روش‌های حذف نویز الکتریکی -بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز،یکی از مشکلات عمده‌ای که دستگاه‌های الکترونیکی با آن مواجه هستند، مسئله نویز می‌باشد. به خصوص الان که انواع وسایل الکتریکی، الکترونیکی و مکانیکی در فضای کوچکی در کنار یگدیگر مشغول به کار بوده و به سادگی می‌توانند روی یکدیگر اثر بگذارند؛ بنابراین باید مسئله نویز در ساخت، مونتاژ، نصب و سرویس دستگاه مورد توجه قرار گیرد. حل مشکل نویز نیاز به اطلاعات کافی درباره‌ی ماهیت نویز، راه‌های ورود نویز و روش‌های کاهش نویز دارد.

 

نویز از این جهت که محدوده اساسی عملکرد طبیعی تمام سیستم‌ها و جریانات الکترونیکی را تعیین می‌کند. نویز زمانی از اهمیت برخوردار است که با سیگنال‌های ضعیف سروکار داشته باشیم. اما دقیق‌تر زمانی باید به نویز توجه داشت که نوسانات سیگنال‌های پردازش شده مشابه نوسانات نویز موجود باشد. در صورتیکه نویز ذاتی (نویز در نهاد دستگاه باشد) تنها احتمال خطر از دست دادن محتوای اطلاعات سیگنال‌های خیلی ضعیف در یک محیط نویزی وجود دارد و اطلاعات موجود در سیگنال با دامنه بالا از بین نخواهد رفت. اکنون فرض کنید که یک نویز خارجی نیز در نظر گرفته می‌شود. به این دلیل که نوسانات آن به طور قابل توجهی بیش‌تر از نوسانات نویز درونی است حتی سیگنال‌های قوی نیز شر نویز خارجی مصون نخواهند بود.

آنچه که اهمیت دارد سطح سیگنال نیست بلکه نسبت دامنه سیگنال به دامنه نویز می‌باشد. نسبت‌های پایین سیگنال به نویز آسیب پذیری بیش تری را نشان می‌دهند. در حالی که نسبت‌های بالای سیگنال به نویز نشان دهنده مصونیت در برابر نویز هستند.

یکی از مهم‌ترین تلاش‌های مهندسان کوچک کردن دستگاه‌ها و سیستم‌ها می‌باشدکه منجر به کار کردن اجزا و عناصر آن‌ها در فضای کوچک تری می‌شود. حال استفاده‌ی گسترده از سیستم‌های اکترونیکی، الکتریکی و مکانیکی در نزدیکی و کنار هم باعث ایجاد پدیده نویز می‌شود که در نتیجه آن عدم رسیدن به اهداف طراحی شده برای سیستم می‌باشد.

حال راه حل‌هایی وجود دارند که می‌توانند اثر نویز را روی سیستم‌ها کاهش دهند و یا حتی حذف کنند. البته به عنوان اولین قدم در مسیر کاهش نویز باید سه فاکتور مشترک در تمام سیستم‌هایی که دارای مشکل نویز هستند را مشخص کنیم: منبع نویز، راه‌های انتقال نویز از منبع به گیرنده و گیرنده‌ی نویز.

۱- منبع نویز
عامل به وجود آورنده‌ی نویز را منبع نویز گویند. نویز ایجاد شده توسط منبع می‌تواند از یک سیستم به سیستم دیگر و یا در یک سیستم مثلا از یک طبقه مدار به طبقه دیگر مدار انتقال یابد. کلا برای کاهش نویز، منبع فاکتور خوبی می‌باشد؛ که اگر بتوان آن را از لحاظ سیگنال‌های نویزی از سایر قسمت‌های مدار ایزوله کرد کار شایانی در راستای کاهش و یا حتی حذف نویز صورت گرفته است.

