Nhiễu điện tử và các phương pháp chống nhiễu

NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THU THẬP VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU 19 Sự tương tác điện từ; Phân biệt các tín hiệu nhiễu.; Biến đổi đồng pha Sự tương tác điện từ; Phân biệt các tín hiệu nhiễu.; Biến đổi

Trang 1

Nhiễu điện từ và phương pháp

chống nhiễu

T S N G U Y Ễ N T H Ị L A N H Ư Ơ N G

chống nhiễu

T S N G U Y Ễ N T H Ị L A N H Ư Ơ N G

Tài liệu tham khảo

1. Ron Manini: OpAmps for Everyone, Texas

1. Ron Manini: OpAmps for Everyone, Texas Instruments,2002

2. Instroduction to Electromagnetic Compatibility, CLAYTON R PAUL, Wiley InterScience

3. Gregory K.McMillan: Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, McGRAW-Hill ,1999

4. B.E Noltingk: Intrumentation Reference book,

4. B.E Noltingk: Intrumentation Reference book, Butterworth Heinemann, 1991

5. Bài giảng về điện từ trường

Nội dung giảng dạy

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM VỀ NHIỄU VÀ CÁC ĐẶC

Nhiễu điện từ.; Tiếng ồn dạng Shot và dạng Flieker.; Nhiễu Diot.;

Nhiễu PJT; Nhiễu FET; Nhiễu OPAMP

CHƯƠNG III NHIỄU TRONG HỆ THỐNG THU THẬP

VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU (19)

Sự tương tác điện từ; Phân biệt các tín hiệu nhiễu.; Biến đổi đồng pha

thành đối pha.; Hệ số nén đồng pha; Khuếch đại cách ly; Các nguồn

nhiễu trong hệ thống mạch và thiết bị; Lọc nhiễu; Bảo vệ quá áp đối

với các xung nhiễu trong hệ thống; Nguồn cung cấp và chống nhiễu.

Chương 1 Khái niệm về nhiễu và đặc trưng của

Trang 2

1.1 Khái niệm về nhiễu

Nhiễu là đại lượng vật lý không mong muốn tác động

lên đối tượng

Nguồn nhiễu: có thể là bất cứ nguồn tín hiệu nào

Đại lượng này có thể là nhiều đối với đối tượng sự việc này

/không là nhiễu đối với đối tượng sự việc kia.

Nhiễu có độ lớn và pha là ngẫu nhiên

Nhiễu điện từ: Nguồn nhiễu xuất phát từ các nguồn

điện từ khác nhau

Nguồn nhiễu điện từ

Từ các phát sóng Radio, truyền hình, các nguồn sóng

Từ các phát sóng Radio, truyền hình, các nguồn sóngđiện thoại ở dải tần số cao và rộng

Các nguồn số như ánh sáng, các rơ-le, motor, nguồnphóng xạ

Nguồn tần số thấp như điện áp cao của truyền dẫnđiện

3 vấn đề chính của nhiễu điện từ

Nhiễu nền là nhiễu khi

đầu vào tín hiệu bằng 0

năng lượng nhiễuđầu vào tín hiệu bằng 0

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

))((S t

Nguồn nhiễu ra ngoài (a)

ngoài (b)

trong các phần tử (c), (d)

Trang 3

Ví dụ 1.3 Một số tính điện, từ trong chống nhiễu

Điện : định luật Kirchhoff

Từ: định lý Maxell

Truyền sóng trên dây dẫn:

Truyền sóng trên dây dẫn

Thông số dây dẫn thay đổi theo tín hiệu đầu vào

Chương 2 Nhiễu trong mạch điện tử

Các nguồn nhiễu

Đặc điểm của các nguồn nhiễu

Chiến lược chống nhiễu

Trang 4

2.2 Nhiễu trong các linh kiện - 2

132.2 Nhiễu trong các linh kiện - 2

I V B qI

I k

Về cơ bản giống nguồn nhiễu Jonhson

Vì điện tử chuyển động liên tục trong phần tử

Phân bố thường là đều (tương tự shot noise)

Ví dụ về nguồn nhiệt nhiễu

Cho R = 1 Mohm nguồn nhiễu Vn = 4 (1 x 10 6 / 1x 10 3 ) ½

Một số đặc điểm của nhiễu ngắn:

-Thường xuất hiện cùng dòng điện

- Nguồn này phụ thuộc vào nhiệt độ.

