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利用双绞线与低通滤波器抑制EMI和RFI
作者:Bill Laumeister
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电线电缆/光纤展厅
电线, 电源线, 端子线, 线束, 同轴电缆, ...
摘要:Alexander Graham Bell早在1881年就申请了双绞线专利,而至今我们仍在使用双绞线,原因在于它带给我们了诸多便利。另外,随着器件功能的逐步增强,双绞线通信的应用也越来越普遍;借助可免费获取的电路仿真、滤波器设计软件,我们可以充分发挥双绞线与低通滤波器相组合的优势,抑制射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI)。我们也在本文介绍了利用高精度电阻排实现定制差分放大器的方法。在我们选择频响特性时,高精度电阻可以设置增益和共模抑制比。

引言

“The Twist”指双绞线,Alexander Graham Bell于1881年申请该项专利。而该项技术一直沿用到今天,原因是它提供了诸多便利。此外,随着现场可编程门阵列(FPGA)器件处理能力的逐渐强大,结合电路仿真及滤波器设计软件,使得双绞线在数据通信领域的应用也越来越普遍。

FPGA为设计工程师提供了强大、灵活的控制能力,特别是那些无法获取专用集成电路(ASIC)的小批量设计项目,可以利用FPGA实现设计;许多大批量生产的产品,在项目设计初期也利用FPGA进行原型开发,并定制芯片之前对新功能进行测试。FPGA的强大之处在于复杂的数字处理功能,而一些模拟信号则会受限于数字噪声的干扰。需要外部提供模拟放大,以及失调、滤波和信号处理,确保FPGA满足系统的整体需求。

本文讨论了如何将双绞线与低通滤波器相结合,抑制射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI)。我们还介绍了如何利用高精度电阻排设计定制化差分放大器,消除信号干扰并改善FPGA系统的性能。在我们选择频响特性时,利用高精度电阻设置增益和共模抑制比。

双绞线的重要性

双绞线对数据通信有着重大意义,能够大幅降低串扰、RFI和EMI。

互联网和计算机的普及带动了双绞线应用的普及,许多人误以为双绞线是项新发明,实际情况并非如此。图1所示是Alexander Graham Bell早在1881年就已申请的专利副本,他描述了多对双绞线之间的相互影响。

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图1. Alexander Graham Bell于1881年获得美国专利244,426

Bell先生指出:多个电路通过两条线连接——一条直通线和一条返回线,构成一个金属线导电回路。当金属线导电回路置于其它电路附近时,如果周边电路在两条线上感应信号不同,则金属线所连接的电话及其它电气设备就会感应干扰信号;显而易见,如果在直通线和返回线上产生相同影响,则其中一条导线产生的电流将抵消另一条导线产生的电流。如果两条导线与干扰电流的感应关系相同,或将两条导线置于与上述电路相同的距离(确保其它条件完全相同),则可避免干扰。

这些经过125年历史验证的真理,为现代的差分信号原理奠定了基础。图2所示,导线A的电流所产生的磁场会在导线B中产生所不期望的电流。

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图2. 导线之间的串扰:导线A中电流所产生的磁场在导线B产生所不期望的电流

图中导线之间的电容表示杂散分布电容,当增大串扰信号的频率时,电容耦合将更为明显。图3中,我们观察到Bell先生提出的“抵消”效应。当在双绞线两侧施加相等的干扰信号时,干扰信号将被抵消。射频环境下,杂散电容会耦合导线之间的能量。同理,由于双绞线的干扰相等、方向相反,RFI趋于抵消。以差分形式接收双绞线信号将增强“抵消”效应。

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图3. 当对双绞线两侧施加相等的干扰信号时,导线之间的串扰被抵消

