Помехи и способы борьбы с ними

Помеха — сторонний возмущающий сигнал, искажающий полезную информацию. Помехи преимущественно возникают в окружающей среде вследствие разных физических явлений и классифицируются по разным признакам. Помехи могут быть:

• • аддитивными, если в точке наблюдения сигнала s (t) регистрируется его значение x (t) вместе с помехой v (l) в виде s (t) = x (t) + v (t);
• • мультипликативными, при s (t) = x (t)? v (t).

Помехи могут быть детерминированными и случайными. Детерминированные помехи имеют постоянные или периодически повторяющиеся параметры, в отличие от случайных помех. Детерминированные помехи характеризуются временными функциями и амплитуднои фазочастотными спектрами.

Случайные помехи — шумы, связанные с тепловыми флуктуациями параметров элементов, неустойчивыми во времени и в пространстве физическими процессами. Для описания случайных помех используются корреляционные функции, энергетические спектральные диаграммы. Шумы являются специфическим видом помех, которые имеют сравнительно малую энергию. Поэтому борьба с ними актуальна при измерениях физических величин в случаях малой энергии сигналов первичных преобразователей.

Помехи вызывают два вида искажения сигнала. Во-первых, помеха может изменить форму сигнала. Во-вторых, помеха может вывести устройство за пределы его динамического диапазона и вызвать нелинейные искажения сигнала или даже привести устройство в зону нечувствительности к сигналу (режим насыщения).

Различают внутренние и внешние помехи.

Внутренние помехи возникают в устройстве как результат нежелательной передачи части энергии сигнала из части устройства с большим уровнем сигнала в часть с меньшим уровнем сигнала (паразитные обратные связи).

Внешние помехи могут возникать из-за наличия в канале связи других сопутствующих сигналов или из внешней среды (промышленные помехи, атмосферные помехи, электростатические помехи). Диапазон частот этих помех может быть весьма широк — от нуля до нескольких мегагерц.

Помехи могут быть также естественными и искусственными.

Борьба с помехами актуальна во многих случаях и начинается с выявления источника помехи и составления схемы замещения, моделирующей помеху. Далее разрабатываются меры борьбы. Задача эта непростая и часто требует подключения экспертов.

Для снижения уровня помех применяются меры защиты как в источниках помех, так и в приемниках. Существуют международные и государственные стандарты на электромагнитную совместимость по уровню помех различных промышленных и электронных устройств.

Помеха появляется в сигнале вследствие связи устройства с сигналом и источником помех. Различают три вида связи:

• 1) индуктивная связь;
• 2) емкостная связь;
• 3) гальваническая (кондуктивная) связь.

Индуктивная связь возникает при наведении ЭДС в проводах устройств с полезным сигналом вследствие явления электромагнитной индукции, которая возникает при наличии:

• • сравнительно близкого источника переменного магнитного поля (источник помехи);
• • замкнутого проводящего контура в устройстве с полезным сигналом.

На рис. 6.7.1, а прямоугольниками изображены источник и приемник сигнала, соединенные проводами. В замкнутом контуре, образованном проводами, индуцируется ЭДС e (t) помехи, которая зависит от скорости и амплитуды изменения магнитного потока Ф (?):

Рис. 6.7.1. Уменьшение магнитного потока при сближении проводов (уменьшение площади контура потокосцепления)

Здесь 5 — площадь контура; B (t) — среднее значение магнитной индукции в контуре.

Есть четыре способа борьбы с электромагнитной помехой, которые применяют в зависимости от конкретных условий.

Первый способ — экранирование устройства от переменных магнитных полей путем помещения устройства в оболочку (экран) из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью. Это приводит к уменьшению значения магнитной индукции в контуре.

Второй способ — уменьшение площади контура s₆ < s_a, в котором наводится ЭДС самоиндукции. Для этого проводники в устройстве размещают с малой дистанцией (ленточный проводник), как на рис. 6.7.1, б.

Третий способ — скручивание проводников (витая пара). В этом случае в отдельных петлях s_v s₂,… жгута создаются составляющие ЭДС с разными направлениями. Поэтому сумма ЭДС на всей площади 5 приближается к нулю (рис. 6.7.2).

Рис. 6.7.2. В свитых проводниках на разных участках возникают составляющие ЭДС противоположных направлений

Четвертый способ — использование коаксиального кабеля, который состоит из цилиндрической плетеной медной оболочки (экрана) и центрального медного провода (жилы), разделенных пластиковым изолятором. На рис. 6.7.3 коаксиальный экран кабеля изображен пунктирной линией.

ЭДС в контуре, образованном оболочкой и жилой коаксиального кабеля, определяется суммой одинаковых составляющих e_x(t) и e₂(t). Они создаются изменениями потоков через, соответственно, площадки 5, и s₂. При этом относительно жилы и оболочки (отмечены знаками «•» и «+») эти.

Рис. 6.7.3. Коаксиальный кабель в переменном магнитном поле

Рис. 6.7.4. Схема замещения для магнитной помехи

ЭДС имеют противоположные направления. В жиле они вычитаются. В оболочке они, складываясь, удваиваются. Однако они создают токи, которые замыкаются в оболочке.