Phổ tín hiệu là Thông thường xuất hiện trong các cuộn cảm Giá trị hiệu dụng của nguồn nhiễu bằng

Idc= Dòng điện một chiều (A)

Io = Dòng điện ngược bão hòa

Trang 5

Shot noise (tiếp)

Điện áp của nguồn nhiễu bằng

•Giảm khi tần số tăng, nên được gọi là 1/f

•Liên quan đến dòng điện một chiều đi qua các phần tử điện tử

Trang 6

Nhiễu trong các linh kiện - 3

Công suất của nhiễu Pn

P = KTB

Pn= KTB

Chỉ số nhiễu ( noise factor)

Chỉ số nhiễu = tỉ số của nhiệt nhiễu từ một điện trở chia nhiệt nhiễu của điện

N KTBG

23

KTBG KTBG

F F

Trong đó FN= nhiễu toàn bộ Fn = hệ số nhiễu của tầng thứ n ; G(n-1) = Hệ số khuếch đại ở tầng thứ n-1

( ) 1 2 1 2 1 3 1

2 1

1

1 1

−

− + +

− +

=

n

n N

G G G

F G

G

F G

F F F

khuếch đại ở tầng thứ n-1

Ví dụ : có 2 tầng khuếch đại mà A1 có hệ số là 10 và hệ số nhiễu là 12 , và tầng A2 có hệ số khuếch đại là 5 và hệ số nhiễu là 6 ( )

5 12 1 6

=

N

F

Trang 7

100 Hz

ồ n tr ắ ng

ồn gốc nhiệt26

Ng ườ i ta bi ể u di ễ n ồ n trong khu ế ch đạ i

Ng ườ i ta bi ể u di ễ n ồ n trong khu ế ch đạ i thu ậ t toán :

V tot = n2+4 ext+ n2 ext2

ồ n nhi ệ t c ủ a ên tr ở ngoài

Ví dụ về một Photođiốt

28 Các ngu ồ n ồ n khác nhau là :

S đồ t ươ ng đươ ng đơ n gi ả n hoá c ủ a ồ

trong th ự c t ế ng ườ i ta bi ể u di ễ n dòng c ủ a ồ n Ibd theo kh ả phát hi ệ n D c ủ a đ i ố t

phát hi ệ n D c ủ a đ i ố t

2 2

I

i bd bd

A m ặ t ph ẳ ng nh ạ y c ả m

Trang 8

M ắ c theo mach h ỗ ổ ng tr ở v ớ i s ự bi ế n đổ i dòng I ra áp Vo

Đ i ệ n dung Cf đả m b ả o tính ổ n nh c ủ a khu ế ch đạ i thu ậ t toán

4 Sử dụng nhiễu thấp ở đầu vào ( công thức Friis )

5 Một số mạch bán dẫn sử dụng nguồn cung cấp một chiều (DC)

Trang 9

Dùng tín hiệu phản hội (đạo hàm)

1E G

V V

E

o in

o

o in

1

V G V G V

V V

G V

o in

o

o in

1 1

V

V G V G V

in o

1

G

G V

V

V G G

V

o

in o

= 1 1 2

1

V G V V

V V V

n o

= +

=

2 1 2 2

1 2

1 1 2

G V G V V V G V V

V G V V V

V G V V

n o in o o

n o in n

=

+ +

=

2 2 1 2 1

2 2

1 2 1

2 1

1 G G G G V G V V

V G V G G V G G V

G V G V V V

n in o o

n o in

o

n o in o

β β

2 2 1 2 1

1 1

V G G V G G

G G V G V G G V

V G V G G G G V

n in o

β β

−

= 2 1

2 1 2 1 2 1 2 1

1

1 1 1

G

V V G G G G V

G G V G G

G G G V G G V

n in o

n in

o

β

β β

Không có quá trình SNR Sn =20 log (Vin/Vn)

Có quá trình SNR Ave Sn = 20 log (Vin/Vn/ N 1/2 )

