利用双绞线及其它常规线缆降低EMI/RFI

2014-01-14

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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。

《EE Times》杂志于2012年5月8日刊登了本文类似版本的文章。

引言

“The Twist¹”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。

图1. Alexander Graham Bell于1881年获得美国专利244,426²。

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³。

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⁴。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。

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。

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。

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®⁵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。

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 Elec⁶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。

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。

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。

参考

Chubby Checker's 1960 pop music hit, "The Twist," has been rerecorded in many forms. According to his website, "The Twist" is the only song to be #1 twice and it is also the #1 song of all time (Billboard Magazine, September, 2008).
For the patent information, go to patents.google.com/patent/US244426. For general information on the invention, see http://en.wikipedia.org/wiki/Invention_of_the_telephone or http://en.wikipedia.org/wiki/Alexander_Graham_Bell.
Alexander Graham Bell at United States Patent and Trademark Office; U.S. Patent 244,426, http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO1&Sect2=HITOFF&d=PALL&p=1&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsrchnum.htm&r=1&f=G&l=50&s1=0244,426.PN.&OS=PN/0244,426&RS=PN/0244,426.
The term "metallic circuit" was used to avoid confusion with earlier telephone circuits. Telephones were originally connected with a single wire and used a ground return path to save copper wire. As electric power and trolley cars wires were placed near the phone wires, interference occurred.
For more information, go to www.nuhertz.com.
For more information, go to www.physicsbox.com/indexenglish.html.