Почти в любой области измерений значение предельно различимого слабого сигнала определяется шумом-мешающим сигналом, который забивает полезный сигнал. Даже если измеряемая величина и не мала, шум снижает точность измерения. Некоторые виды шума неустранимы принципиально
(например, флуктуации измеряемой величины), и с ними надо бороться только методами усреднения сигнала и сужения полосы. Другие виды шума(например, помехи на радиочастоте и “петли заземления”)можно уменьшить или исключить с помощью разных приемов, включая фильтрацию, а также тщательное продумывание расположения проводов и элементов схем. И, наконец, существует шум, возникающий в процессе усиления, и его можно уменьшить применением малошумящих усилителей.
2. Классификация шумов
Шум — совокупность апериодических звуков различной интенсивности и частоты. С физиологической точки зрения шум — это всякий неблагоприятный воспринимаемый звук.
По спектру
Шумы подразделяются на стационарные и нестационарные.
Стационарный шум
Практически наблюдаемый шум, возникающий в результате действия многих отдельных независимых источников (например, шум толпы людей, моря, производственных станков, шум вихревого воздушного потока, шум на выходе радиоприёмника и др.), является квазистационарным.
Классической моделью стационарного шума является белый шум.
Нестационарный шум
К таким шумам относятся, например, уличный шум проходящего транспорта, отдельные стуки в производственных условиях, редкие импульсные помехи в радиотехнике и т. п.
По характеру спектра
По характеру спектра шумы подразделяют на:
- широкополосный шум с непрерывным спектром шириной более 1 октавы;
- тональный шум, в спектре которого имеются выраженные тона.
Выраженным тон считается, если одна из третьоктавных полос частот превышает остальные не менее, чем на 7 дБ.
По частоте (Гц)
По частотной характеристике шумы подразделяются на:
- низкочастотный (<400 Гц)
- среднечастотный (400—1000 Гц)
- высокочастотный (>1000 Гц)
По временным характеристикам
- постоянный;
- непостоянный, который в свою очередь делится на колеблющийся, прерывистый и импульсный.
По природе возникновения
- Механический
- Аэродинамический
- Гидравлический
- Электромагнитный
Отдельные категории шумов
Защита от производственного шума
... шумы различной природы. Механический шум На ряде производств преобладает механический шум, ... характер. Производственным шумом называется шум на рабочих местах, на участках или на ... производственного шума зависит от вида его источников. Механический шум возникает в ... Шумы электромагнитного происхождения Шумы электромагнитного происхождения возникают в различных электротехнических изделиях (например ...
- Белый шум
- Цветные шумы — некоторые виды шумовых сигналов определённые цвета исходя из аналогии между спектральной плотностью сигнала произвольной природы и спектрами различных цветов видимого света.
- Розовый шум (в строительной акустике), у которого уровень звукового давления изменяется в октавной полосе частот;
- «Шум дорожного движения» (в строительной акустике) — обычный шум оживленной магистрали.
3. ПОМЕХИ
Одной из форм шумов являются мешающие сигналы или паразитные наводки. Шум в виде сигналов, приходящих по связям с источником питания и путям заземления, на практике может иметь более важное значение, чем рассматриваемый ранее внутренний шум. Например, наводка от сети 50Гц имеет спектр в виде пика(или ряда пиков)и относительно постоянную амплитуду, а шум зажигания автомобиля, шум грозовых разрядов и другие шумы импульсных источников имеют широкий спектр и всплески амплитуды. Другим источником помех являются радио- и телепередающие станции, окружающее электрооборудование и т. п. Иногда от многих из этих источников шума можно отделаться путем тщательного экранирования и фильтрации.
Сигнал помехи может попасть в электронный прибор по входам линий питания или по линиям ввода и вывода сигнала. Помехи могут попасть в схему и через емкостную связь с проводами(электростатическая связь — наиболее серьезный эффект для точек схемы с большим полным сопротивлением)или через магнитную связь с замкнутыми контурами внутри схемы(независимо от уровня полного сопротивления), или электромагнитную связь с проводами, работающими как небольшие антенны для электромагнитных волн. Любой из этих механизмов может передавать сигнал из одной части схемы в другую. И наконец, токи сигнала в одной части могут влиять на другую часть схемы при падении напряжения на путях заземления и линиях питания.