На схеме замещения, содержащей два узла и два контура, видно, что в контуре «Оболочка — оболочка» эквивалентная ЭДС индукции равна e₀(t) = e_Xo{t) + e_2o(t). В контуре сумма ЭДС e_hK(t) + е_2ж{р) = 0. Поэтому индуцированные в коаксиальном кабеле ЭДС не создают помехи в контуре источника сигнала e_Xc(t) и приемника сигнала Z_H.

Емкостная связь создается распределенными емкостями между проводами и элементами. Этот вид помехи можно легко наблюдать на экране осциллографа, если прикоснуться к сигнальному проводу, подключенному к входу осциллографа. На рис. 6.7.5 представлена схема, в которой имеется внешняя линия А с переменным напряжением U_x (например, фазный провод сети с частотой 50 Гц) и линия В с измерительным сигналом U₂ частотой /.

Рис. 6.7.5. Схема замещения цепи с источником помехи через эквивалентную распределенную емкость

Обе линии имеют на схеме слева источники и справа приемники с некоторыми сопротивлениями. Между проводами Ли В имеется распределенная емкость, которая на схеме отражена эквивалентным элементом С_и.

Источник в сети Г/, создает на проводе В напряжение аддитивной помехи U_n• Значение напряжения помехи зависит от емкостного сопротивления Z_cn = -jX_cn и, следовательно, от емкости С_п. С увеличением емкости С_п (например, с увеличением длины проводов или с уменьшением расстояния между линиями А и В) амплитуда помехи увеличивается.

Если линию В сделать коаксиальной с заземленным экраном, как на упрощенной схеме рис. 6.7.6, то жила будет экранирована от переменного электрического поля, создаваемого источником U_v Токи смещения через экран замкнутся на заземленный полюс.

Рис. 6.7.6. Устранение помехи через распределенные емкости С_п с помощью коаксиального кабеля Заметим, что на рис. 6.7.6 заземление оболочки коаксиального кабеля произведено в одной общей точке. В этом случае токи, вызванные паразитными емкостями, не вызывают падения напряжения на проводах, соединяющих части устройства с сигналом.

В реальных системах индуктивные и емкостные помехи могут возникать одновременно. В этом случае приходится подбирать вариант защиты от помех.

Кондуктивная связь возникает, например, когда несколько потребителей получают электрическую энергию от одного источника питания (рис. 6.7.7). Здесь два усилительных каскада У1 и У2 питаются от одного источника постоянного напряжения И через резистивный элемент R_ab> сопротивление которого равно сумме выходного сопротивления источника и соединительных проводов. Входное напряжение первого каскада и_пх1 преобразуется при напряжении питания U_a в напряжение и_вх2 = и_вых{ = -К_хи_вхХ и далее в и_вых2 = К_хК₂и_кхХ. При этом переменная составляющая тока i₂(t) = = i_K2 = -h₂₂u_m>]x2 = ~h₂₂K_xK₂u_BxX вызовет переменное напряжение на R_ah: u_nh(t) = = R_abi₂{t). Так появится переменная составляющая напряжения питания u_n(i) = -R_ahi₂{t) = R_abh₂₂K_xK₂u_nxV Эта переменная составляющая преобразуется в первом каскаде в дополнительную переменную синфазную составляющую тока базы в цепи смещения рабочей точки г_6 см(?) ^{= и}Л0/&ь ^{= =} ^ab^22^^2^UBxt/^b- В итоге возникает явление положительной обратной связи, которая может привести к появлению и развитию автоколебаний, при которых невозможно усиление сигнала.

Борьба с такими помехами ведется путем уменьшения сопротивления проводов (увеличение диаметра проводов, применение шин большого сече;

Рис. 6.7.7. Схема возникновения внутренней помехи в общих цепях питания электронных устройств ния) и установкой фильтрующих элементов (например, конденсатора фильтра С_т, как на рис. 6.7.7).

Мощным средством борьбы с помехами является фильтрация (селекция) сигнала. Современные методы фильтрации позволяют за счет сужения полосы пропускания устройств уменьшить энергию помехи. Фильтрация сигналов осуществляется избирательными усилителями — фильтрами.

Современные методы борьбы с помехами в электронных устройствах заключаются в снижении мощности помех в устройствах, создающих помехи, и в защите электронных устройств следующими мерами: электромагнитное и элект ростатическое экранирование, заземление, селекция и обработка сигнала.

В заключение заметим, что для всех электронных устройств существуют государственные и межгосударственные нормы на уровень допустимых помех, создаваемых этими устройствами. Примеры можно найти в технических описаниях различных электронных устройств.

Для снижения уровня сетевых (сети энергоснабжения) помех применяют экранирование устройств и установку фильтров в проводах сетевого питания (см. пример на рис. 6.7.8). Такой же фильтр применяется в устройствах для «размножения» сетевых розеток, которые называют сетевыми фильтрами. В фильтре на высоких частотах конденсаторы, включенные параллельно сети и приемнику, имеют малое сопротивление и шунтируют помехи. На тех же частотах индуктивные катушки, включенные последовательно с источником и приемником, имеют большое сопротивление, т. е. разъединяют приемник и сеть. На низкой частоте 50 Гц влияние реактивных элементов пренебрежимо мало (рис. 6.7.9).

Рис. 6.7.8. Схема простого сетевого фильтра для подавления высокочастотных помех из сети в приемник и от приемника в сеть