۲- راه‌های انتقال نویز

یکی از راه‌های بدیعی، ولی غالبا دور از توجه، انتقال نویز از طریق سیم‌ای رابط می‌باشد. ک. سیم می‌تواند از محیط اطراف نویز دریافت کرده و به داخل و یا قسمت‌های دیگر دستگاه هدایت کند و بدین ترتیب موجب تداخل شود. حال این وظیفه‌ی طراح است که قبل از طراحی سیستم، فکر جلوگیری از انتقال نویز از طریق سیم‌های رابط را بکند.

ایننوع کوپلاژ زمانی رخ می‌دهد که جریان‌های دومدار مختلف از امپدانس مشترکی عبور کنند. در این حالت افت ولتاژ روی امپدانس مشترک، از طرف هر دو مدار دیده می‌شود.

به عنوان مثال در شکل بالا جریان زمینه هر دو مدار از مقاومت مشترک زمین عبور می‌کند. از آن جایی که ولتاژ زمین مدار ۱ با ولتاژ ناشی از عبور جریان مدار۲ از امپدانس مشترک، مدوله می‌شود بنابراین هر تغییر در جریان مدار۲ به صورت نویزی در ورودی مدار۱ ظاهر می‌شود.

• میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی

تشعشع میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی نوع دیگری از کوپلاژ نویز را تشکیل می‌دهند. تمام المان‌های مدار هنگام عبور بار الکتریکی از آن‌ها تشعشع می‌کنند. علاوه بر این تشعشع غیر عمدی، تشعشع ایستگاه‌های رادیویی و مخابراتی نیز وجود دارد. این تشعشعات ممکن است الکتریکی، مغناطیسی یا از هر دو مورد باشد. نکته‌ی مهی که برای بررسی نویز وجود دارد این است که اگر منبع تشعشع از گیرنده فاصله داشته باشد، حاصل ترکیب این دو میدان، به صورت الکترومغناطیسی، ایجاد نویز خواهد نمود و در نتیجه باید به صورت الکترومغناطیسی بررسی شود.

۳- گیرنده‌ی نویز
به سیستمی که نویز محیط اطراف می‌تواند روی آن تاثیر بگذارد گیرنده گویند. شناخت و بررسی گیرنده از آن جهت اهمیت دارد که ما می‌توانیم با کاهش حساسیت گیرنده به نویز موجب کم شدن اثر نویز روی سیستم شویم. در نتیجه می‌توانیم شاهد کار کردن سیستم طراحی شده در یک محیط به مراتب بالاتری از لحاظ سطح نویز باشیم.‌

می‌دانیم که برای تولید یک سیستم سه مرحله وجود دارد. اول طراحی سیستم و مدارات می‌باشد. بهترین زمان برای پرداختن به مساله‌ی نویز مرحله‌ی تست سیستم و تولید می‌باشد. برای بررسی نویز سیستم تست‌های زیادی وجود دارد که یکی از مهم‌ترین آن‌ها EMC (electromagnetic compatibility) یا سازگاری الکترومغناطیسی است که عبات است از توانایی دستگاه در انجام دادن کار صحیح خود در داخل میدان مغناطیسی محیط. این تست‌ها باید در مرحله‌ی طراحی دستگاه انجام پذیرد. درصورت نادیده گرفتن تست‌ها در این مرحله، مشکل نویز در مرحله‌ی دوم یعنی تست دستگاه ظاهر شده و حل ان در این مرحله گران تمام می‌شود و رضایت بخش هم نخواهد بود. در طی سه مرحله‌ی طراحی، تست و تولید روش‌های موجود در جهت حذف نویز به ترتیب کاهش و در مقابل هزینه‌ی آن‌ها افزایش یابند؛ بنابراین هر قدر مساله تداخل را زودتر مورد توجه قرار دهیم حل آن بهتر و ارزان‌تر خواهد بود. مثلا آزمایش نشان می‌دهد که در صورتیکه جلوگیری از نویز در مرحله‌ی طراحی انجام شود، طرح قادر است ۸۰ تا ۹۰درصداز مساله‌ی نویز را قبل از مرحله تست دستگاه حل نماید. در غیر این صورت اگر سیستمی بدون توجه به مساله جلوگیری از نویز، طراحی شده باشد، به احتمال زیاد این مساله در مرحله تست بروز می‌کند.