Исключение помех. Для решения этих часто встречающихся вопросов борьбы с помехами придумано много эффективных приемов, но все они направлены на уменьшение сигнала(или сигналов)помехи, редко когда помеха уничтожается совсем. Поэтому имеет смысл повысить уровень сигнала просто для увеличения отношения сигнал/шум. Большое значение также имеют и внешние условия: прибор, безукоризненно работающий на стенде, может работать с огромными помехами в месте, для него не предназначенном. Перечислим некоторые внешние условия, которых следует избегать: -соседство радио- и телестанций(РЧ-помехи),
- соседство линий метро(импульсные помехи и “мусор” в линии питания), -близость высоковольтных линий(радиопомехи, шипение),
-близость лифтов и электромоторов(всплески в линии питания), -здания с регуляторами освещения и отопления(всплески в линии питания), -близость оборудования с большими трансформаторами магнитные наводки), -особенно близость электросварочных аппаратов(наводки всех видов неимоверной силы).
Рассмотрим наиболее общие приемы при борьбе с помехами.
Сигналы, связанные через входы, выходы и линии питания. В борьбе с шумами, идущими по линии питания, лучше всего комбинировать линейные РЧ-фильтры и подавители переходных процессов в линии переменного тока. Этим способом можно добиться ослабление помех на 60 дБ при частотах до нескольких сот килогерц, а также эффективного подавления повреждающих всплесков. С входами и выходами дело сложнее из-за уровней полного сопротивления и из-за того, что надо обеспечить прохождение полезных сигналов, которые могут иметь тот же частотный диапазон, что и помехи. В устройствах типа усилителей звуковых частот можно использовать фильтры нижних частот на входе ина выходе(многие помехи от близлежащих радиостанций попадают в схему через провода громкоговорителя, выполняющего роль антенн).
Реферат воздушно кабельные линии
... названия профилактических испытаний (ПИ). Таблица 2 Испытательное выпрямленное напряжение для кабельных линий Напряжение линии, кВ Испытательное напряжение, кВ, для кабелей С бумажной изоляцией С пластмассовой ... точках вертикального участка 1.5. Определение сопротивлений заземлений К Производится у металлических концевых заделок на линиях всех напряжений, кроме линий до 1000 В с заземленной ...
В других ситуациях необходимы, как правило, экранированные провода. Провода с сигналами низкого уровня, в частности при высоком уровне полного сопротивления, всегда нужно экранировать. То же относится к внешнему корпусу прибора.
Емкостная связь.
Внутри прибора сигналы могут прекрасно проходить всюду путем электростатической связи: в какой-нибудь точке в приборе происходит скачок сигнала 10В и на расположенном рядом входе с большим полным сопротивлением произойдет тот же скачок. Что тут можно сделать? Лучше всего уменьшить емкость между этими точками(разнеся их), добавить экран(цельнометаллический футляр или даже металлическая экранирующая оплетка исключает этот вид связи), придвинуть провода вплотную к плате заземления(которая “глотает” электростатические пограничные поля, очень сильно ослабляя связь)и, если возможно, снизить полное сопротивление насколько удастся.
Магнитная связь.
К сожалению, низкочастотные магнитные поля не ослабляются существенно металлической экранировкой. Лучший способ борьбы с этим явлением — следить, чтобы каждый замкнутый контур внутри схемы имел минимальную площадь, и стараться, чтобы схема не имела проводов в виде петли. Эффективны в борьбе с магнитной наводкой витые пары, т. к. площадь каждого витка мала, а сигналы, наведенные в следующих друг за другом витках, компенсируются.
При работе с сигналами очень низкого уровня, или устройствами, очень чувствительными к магнитным наводкам(головки магнитофонов, катушки индуктивности, проволочные сопротивления), может оказаться желательным магнитное экранирование. Если внешнее магнитное поле велико, то лучше применять экран из материала с высокой магнитной проницаемостью(например, из обычного железа) для того, чтобы предотвратить магнитное насыщение внутреннего экрана. Наиболее простым решением является удаление мешающего источника магнитного поля.
Радиочастотные помехи.
Наводки радиочастоты могут быть очень коварными, т. к. не внушающая подозрений часть схемы может работать как эффективный резонансный контур с огромным резонансным пиком. Кроме общего экранирования, желательно все провода делать как можно короче и избегать образования петель, в которых может возникнуть резонанс. Классической ситуацией паразитного приема высоких частот является пара шунтирующих конденсаторов, что часто рекомендуется для улучшения шунтирования питания. Такая пара образует отличный паразитный настроенный контур где-то в области от ВЧ до СВЧ (от десятков до сотен мегагерц), самовозбуждающийся при наличии усиления.
Сигнальное заземление.
Провода заземления и заземленные экраны могут доставить много неприятностей. Сущность проблемы такова: ток, протекая по линии заземления, может возбудить сигнал, который воспринимает другая часть схемы, сидящая на том же проводе заземления. Часто используют решение в лоб:
Источникам питания ATX
... на работу самого блока питания, проявляющееся в ухудшении характеристик стабилизации источника. При анализе схемотехнике импульсных источников питания ... на системную плату посылается специальный сигнал POWER_GOOD (питание в норме). Если такой сигнал не поступил, компьютер работать не будет. Уровень напряжения сигнала ... соответствует низкому напряжению ... питания. Необходимость их применения вызвана тем, ...
