利用双绞线与低通滤波器抑制射频干扰和电磁干扰

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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。
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。




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 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。


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。