Hệ số xử lý= Ave Sn – Sn tính bằng dB

Ví dụ: tín hiệu điện não EEG 5 uV với 100 uV tín hiệu

nhiễu, quá trình không xử lý hệ số nhiễu SNR, quá trình

xử lý nhiễu SNR với 1000 quá trình lặp lại

3.3 Đường truyền – tích hợp tín hiệu

Truyền có dây có 3 loại chính

Truyền qua cáp xoắn

Trang 10

Dây xoắn37

loại này phổ biến nhất vì lại loại xoắn giữa 2 cực tín

hiệu nên nó có khả năng chống được nhiễu điện từ

Cáp đồng trục

38

Kiểu chống nhiễu của nó dựa vào điện cảm

Chùm sáng trong dây dẫn quang

dây dẫn quan = lõi hình trụ bằng thuỷ tinh hay bằng chất dẻo

chùm sáng phản xạ phái trong dây dẫn

Suy gi ả m

Dây dẫn quang- 2

40Dây dẫn quang- 2

đến 1 GBits/s

đối với các hệ thống thương phẩm

từ một đến 50 Mbits/s với các đường truyền đến 10 km

không gây một nhiễu dạng xung

không phát ra tín hiệu nào

Trang 11

Sử dụng dây dẫn quang để truyền các tín hiệu tương

Can nhiễu trong việc truyền tin

H ệ th ố ng hoá nh ữ ng can nhi ễ u làm ả nh h ưở ng đế n s ự truy ề

m ộ t tín hi ệ u Tín hi ệ u truy ề n đ i nh ờ m ộ t môi ch ấ t : đườ ng dây truy ề

điện áp ở chế độ đất chung

Đường dây truyền

43Đường dây truyền

r h

0 log

R l L

R R

H l

L

25 , 1 1

8 log 2

0 π µ





C 2πε 0ε H

25 , 1 1 8 log

Trang 12

Các điều cần phải chú ý

45Các điều cần phải chú ý

Chú ý đến các đặc trưng của đường dây truyền

đây là một môi chất kiểu lọc thông thấp

Phải hoà hợp đường dây ở đầu vào và đầu ra

để tránh các phản xạ ký sinh

Bọc kim đường dây (hoặc dùng đường dây không bị can nhiễu) để tránh các can

nhiễu ( cảm ứng điện cảm và điện dung)

sử dụng các mặt phẳng đất đối với mạch in

Sử dụng các khuếch đại đo lường đối với đầu vào vi sai

Truyền 2 dây

Thời gian trễ

Vận tốc truyền trong không khí

Vận tốc truyền

Đối với vật liệu Teflon εr =2,1 vận tốc truyền khi

đó =2,07 108 m/s

Trang 13

Dây dẫn trên mạch in

(a) dường dẫn trần ở giữa

Nguồn từ sóng điện từ tần số cao

Lựa chọn đúng vật liệu

Lựa chọn đủ số lớp mạch inTách biệt đất mạch tương tự và mạch số

Tách biệt đất mạch tương tự và mạch số

Nguồn nhiễu

51

Conducted Emissions -nhiễu đó do các mạch tương tự tạo ra thông qua các

kết nối của mình cho các mạch khác Điều này thường không đáng kể trong

các mạch tương tự, trừ khi nó có điện áp ca0

Phát xạ - nhiễu đó các mạch tương tự tạo ra, hoặc truyền, qua không khí Điều

này cũng thường không đáng kể trong các mạch tương tự, trừ khi nó là cao

tần số như tín hiệu video.

Độ nhạy đường dẫn - nhiễu từ mạch điện ngoài được nối vào mạch tương tự

Mạch tương tự phải được kết nối đất Tất cả đầu vào và đầu ra

Độ nhạy của nguồn phát xạ - nhiễu đó là nhận được thông qua không khí (hoặc truyền vào các mạch tương tự) từ các nguồn bên ngoài Mạch tương tự , trong nhiều trường hợp, dự lại trên một mạch in có thể có tốc

độ cao như kỹ thuật số bao gồm cả chip DSP

Xung nhịp tốc độ cao và các chuyển mạch số tạo ra nhiễu (RFI) đáng kể Các nguồn khác của nhiễu phát ra

là vô tận: nguồn cung cấp (xung) trong một hệ thống

kỹ thuật số, điện thoại di động, phát thanh và truyền hình, huỳnh quang chiếu sáng, gần máy tính, sét trong cơn dông, và như vậy Ngay cả khi các tín hiệu mạchtương tự là chủ yếu là âm thanh ở tần số, RFI có thể tạo

cơn dông, và như vậy Ngay cả khi các tín hiệu mạchtương tự là chủ yếu là âm thanh ở tần số, RFI có thể tạo

ra nhiễu đáng ở ầu ra

Trang 14

Ví dụ C.A.O các mạch in

53

M ạ ch g ồ m có :

• m ộ t b ộ bi ế n đổ i t ươ ng t ự s ố

• hai m ạ ch trong ấ y có m ộ t m ạ ch chia

m ạ ch đượ c n ố i b ằ ng m ộ t l ớ p đồ ng

gi ả i pháp x ấ Gi ả i pháp t ố t h ơ n :

• đườ ng dây cung c ấ p r ộ ng h ơ n và ng ắ n h ơ n để gi ả m các thông s ố đặ c tr ư ng