也可以利用屏蔽导体将双绞线包裹起来,起到静电屏蔽作用。屏蔽增大了杂散电容,作用相当于低通滤波器,进一步衰减RF干扰。导线的阻性和感性为串联元件,分散电容对地形成低通滤波器。当通信链路仅传输低频信号时,例如电话音频或其它窄带信号,这一特性有助于改善传输效果。

利用低通滤波器降低RFI

举例说明,温度测量的速度可能受限于被测对象的物理质量。家用加热器可能只需要每隔一、两分钟测量一次温度。由于空气、墙壁、地板和天花板的质量比较大,温度变化非常缓慢。所以,每秒钟测量数百万次温度对加热器的温度测量或温度控制毫无意义。

我们转向室外,室外产生的RFI可能进入室内。以我家为例,我家距离一座50,000W AM电台大约1英里。不幸的是,电话线拾取了电台的1.37MHz信号。信号在电话中经过检波,恢复出电台的音频信号。每每听到这个干扰信号会让人难以忍受,这一干扰严重影响了电话的调制解调器。电台播音室与发射机和天线相邻,系统维护比较方便。按道理说,工程师比较擅长消除音频和电话系统的1.37MHz信号,于是我们通过“噪杂”的电话提出维修申请,并询问了他们使用的是什么低通滤波器。

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图4. 低通滤波器

采用图4非常简单的滤波器即可获得不错的效果,为什么?原因在于物理学:我们希望线路上保留什么,抑制什么?本例中,我们正常的电话信号为300Hz至3kHz,要抑制的信号是1.37MHz,频率相差450倍。利用Nuhertz的FilterFree软件,我们制作了一个巴特沃斯响应滤波器并绘制了其响应特性(图5)。滤波器在3kHz以下基本平坦,在1.37MHz时衰减超过135dB。135dB相当于衰减了560万倍。电台使用了滤波器后,有效解决了这一问题,不再干扰电话线。

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图5. 使用低通滤波器后,电话音频通过线路,而电台的RFI得到抑制

利用一个简单的滤波电路是否就能解决问题?软件工具Solve Elec是一款电路仿真器,带有低通滤波器设计文件,这是一个简单的RC滤波器。利用该RC滤波器,更改参数值,得到8kHz下的3dB衰减,频响特性如图6所示。

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图6. 图中所示为简单的RC滤波器对电话线中RFI的响应特性

对于音频信号,3kHz时衰减小于0.5dB,而对电台的RFI干扰则衰减44dB,或150倍。实际上,我们也利用了电话线的电阻和电感串联元件,只是增加了一个小的接地电容,对电台的RFI做进一步的衰减。

现在,我们重新考虑工厂的温度测量系统,其中导线有数百英尺长,相当于一个无线电天线,因此,受RFI影响的几率非常大。如果在规定的时间周期内,温度测量数据保持一致,可以在检测线路中串联一个低通滤波器,以消除RFI。那么,如何通过双绞线接收信号?当然要采用差分信号,确保干扰信号彼此抵消,图7所示为此类电路。

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图7. 采用MAX5426高精度电阻网络构成差分放大器,可灵活设置放大器参数

图7所示的电路配置也称为仪表放大器,市场上可以找到多种完全集成的方案,MAX5426高精度电阻网络为设计人员提供了控制放大器参数的便利条件。高精度电阻允许以数字方式选择差分增益:1、2、4或8,精度可选择0.5%至0.025%。电阻的精确匹配确保获得79dB以上的共模抑制指标。电路设计人员可方便选择运算放大器,根据具体应用量身定制频率响应特性,改善前端滤波。

结论

虽然Alexander Graham Bell很早就阐述了双绞线原理,至今我们仍然可以通过互联网或无线电听到Chubby Checker和“双绞线”,如果Bell知道双绞线、电路设计、仿真工具以及FPGA对现代科学贡献,他一定会感到吃惊。 正确选择双绞线和低通滤波器,即可降低EMI和RFI,提高数据通信的可靠性。
文章内容仅供参考 (投稿) (8/29/2013)
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