دراین زمان پیدا کردن اینکه کدام یک از عوامل نویز در ایجاد این مشکل سهیم هستند آسان و واضح نخواهد بود. اغلب راه حل‌ها در این مرحله شامل اضافه کردن بخش‌هایی می‌شودکه جزو لازمه‌ی مدار نیستند. خسارات ناشی از آن نه تنها در اتلاف بیش‌تر وقت مهندسان است بلکه موجب مصرف بیش‌تر اجزا و حتی به هم زدن تاسیسات دستگاه نیز خواهد بود و حتی منجر به ازدیاد تلفات توان و افزایش وزن و حجم دستگاه شود.

به علاوه به حداقل رساندن نویزی که دستگاه می‌تواند تولید کند، باید به موقع مورد توجه قرار گیرد. چون نویز آن ممکن است روی وسایل دیگر موجب بروز اغتشاش و تداخل شود. همیشه کنترل نویز در منبع تا حد امکان مطوب‌تر است. چون می‌تواند مانع از به وجود آمدن مشکل نویز در تعداد بی شماری از وسایل دیگر شود؛ بنابراین یک سیستم باید طوری طراحی شود که نه تنها محیط روی آن اثر نگذارد بلکه دستگاه هم روی محیط اطراف خود تاثیر منفی نگذارد. این مساله به قدری مهم است که برخی کشور‌های پیشرفته به تدوین قوانینی در این رابطه پرداخته اند. پس اهمیت طرح دستگاهی که حداقل نویز را ایجاد کند درست به اندازه‌ی طرح دستگاهی است که حداقل حساسیت به نویز را داشته باشد. نهایتا هدف اصلی از لحاظ نویز در طراحی سیستم‌ها بالا نگهداشتن هرچه بیش‌تر نسبت توان سیگنال مطلوب به توان نویز است.

در ذیل به مجموعه‌ای از عبارات جزئی می‌پردازیم؛ که نشان می‌دهد چگونه نویز می‌تواند عملکرد سیستم‌های الکترونیکی را تحت تاثیر قرار دهد:
حداقل سیگنال مطلوب در جریان آنالوگ توسط نویزی که به صورت داخلی و خارجی ایجاد می‌شود، محدود می‌گردد. اگر از تقویت کننده استفاده می‌کنید سطح نویز طبق قدرت آمپلی فایر محدوده بالاتری را مشخص می‌کند. از این رو در صورتیکه قدرت افزایش یابد، آمپلی فایر اشباع می‌شود.

در مدار‌های آنالوگ دامنه‌ی داینامیکی زیاد به این معنی است که به وجود نوسان زیاد و نویز پایین نیاز است.
نویز، محدوده حداقل سیگنال قابل ردیابی را در آشکارساز‌ها و رسیور‌ها معین می‌کند.

 

نویز می‌تواند منجر به وقوع اشتباهاتی در فاز سیگنال اندازه گیری شده، گردد. این مساله می‌تواند صحت تخمین مسافت را در سیستم‌هایی که از تکنیک پالس اکو استفاده می‌کنند تحت تاثیر قرار دهد.

نویز می‌تواندداده‌ی دودویی ذخیره شده در حافظه‌ها را نیز مختل کند، ۰ به طور تصادفی تبدیل به ۱ می‌شود و بلعکس.
گرچه مدار‌های منطقی ترکیبی، بیش‌تر در برابر نویز مصون هستند، لازم است که در تکنولوژی میکروالکترونیک مربوط به افزایش فرکانس‌های عامل، نویز به عنوان عنصری کلیدی در فرایند طراحی در نظر گرفته شود.

 

برای ادامه مطالعه مقاله به روش‌های حذف نویز الکتریکی -بخش دوم مراجعه نمایید.