的。如果电源系统没有经过净化，会对测试系统产生干扰。同时，在传感器测试系统附近的大型交流电力设备的启停将产生频率很高的浪涌电压叠加在电网电压上。此外，雷电感应也会在电网上产生幅值很高的高频浪涌电压。如果这些干扰信号沿着交流电源线进入传感器接口电路内部，将会干扰其正常工作，影响系统的测试精度。

　　2. 2 地线的干扰

　　传感器接口各电路往往共用一个直流电源，或者虽然不共用一个电源，但不同电源之间往往共一个地，因此，当各部分电路的电流均流过公共地电阻(地线导体阻)时便会产生电压降，该电压降便成为各部分之间相互影响的噪声干扰信号。同时，在远距离测量中，传感器和检测仪表在两处分别接地，于是在两“地”之间就存在较大的接地电位差，在仪表的输入端易形成共模干扰电压。共模干扰的来源一般是设备对地漏电、地电位差、线路本身具有对地干扰等。由于线路的不平衡状态，共模干扰会转换成常模干扰，较难除掉。

　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。

　对于高频干扰磁场，利用电涡流原理，使高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生电涡流，消耗干扰磁场的能量，涡流磁场抵消高频干扰磁场，从而使被保护电路免受高频电磁场的影响。若电磁屏蔽层接地，同时兼有静电屏蔽的作用。传感器的输出电缆一般采用铜质网状屏蔽，既有静电屏蔽又有电磁屏蔽的作用。屏蔽材料必须选择导电性能良好的低电阻材料，如铜、铝或镀银铜等。

　　4.2.3 低频磁屏蔽

　　干扰如为低频磁场，这时的电涡流现象不太明显，只用上述方法抗干扰效果并不太好，因此必须采用采用高导磁材料作屏蔽层，以便把低频干扰磁感线限制在磁阻很小的磁屏蔽层内部，使被保护电路免受低频磁场耦合干扰的影响。传感器检测仪器的铁皮外壳就起低频磁屏蔽的作用。若进一步将其接地，又同时起静电屏蔽和电磁屏蔽的作用。

　　基于以上3种常用的屏蔽技术，因此在干扰比较严重的地方，可以采用复合屏蔽电缆，即外层是低频磁屏蔽层，内层是电磁屏蔽层，达到双重屏蔽的作用。例如电容式传感器在实际测量时其寄生电容是必须解决的关键问题，否则其传输效率、灵敏度都要变低，必须对传感器进行静电屏蔽，而其电极引出线就采用双层屏蔽技术，一般称之为驱动电缆技术。用这种方法可以有效的克服传感器在使用过程中的寄生电容。

　　4.3 接地技术

　　接地技术是抑制干扰的有效技术之一，是屏蔽技术的重要保证。正确的接地能够有效地抑制外来干扰，同时可提高测试系统的可靠性，减少系统自身产生的干扰因素。接地的目的有两个：安全性和抑制干扰。因此接地分为保护接地、屏蔽接地和信号接地。保护接地以安全为目的，传感器测量装置的机壳、底盘等都要接地。要求接地电阻在10 Ω以下;屏蔽接地是干扰电压对地形成低阻通路，以防干扰测量装置。接地电阻应小于0.02Ω;信号接地是电子装置输入与输出的零信号电位的公共线，它本身可能与大地是绝缘的。信号地线又分为模拟信号地线和数字信号地线，模拟信号一般较弱，故对地线要求较高;数字信号一般较强，故对地线要求可低一些。

　　不同的传感器检测条件对接地的方式也有不同的要求，必须选择合适的接地方法，常用接地方法有一点接地和多点接地。

　　4.3.1 一点接地

　　在低频电路中一般建议采用一点接地，它有放射式接地线和母线式接地线路。放射式接地就是电路中各功能电路直接用导线与零电位基准点连接;母线式接地就是采用具有一定截面积的优质导体作为接地母线，直接接到零电位点，电路中的各功能块的地可就近接在该母线上。这时若采用多点接地，在电路中会形成多个接地回路，当低频信号或脉冲磁场经过这些回路时，就会引起电磁感应噪声，由于每个接地回路的特性不同，在不同的回路闭合点就产生电位差，形成干扰。为避免这种情况，最好采用一点接地的方法。

　　传感器与测量装置构成一个完整的检测系统，但两者之间可能相距较远。由于工业现场大地电流十分复杂，所以这两部分外壳的接大地点之间的电位一般是不相同的;若将传感器与测量装置的零电位在两处分别接地，即两点接地，则会有较大的电流流过内阻很低的信号传输线产生压降，造成串模干扰。因此这种情况下也应该采用一点接地方法。

　　4.3.2 多点接地

　　一般建议高频电路采用多点接地。高频时，即使一小段地线也将有较大的阻抗压降，加上分布电容的作用，不可能实现一点接地，因此可采用平面式接地方式，即多点接地方式，利用一个良好的导电平面体(如采用多层线路板中的一层)接至零电位基准点上，各高频电路的地就近接至该导电平面体上。由于导电平面体的高频阻抗很小，基本保证了每一处电位的一致，同时加设旁路电容等减少压降。因此，这种情况要采用多点接地方式。

　　4.4 隔离技术

　　在接口电路中，如出现两点以上接地时，可能引入共阻耦合干扰和地环路电流干扰。抑制这类干扰的方法是采用隔离技术。通常有电磁隔离和光电隔离两种。

　　4.4.1 电磁耦合隔离

　　利用隔离变压器来切断环流，由于地环路则被切断，两电路有独立的地电位基准，因而不会造成干扰，信号通过耦合形式进行传递。

　　4.4.2 光电耦合隔离

　　光电耦合器是一种电-光-电的耦合器件，它由发光二极管和光电晶体管封装组成，其输入与输出在电气上是绝缘的，因此，这种器件除了用于做光电控制外，现在被越来越多的用于提高系统的抗共模干扰能力。这样即使输入回路有干扰，只要它在门限之内，就不会对输出造成影响。

　　4.5 其他抗干扰技术

　　(1)稳压技术。目前智能传感器及仪器仪表开发中常用的稳压电源有两种：一种是由集成稳压芯片提供的串联调整电源，另一种是DC-DC稳压电源，这对防止电网电压波动干扰仪器正常工作十分有效。

　　(2)抑制共模干扰技术。采用差分放大器，提高差分放大器的输入阻抗或降低信号源内阻可大大降低共模干扰的影响。

　　(3)软件补偿技术。外界因素如温湿度变化等也会引起某些参数的变化，造成偏差。可以利用软件根据外界因素的变化和误差曲线进行修正，去掉干扰。

　　5 结语

　　抗干扰是一个非常复杂、实践性很强的问题，一种干扰现象可能是由若干因素引起的。因此，在传感器电路以及测控系统的设计中，不仅应预先采取抗干扰措施，在调试过程中还应及时分析出遇到的现象，对传感器及其系统的电路原理、具体布线、屏蔽、电源的抗干扰能力、数字地或模拟地的处理以及防护形式不断改进，以提高电路的可靠性和稳定性。