все линии заземления сходятся в одной точке, но это не всегда самое верное решение.
Обычные ошибки заземления В одном приборе находятся усилитель низкого уровня и мощный усилитель с большим потребляемым током. Первая схема сделана правильно: оба усилителя присоединены непосредственно к измерительным выводам стабилизатора напряжения питания, поэтому падение напряжения IR на проводах, идущих к мощному каскаду, не оказывает влияние на напряжения питания усилителя низкого уровня. К тому же ток нагрузки, проходя на землю, не появляется на входе низкого уровня; вообще, никакой ток не идет по проводу заземления входа усилителя низкого уровня к схемной “Мекке”. Во второй схеме имеются две грубые ошибки. Флуктуации напряжения питания, порожденные токами нагрузки каскада высокого уровня, отражаются на напряжении питания каскада низкого уровня. Если входной каскад имеет недостаточно высокий коэффициент ослабления флуктуаций питания, то это может привести к возникновению автоколебаний. Далее, ток нагрузки, возвращаясь к источнику питания, вызывает флуктуации потенциала на “земле” корпуса по отношению к заземлению источника питания. Входной каскад оказывается привязанным к этой “переменной земле”, а это, очевидно, плохо. Т. е. надо следить, где протекают большие токи сигнала и смотреть, чтобы они не влияли на вход. В некоторых случаях разумно отделить источник питания от каскада низкого уровня небольшой RC-цепью.
Межприборное заземление.
Идея главной точки заземления внутри одного прибора хороша, но не годится, если сигнал идет из одного прибора в другой и у каждого свое представление о “земле”. В таких случаях можно использовать одно из следующих предложений. Сигналы высокого уровня. Если сигналы имеют напряжение несколько вольт или это логические сигналы, то можно просто соединить то, что нужно, и забыть об этом. Источник напряжения(обозначен между 2мя заземлениями)представляет собой разность потенциалов между 2мя выводами линий питания в одной и той же или в разных комнатах здания. Эта разность потенциалов состоит частично из напряжения, наведенного от сети, гармоник частоты сети, радиочастотных сигналов, разных всплесков и прочего “мусора”. Если наши сигналы достаточно велики, то все это, в общем-то, не важно.
Малые сигналы и длинные линии. Для малых сигналов такая ситуация нетерпима. Несколько идей для этой цели содержит. На первой схеме коаксиальный экранированный кабель присоединен к корпусу и схемному заземлению источника сигнала, но изолирован от корпуса приемника. Благодаря дифференциальному усилителю для буферизации входного сигнала подавляется синфазный сигнал в цепи заземления, выделяющийся на экране. Также полезно подключить резистор с малым сопротивлением и шунтирующий конденсатор на землю для ограничения сдвига “напряжения заземления” и предупреждений входного каскада. Еще одна схема демонстрирует использование “псевдодифференциального” входного включения для усилительного каскада с одним выходом. Сопротивление 10 Ом включенного между общей точкой усилителя и схемной землей резистора достаточно велико(во много раз больше полного сопротивления заземления источника), так что потенциал в этой точке задает опорная земля источника сигнала. Разумеется, любой шум, присутствующий в этом узле схемы, появится также на выходе, однако это становится неважным, если каскад имеет достаточно высокий коэффициент усиления Ku, поскольку отношение полезного сигнала к шумам заземления увеличивается в Ku раз. Таким образом, хотя данная схема не является подлинно дифференциальной(КОСС® Ґ), тем не менее работает она достаточно хорошо(с эффективным КОСС=Ku).
Генераторы сигналов специальной формы
... генераторы сигналов. Задающий генератор - определяет характеристику генератора. Усилитель - усиливает сигнал задающего генератора до необходимой величины и обеспечивает развязку задающего генератора ... и вспомогательными средствами измерения (источник питания и т.д.). Измерительные преобразователи, осуществляющие ... для получения стабильного выходного сигнала до уровня в широком диапазоне перестройки ...
Такой прием псевдодифференциального включения с отслеживанием потенциала земли можно использовать также для сигналов низкого уровня внутри самого прибора, когда возникают проблемы с шумами заземления. Во второй схеме используется экранированная витая пара, экран которой присоединен к корпусу на обоих концах. Это не опасно, т. к. по экрану сигнал не идет. Дифференциальный усилитель используется, как и раньше, на приемном конце. Если передается логический сигнал, то имеет смысл передавать дифференциальный сигнал(сигнал и его инверсию), как показано на рисунке.
