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实用EMI噪讯对策技术(1) 基础物理篇

   2017-12-13 安规与电磁兼容网5203

 

 从理想特性大幅偏离,因此选择电子组件时必需针对该组件实际使用信号频率范围,可以完全发挥理想性动作为前提选用,亦即可以使该组件在使用目的下的频率范围内以接近理想性动作。如图3所示频率较高处,电容几乎完全电感化(inductor)Δ,即使想用滤波器(filter)Δ消除噪讯,由于该现实特性限制,滤波器可能无法达成消除噪讯的预期目标。同样的信号线在电路图上拥有零阻抗(zero impedance)的理想特性,不过现实信号线则一定具备阻抗Δ(图4)。

图4 信号线具备阻抗

阻抗(impedance)内部若有电流流动就会产生电压(图5),该电压就是一般所谓的「噪讯」。阻抗为电感(inductance)时阻抗值为 jωL,电流的频率( ω )一旦变高,对高频噪讯电流而言成为无法忽略电感造成的电压。此处请读者注意,笔直的一般信号线具备电感,电线呈环状卷绕时同样具备电感,尤其是刻意使电感变大的线圈(coil)Δ。类似这样即使电路图中未标示,实际存在的电路称为「电路图未标示的电路」,这点请读者务必牢记在心,因为「电路图未标示的电路」概念非常重要,它对日后处理EMI问题具有潜在性影响。 

图5 电流在阻抗内流动时的特性

信号同样有各种形式,例如摩尔斯符号也是信号的一种。电气性信号分为交流与直流两种,直流Δ(考虑期间)属于一定的信号,相对的交流Δ则是随着电流流动方向变化的信号。虽然图7是电流的波形,不过电压的波形也相同。所谓交流是指平均值为0,正端(plus)与负端(minus)呈对称性波形而言。
图7(b)是交流的代表正弦波形,正弦波形可用下式表示:

i = sin ( ω x t ) ω : 角速度

角速度对周期 具有以下关系: ω = 2π / T 频率 可用下式表示: 频率的单位是 Hz (Hertz)。 

图7 电流的波形  

正弦波形的交流为正弦波交流,最具代表性的交流单纯交流时,一般是指正弦波交流,不过交流却不限定是正弦波交流,根据以上述定义者全部都是交流,图8是常见的交流电波形。

图8 常见的交流电波形

正弦波形除了上述特性之外还需考虑它的位相Δ,一般信号并不是单纯的交流,它是变化复杂任意波形的信号(图9)。任意波形的信号可以用直流成份与多数(彼此频率相异)正弦波形相加方式表示(图10)。 

图9 一般信号常见的波形

图10 任意波形的信号 

表示某个信号包含哪些频率成份与百分比,称它是该信号的频率特性,信号包含的频率 ( f ) 有上限与下限的限制,信号包含的频率范围称为该信号的频域(频宽或是频幅),虽然频宽也可以用绝对值 ( Δf ) 表示,不过一般都以信号频率的百分比 ( Δf / f ) 表示。此外,整合组件、组件的电路,决定输出、入之间哪些频率成份作何种变化等特性,称它为组件、电路的频率特性。频率特性具备两种含意,通常频率特性从横轴取频率的对数,纵轴为 刻度。图11是组件、电路的频率特性范例,该图是LC滤波器Δ的频率特性,由于LC滤波器的特性取决于QΔ定数值,因此该图可能显示LC滤波器的各种的特性。 

图11 LC滤波器Δ的频率特性

电阻(符号为 R)属于可以限制电气流动的电子组件,严格来说它并不是单纯的阻抗体而是电气阻抗体。水等流体同样有阻抗称为流体阻抗,流体阻抗比电气阻抗复杂。此处假设电阻为

R,施加于电阻两端的电压为V,在电阻内部流动的电流为I,下列奥姆法则成立:

V = R x I

不论是交流或是直留奥姆法则都成立,两者主要差异交流的场合使用实效值,所谓实效值是指电力变成直流与等价的值而言。

图12 奥姆法则的特性  

假设振幅 ( 最大值 ) 为 ,在正弦波实效值Vrms可用下式表示:

电容器属于具备储存电荷能力的电子组件,假设电荷量(电气量)为Q,电容器的容量( capacitance )(静电容量)为C,如此一来下式成立:

C = Q / V

电流是单位时间的电荷移动量,因此用时间将 CQ = V 微分变成下式(理想特性)微分方程式,接着解开该微分方程式变成下式:

式中的 为虚数( -1的平方根)Δ,数学上以 i 表示虚数,不过电气方面会与电流的 i 混淆因此使用 j,式中的 ω 表示信号的角速度。假设信号的频率为 f ,圆周率为 π ,如此一来角速度 ω 可用下式表示:

换言之角速度与频率呈比例,虽然角速度不是频率,不过与频率呈比例关系,因此经常被当作与频率相同意义使用,有时甚至将频率当作角速度单位表示,此时称它为角频率。此处假设:

如此一来:

它与上述奥姆法则相同的关系成立,式中的 Z 相当于阻抗 R 的定数,根据上式可知 Z 随着交流的频率改变,亦即它具备频率特性(电容的频率特性为Δ), Z 又被称为电容的阻抗(impedance),换言之阻抗Δ是将直流阻抗扩建成交流的概念。检测阻抗时如果检测对象包含电解质的话,此时若以直流检测由于电池作用会产生很大的误差,为防患未然通常都使用交流检测该阻抗。例如检测医学用白老鼠发情期的阴道阻抗检测器必需检测实质阻抗,因此以交流检方式测阻抗。此外,频率特性对交流有所谓的「flat」,阻抗不会随着频率变化。电感Δ(线圈,符号为 L)

(理想特性)的直流阻抗同样是0,不过对交流它反而会限制电气的流动。假设电感的阻抗为 L ,如此一来下式成立:

解开后变成:

式中的 ( j x ω x L ) 就是电感的阻抗,它的频率特性刚好与电容相反(电感的频率特性为Δ),此外整合电阻、电容、电感的电路(例如滤波器)同样拥有阻抗,它的频率特性非常复杂。

 
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