• hai đấ t r ờ i nhau : t ươ ng t ự và s ố

Trang 15

Ví dụ về một bố trí mạch in các mạch số Để các thiết bị có tần số cao càng xa các đầu nối các tốt

Ví dụ

Trang 16

Vật liệu

62

Trang 17

Điện trở của dây dẫn

Sự phụ thuộc điện trở của dây dẫn theo chiều dai theo tần số (skin effect).

m ặ t ph ẳ ng đấ t Alimentation

Trang 18

5.2 Giảm nhiễu cho hệ thống đo điện tử

69

Chống nhiễu điện dung

dB

V V

2 1

bảo vệ chống cảm ứng điện dung

Truy ề n nhi ễ u qua

đ i ệ n dung ký sinh Diện dung ký sinh

Trang 19

Cảm ứng ở thành của bọc kim

73Cảm ứng ở thành của bọc kim

Cảm ứng này thường xem không đáng kể

Trang 20

Sử dụng khuếch đại cách ly

77

Sử dụng khuếch đại cách ly

Màu xanh lá cây : 2 dây n ố i v ớ i đấ t vi sai

Màu đỏ: dây n ố i đấ t c ủ a c ầ u Wheatstone v ớ i khu ế ch đạ i đ o l ườ ng

Chắn nhiễu

Các hiệu ứng chắn

Hiệu ứng chắn nhiễu với nguồn ở xa

Hiệu ứng chắn nhiễu với nguồn ở gần

Hiệu ứng che chắn

Dựa trên kim loại

R thể hiện năng lượng sóng mất do phản xạ, M- năng lượng sóng

bố sung khi truyền qua và phản xạ, A- năng lượng sóng bị hấp thụ

Năng lượng mất mát thường

Năng lượng mất mát thườngtheo hàm e mũ, thông qua hệchiều sauδcủa vật liệu (bướcsóngα=1/δ)

sóngα=1/δ)

Trang 21

Hiệu ứng chắn với nguồn nhiễu ở xa

Các năng lượng

Hiệu ứng chắn với nguồn nhiễu ở xa (tiếp)

Trong đó hằng số góc và nội trở trong các vùng

Trong đó hằng số góc và nội trở trong các vùngkhông gian tự do

Hằng số tỉ lệ và nội tại của lá chắn này là

Các trường sinh ra bởi thực thi các các điều kiện biên

trên trường vectơ tại hai đường ranh giới, z ¼ và z ¼ t

Tính liên tục của các thành phần tiếp tuyến của điện

trường tại hai giao diện như sau

Tính liên tục của các thành phần tiếp tuyến của từ trường

ở hai giao diện cho

Từ đó ta có

Giải hệ phương trình ta có thể hệ số sự cố và sóng

Giải hệ phương trình ta có thể hệ số sự cố và sóng truyền như sau

Trang 22

Độ sâu của sóng điện từ:

chiều dày t

Giải hệ phương trình ta được

Kết quả

Tính theo thang logarithm

Với

Tấm chắn có độ dẫn điện tốt , độ dày của tấmchắn lớn hơn chiều sâu

Mất mát do phản xạ:

Hệ số truyền (a)

Trang 23

Tính toán mất mát do phản xạ (tiếp)

Hệ số truyền ở hình (b)

hệ số truyền là rất nhỏ ở biên giới đầu tiên, và xấp xỉ hai

tại ranh giới thứ hai Vì vậy, rất ít trường điện được truyền

qua biên giới (trái) đầu tiên

Tỉ số truyền lúc này

Mất mát do hấp thụ

Năng lượng E1 suy giảm theo hàm số Thông số

đặc trưng cho sự hấp thu được tính cho sự yếu đi

Tính theo dB

Phản xạ đa chiều

Tổng số điện trường truyền qua là tổng của các sơ cấp và

Tổng số điện trường truyền qua là tổng của các sơ cấp và thứ cấp sóng truyền qua tại giao diện bên phải là

Năng lượng theo mặt phải năng lượng phản xạ lại

Trang 24

Hệ số phản xạ lại

Hệ số phản xạ Ở mặt thứ 2

Phần truyền qua lớp bên

Phần truyền qua lớp bênphải

Trang 25

Chiều sâu của lớp vỏ bảo vệ

Mất mát do hấp thụ năng lượng

Thay vào công thức trên ta được

Độ chắn với nguồn tác dụng ở gần

Phụ thuộc vào nguồn nhiễu:

Trang 26

Biên độ

Các bộ lọc nói chung có dạng thông thấp, dải thông được hạn chế ở giới hạn nhỏ nhất bởi phổ có ích của

tín hiệu đo.

Định dạng
Số trang	26
Dung lượng	1,92 MB