На радиочастотах подходящий способ подавления синфазного сигнала на приемном конце дает трансформаторная связь; она также облегчает получение дифференциального биполярного сигнала на передающем конце. Трансформаторы также популярны в звуковой аппаратуре, хотя они громоздки и ведут к некоторому искажению сигнала.
Для очень длинных кабельных линий(измеряемых километрами) полезно принять меры против больших токов в экранах на радиочастотах. Как было показано выше, дифференциальный усилитель работает с витой парой и на него не влияет напряжение экрана. Путем связи экрана через небольшую катушку индуктивности с корпусом удается сохранить малое напряжение постоянного тока, а большие радиочастотные токи исключить. На . той схеме также показана защита от выхода синфазного напряжения за пределы В. Хорошая схема защиты многопроводного кабеля, в котором требуется исключить синфазные наводки. Так как у всех сигналов наводка одна и та же, то единственный провод, подключенный к земле на передающем конце, служит для компенсации синфазных сигналов во всех n проводах сигнала. Просто этот сигнал считывается по отношению к земле на приемном конце и используется как опорный входной сигнал для всех n дифференциальных усилителей, работающих с остальными сигналами.
Приведенные схемы хорошо подавляют синфазные помехи на низких и средних частотах, но против РЧ-помех они могут оказаться неэффективными из-за низкого КОСС в приемном дифференциальном усилителе.
Плавающий источник сигнала. Та же несогласованность напряжений заземления в разных местах проявляется еще более серьезно на входах низкого уровня, поскольку там сигналы очень малы. Если заземлить экран на обоих концах, то разность напряжений заземления появится в качестве сигнала на входе усилителя.
Изолирующие усилители. Другим решением связанных с заземлением проблем является использование “изолирующего усилителя”. Изолирующие усилители -готовые устройства, предназначенные для передачи аналогового сигнала(с полосой частот, начинающейся от постоянного тока)от схемы с одним опорным уровнем заземления к другой схеме, имеющей совершенно другую землю. На практике в некоторых экзотических ситуациях потенциалы этих “земель” могут отличаться на много киловольт. Применение изолирующих усилителей обязательно в медицинской электронике там, где электроды прикладываются к телу человека, с тем, чтобы полностью изолировать такие контакты от измерительных схем, питающихся непосредственно от сети переменного тока.
Измерение частоты сигнала с помощью электронно-лучевого осциллографа
... длительности), для чего используется специальная электронно-лучевая трубка бегущей волны. Предварительного усиления входного сигнала в скоростных осциллографах, как правило, не производят, поэтому ... вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов. Рис.1. Устройство осцилорграфической электронно-лучевой трубки 1— нагреватель; 2 — экран; 3 — вакуумная оболочка; 4 — третий анод; ...
Защита сигнала. Это также способ уменьшения эффектов входной емкости и утечек при малых сигналах и большом полном сопротивлении. Если мы работаем с сигналами от микроэлектродов или емкостных датчиков с внутренним полным сопротивлением в сотни мегаом, то даже входная емкость в несколько пикофарад может в этом случае совместно с этим сопротивлением образовать фильтр нижних частот со спадом, начинающимся с нескольких герц. К тому же конечное значение сопротивления изоляции в соединительном кабеле легко может на порядки ухудшить рабочие параметры усилителя со сверхнизким током входного сигнала(ток смещения меньше пикоампера) за счет утечек. Обе эти проблемы решаются путем использования защитного электрода. Внутренний экран соединен с повторителем; это эффективно исключает токи и резистивных, и емкостных утечек за счет нулевой разности потенциалов между сигнальным проводом и его окружением. Внешний заземленный экран предохраняет от помех защитный электрод; не доставляет хлопот работа повторителя на емкость и утечку между экранами, т. к. у повторителя малое полное выходное сопротивление.
Этот прием не следует применять чаще, чем это необходимо; имеет смысл ставить повторитель как можно ближе к источнику сигнала, защищая лишь небольшой отрезок кабеля, соединяющий сигнал после повторителя с его низким полным выходным сопротивлением к отдаленному усилителю можно и по обычному экранированному кабелю.
Методы сужения полосы пропускания.
Эти меры принимаются для улучшения отношения сигнал/шум. Мы сужаем ширину полосы пропускания и сохраняем тем самым нужный сигнал, сократив одновременно общее количество принимаемых шумовых сигналов.
Известно несколько методов сужения полосы пропускания, получивших широкое распространение на практике: -усреднение сигнала, -переходное усреднение, -метод интегрирования, -многоканальное уплотнение, -амплитудный анализ импульсов, -детектирование с захватом, -фазовое детектирование.
Все эти методы предполагают, что сигнал является периодическим. Мы не будем рассматривать эти методы.
