1.6 电磁噪声因素影响

近几年来，随着各种电气产品和电子设备数量和品种的增加，电磁噪声的干扰（Electro-Magnetic Interference，EMI）也越来越引起人们的重视。每当设计一台新的电子装置，为保证其能够正常的工作，如何设法排除这一干扰是一个极为重要的问题。但如何解决电磁的噪声干扰，这既是一个老问题，又是一个新问题。比如机器的设计、安装配线方法，以及保管和应用等问题，甚至包括建筑物的设施环境问题等，所涉及的领域非常之广泛。从电磁噪声干扰的原因来分析，对噪声本身而言，多数情况下，它是完全没有利用价值的，而且是有害的，但有时也不尽然。随着电子应用设备的增加，可能有些信号对有的系统来说是有用的信号，但对另外一个系统来说，却成了一个干扰源，而且这种现象有逐渐增加的趋势。因此，如何使多数电子产品在被干扰信号入侵时能够维持一个满意的工作状态，或者说能够保持一个共存的电磁环境，这是今后迫切需要解决的问题。也正由于这种背景，而出现了兼容性电磁学，即一个新的电子学领域。

当电子设备所产生的电磁噪声不干扰任何其他产品正常工作时，我们说这些设备是电磁兼容的。电磁兼容性（EMC）是一种令人满意的情况，在这种情况下，无论是在系统内部，还是对其所处的环境，系统均能如预期的工作。

当不希望的电压和电流影响产品性能时，称之为存在电磁干扰，这些电压和电流可以通过传导或电磁场辐射传到受害的产品。改变设计、调整信号电平或噪声电平的过程，称为电磁干扰控制（EMIC），通常也用这个词表示实现这种控制的管理措施。

1.6.1 噪声系统

所谓噪声是指电路中出现不应有的电信号而干扰着电子设备的正常工作，对此必须予以消除或抑制。由噪声而造成的不良效应，称为干扰。如测量系统中的测量信号由于噪声而被歪曲，这种歪曲就是干扰，歪曲越严重则表明噪声造成的干扰越大。

电路中之所以出现噪声，肯定是在某处产生了噪声且经一定方式侵入测量电路的结果。噪声系统是由如下3个环节构成（如图1-1所示）：噪声源、对噪声敏感的接收电路及噪声源到接收电路间的耦合通道。

由图1-1噪声系统可见，降低噪声强度解决噪声问题可从如下3方面着手：抑制噪声源的噪声、使接收电路对噪声不敏感及抑制耦合通道的传输。

为此，本节将介绍客观上存在的主要噪声源，然后，在以后相关章节中分别介绍噪声耦合的途径和噪声抑制技术。

1.6.2 噪声分析

1.噪声源分类

噪声源按其产生原因可分为如下3种：

① 固有噪声源，即由物理性的无规则波动所造成的噪声，例如，热噪声和散粒噪声等。

② 自然界干扰，如雷电和太阳黑子等。

③ 人为噪声源，如由电动机换向火花、开关通断和发射机辐射电磁波等产生的干扰。

我们主要分析人为噪声源，而这种噪声源按产生位置又可分为在测量系统内部和在测量系统外部两类：①电子产品内部。这些噪声源产生的干扰诸如交流噪声，不同信号的感应以及寄生振荡等，这些应由设备设计者予以解决，对于测量工作者主要关心的是产品外部噪声源。②电子产品外部。有放电噪声源和电器噪声源。

由各类噪声源可以看出，噪声是客观存在于我们周围的。例如，我们设置一个测量系统对某机器进行测量，在测量系统外部，始终存在着广播电磁波和电源线的工频干扰，以及机器上电机和火花塞等的辐射干扰；在测量系统中各部件间的相互干扰也一直存在着。所以，我们的任务只能是设法降低噪声的强度，使其不致形成干扰。

2.放电噪声源

放电噪声源是产生干扰的一种主要噪声源，这种噪声源可以分为电晕放电噪声源、火花放电噪声源和放电管噪声源几类。

（1）电晕放电噪声源

电晕放电噪声源主要是高压输电线。高压输电线产生的电晕放电具有间歇性，从而产生脉冲电流，且在放电过程中产生高频振荡，因而成为具有相当带宽的强噪声源。电晕放电噪声的衰减特性在输电线垂直方向上噪声电平大致与距离的平方成反比，因此，应远离这种噪声源，以避免它的影响。

（2）火花放电噪声源

在放电噪声源中，火花放电噪声源占绝大部分。火花放电噪声源有如下几种：

① 天电。在自然现象中，雷电、低气压、台风、寒带飞雪、火山喷烟以及黄砂等都能引起火花放电产生噪声。雷电作为典型代表，它可以在低频几千赫至甚高频率范围内造成干扰，且传播距离很远。

