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. Существует шум, возникающий в процессе усиления, и его можно уменьшить применением малошумящих усилителей.
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 50 Гц 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. 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.
Токи сигнала в одной части могут влиять на другую часть схемы при падении напряжения на путях заземления и линиях питания.
4.8.1. Методы исключения помех
Для решения этих часто встречающихся вопросов борьбы с помехами придумано много эффективных приемов, но в большинстве 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: устройство, безукоризненно работающее в лаборатории, может на практике работать с огромными помехами в ином месте.
Перечислю некоторые внешние условия, которых не 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), а также близко расположенные здания с регуляторами освещения и отопления (всплески в линии питания);
□ близость оборудования с большими трансформаторами (магнитные наводки);
□ близость электросварочных аппаратов (наводки всех видов неимоверной силы).
4.8.2. Эффективные приемы при борьбе с помехами
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 ослабления 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 и на выходе (многие помехи от близлежащих радиостанций попадают в схему через провода громкоговорителя, выполняющего роль антенн). 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.
Внутри прибора сигналы могут проходить всюду путем электростатической связи: в какой-нибудь точке в приборе происходит скачок сигнала напряжением 10 В и на расположенном рядом входе с большим полным сопротивлением произойдет тот же скачок. Что можно сделать?
Лучше всего уменьшить емкость между этими точками (разнеся их), добавить экран (цельнометаллический футляр или даже металлическую экранирующую оплетку, исключающую 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.
Низкочастотные магнитные поля не ослабляются 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 (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 железа или фольги) для того, чтобы предотвратить магнитное насыщение внутреннего экрана. Наиболее простым решением является удаление мешающего источника магнитного поля.
Наводки радиочастоты могут быть очень коварными. Так, 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.
4.8.3. Обеспечение помехозащищенности аппаратурных средств компьютерной техники
Для подавления помех, вызванных ударами молнии в силовые линии, переключениями реле, переходными процессами при пуске электродвигателя, электрическими разрядами в аппаратуре или вблизи нее, высокочастотными полями необходима тщательная проработка цепей питания, заземления, экранирования, топологии печатных плат с учетом конкретных характеристик интегральных схем.
Интегральные схемы (ИС) ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики), представляющие собой токовые приборы с малым входным сопротивлением, особенно чувствительны к разности потенциалов цепей питания между отдельными ИС, возникающей из-за паразитных токов.
ИС МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) управляются напряжением и имеют высокое входное и малое выходное сопротивление, поэтому они особенно чувствительны к излучаемым помехам. Вторичная чувствительность к паразитным токам возникает в результате помех от соседних проводников, по которым передаются импульсные сигналы.
Линейные ИС имеют высокое входное и малое выходное сопротивления. В отличие от цифровых ИС для линейных ИС не указываются диапазоны напряжений. Шумовые выбросы могут просачиваться в усилитель с высоким коэффициентом усиления по шинам питания.
Для уменьшения восприимчивости аппаратуры на ИМС (интегральных микросхемах) к электромагнитным помехам на практике необходимо:
□ максимально применять развязку по цепи питания, подключая конденсаторы индивидуальной развязки к отдельным микросхемам или группам микросхем;
□ выбирать достаточную ширину печатных проводников шин питания;
□ не путать шину «земля» (ШЗ) с «общей шиной» системы (обратный провод источника питания). ШЗ не должна использоваться для передачи мощности. Проводники «земля» и «общий» необходимо соединять только в одной точке системы, иначе образуется замкнутый контур, излучающий помехи в схему;
□ питать цепи, потребляющие большой ток, от отдельного источника. В этом случае переменные составляющие тока питания не проникают в шины, подводящие питание к маломощным логическим схемам. Следует иметь в виду, что проводники, передающие резкие изменения тока, индуктивно связаны с соседними проводниками, а последние передают фронты напряжений через емкостные связи соседним участкам схемы. В связи с этим размещению таких проводников надо уделять особое внимание;
□ выбирать резисторы утечки с минимальным сопротивлением, допускаемым с точки зрения мощности потребления или других условий. Это особенно важно в ИС МДП-типа;
□ в устройствах, построенных на ИС ТТЛ-типа, неиспользуемые логические входы надо подключить к положительной шине «питание» через резистор 1 кОм. В устройствах на МДП ИС неиспользуемые логические входы подключаются соответственно к положительной или отрицательной шинам, т. к. в противном случае может возникнуть состояние неопределенности в работе ИС;
□ применять в линейных устройствах резисторы и конденсаторы, имеющие допуск на разброс параметров до 1 %. Исключение могут составлять резисторы утечки и конденсаторы блокирующих цепей, где допускается 20 % разброс параметров. По окончании разработки следует изучить влияние изменения параметров компонентов на работу схемы.
Если указанные ранее меры не дают желаемого эффекта, то можно применить фильтрацию сетевого напряжения и экранирование. Корпуса из металла или с проводящим покрытием в значительной степени ослабляют внешние помехи. Окна, образуемые индикаторами, шкалами или измерительными приборами, можно закрыть медными экранами. Фильтры сетевого напряжения обеспечивают защиту от помех из силовой сети, но их необходимо согласовать с аппаратурой.
Наиболее успешная борьба с помехами возможна лишь в том случае, когда разработка электрических схем и конструкций радиоэлектронной аппаратуры неразрывно связаны.
Аналогичный подход справедлив и для всех прочих электронных устройств.