② 电气设备类。电动机是常见的火花放电噪声源，在有整流子的旋转电机中，由于电刷与整流片在断开瞬间会产生火花，且这一过程不断反复进行，因此在很宽的频率范围内引起噪声；在没有整流子的电机中，由于电刷与滑环在旋转中接触状态不断变化，也会产生火花引起噪声。

还有火花式高频电焊机，它是利用所产生的火花进行加工的，由于火花能量很大，所以这类电气设备产生的噪声很强，且从电源电路传到配电线上所引起的噪声，比其直接辐射到空间的影响要大。

③ 开关设备类。由于开关在断开时，开关两极间的距离由零过渡到断开状态中，在很小距离的瞬间，两极间产生火花放电，因而成为在很宽频率范围内的一种噪声源。所以，在我们周围的各种电开关都是形形色色的噪声源。

④ 汽车发动机点火装置。汽油机的火花塞能产生非常陡峭的冲击电流，从而使电路振荡，且由点火导线等辐射出来成为噪声源。这种噪声源具有非常高的频率分量，因此，它是对电视以及甚高频信号的一种极其有害的噪声源。

⑤ 电车。电车中除电动机是噪声源外，馈电线和集电弓间由于接触状态的变化，会产生火花放电和弧光放电，因而也是噪声源。火花放电比弧光放电的噪声强度要大得多。

（3）放电管噪声源

荧光灯和霓虹灯等放电管的大量使用，因而构成了此类噪声源。放电管放电属于辉光放电或弧光放电。这种噪声频率可从几十赫至甚高频，频带极宽，对各种频率信号都会产生影响。

3.电器噪声源

电器噪声源可分为如下几类：

① 工频噪声源。大功率的输电线是工业频率的噪声源。

低电平的信号线只要有一段距离与输电线相平行，即使输电线功率并不大，也会受到相当的干扰。例如，测量系统的电源线就是这种噪声源，信号线切忌与之平行。此外，无论室内或室外，这种工作频率输电线是密布的，因此，它是经常存在，应值得注意的噪声源。

② 射频噪声源。广播发射机和雷达以及各种无线电收发报设备等，在它的近区内都是噪声源。值得注意的是，在使用的测量系统中，具有振荡器的仪器，它将有振荡频率的噪声辐射，由于它就在测量系统中，所以往往是一种强的噪声源。

③ 电子开关。电子开关不会产生火花放电，所以不是放电噪声源，然而电子开关的通断会使电流发生急剧的变化，因而成为噪声源。例如，使用可控硅的电压调整电路就是一种电子开关噪声源。如在测量系统中常采用的将直流变换成交流的逆变器就是这种典型代表，这种电路在工作频率内每半周就闭合一次，产生陡峭的电流前沿，因而高次谐波分量很多，当信号线与其临近时，将会产生感应噪声。

④ 脉冲发生器。产生脉冲波形的这类产品，由于脉冲波形的电流和电压上升前沿陡峭，包括有丰富的高次谐波，当信号线同它平行时，会产生感应噪声，因而成为一种噪声源。

例如，以脉冲作为输出信号的电钟就是其中一例。

4.其他噪声源

① 电化作用。当低电平的信号通路中使用了不同的金属时，由于两种金属间的电化作用，会产生噪声。这种电化作用首先是当两种金属连接处有湿气时形成的化学湿性电池，产生接触电压；另外是电蚀作用，电蚀是由于正离子由一种金属跑到另一种金属中去的缘故，使电位较高的金属逐渐被破坏。铜和铝相接触后发生的电蚀作用最严重，但却往往被人们忽视，结果是铝被腐蚀掉，如在铜上涂以焊锡，则这种电化作用变慢。

② 电解作用。当两种金属接触时，一般由于周围潮气形成的弱酸成为电解质，如有直流电通过时，就会发生电解作用。这种电解作用与相接的两种金属无关，即使是同一种金属也会发生这种作用，从而成为一种隐蔽的噪声源。

③ 摩擦电效应。电缆中的介质与导体间由于摩擦可以带电，称为摩擦电效应，从而成为噪声源。电缆的急剧弯曲和电缆的活动会产生这种效应，应予以阻止。

④ 导体的运动。当一段导线在磁场内运动时，线的两端就会产生电压。由于在我们周围大多数地方存在着杂散磁场，若低电平信号导线在这种磁场中运动时，导线上就会产生噪声。

⑤ 机械振动。测量系统受一定程度机械振动时，将会产生不可忽视的噪声。尤其是测量系统中的记录器，如振子光点会因振动而偏移；调频磁带记录器会因振动而产生抖动，造成干扰。

关于电磁兼容设计的内容见第3章的相关内容。