利用雙絞線與低通濾波器抑制射頻干擾和電磁干擾

引言

“The Twist”指雙絞線，Alexander Graham Bell于1881年申請(qǐng)?jiān)擁?xiàng)專利。而該項(xiàng)技術(shù)一直沿用到今天，原因是它提供了諸多便利。此外，隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)器件處理能力的逐漸強(qiáng)大，結(jié)合電路仿真及濾波器設(shè)計(jì)軟件，使得雙絞線在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越普遍。

FPGA為設(shè)計(jì)工程師提供了強(qiáng)大、靈活的控制能力，特別是那些無(wú)法獲取專用集成電路(ASIC)的小批量設(shè)計(jì)項(xiàng)目，可以利用FPGA實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì);許多 大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期也利用FPGA進(jìn)行原型開發(fā)，并定制芯片之前對(duì)新功能進(jìn)行測(cè)試。FPGA的強(qiáng)大之處在于復(fù)雜的數(shù)字處理功能，而一些模擬 信號(hào)則會(huì)受限于數(shù)字噪聲的干擾。需要外部提供模擬放大，以及失調(diào)、濾波和信號(hào)處理，確保FPGA滿足系統(tǒng)的整體需求。

本文討論了如何將雙絞線與低通濾波器相結(jié)合，抑制射頻干擾(RFI)和電磁干擾(EMI)。我們還介紹了如何利用高精度電阻排設(shè)計(jì)定制化差分放大器，消除信號(hào)干擾并改善FPGA系統(tǒng)的性能。在我們選擇頻響特性時(shí)，利用高精度電阻設(shè)置增益和共模抑制比。

雙絞線的重要性

雙絞線對(duì)數(shù)據(jù)通信有著重大意義，能夠大幅降低串?dāng)_、RFI和EMI。

互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)的普及帶動(dòng)了雙絞線應(yīng)用的普及，許多人誤以為雙絞線是項(xiàng)新發(fā)明，實(shí)際情況并非如此。圖1所示是Alexander Graham Bell早在1881年就已申請(qǐng)的專利副本，他描述了多對(duì)雙絞線之間的相互影響。

圖1. Alexander Graham Bell于1881年獲得美國(guó)專利244,426

Bell先生指出：多個(gè)電路通過(guò)兩條線連接——一條直通線和一條返回線，構(gòu)成一個(gè)金屬線導(dǎo)電回路。當(dāng)金屬線導(dǎo)電回路置于其它電路附近時(shí)，如果周邊電 路在兩條線上感應(yīng)信號(hào)不同，則金屬線所連接的電話及其它電氣設(shè)備就會(huì)感應(yīng)干擾信號(hào);顯而易見(jiàn)，如果在直通線和返回線上產(chǎn)生相同影響，則其中一條導(dǎo)線產(chǎn)生的 電流將抵消另一條導(dǎo)線產(chǎn)生的電流。如果兩條導(dǎo)線與干擾電流的感應(yīng)關(guān)系相同，或?qū)蓷l導(dǎo)線置于與上述電路相同的距離(確保其它條件完全相同)，則可避免干 擾。

這些經(jīng)過(guò)125年歷史驗(yàn)證的真理，為現(xiàn)代的差分信號(hào)原理奠定了基礎(chǔ)。圖2所示，導(dǎo)線A的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)線B中產(chǎn)生所不期望的電流。

圖2. 導(dǎo)線之間的串?dāng)_：導(dǎo)線A中電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在導(dǎo)線B產(chǎn)生所不期望的電流。

圖中導(dǎo)線之間的電容表示雜散分布電容，當(dāng)增大串?dāng)_信號(hào)的頻率時(shí)，電容耦合將更為明顯。圖3中，我們觀察到Bell先生提出的“抵消”效應(yīng)。當(dāng)在雙絞 線兩側(cè)施加相等的干擾信號(hào)時(shí)，干擾信號(hào)將被抵消。射頻環(huán)境下，雜散電容會(huì)耦合導(dǎo)線之間的能量。同理，由于雙絞線的干擾相等、方向相反，RFI趨于抵消。以 差分形式接收雙絞線信號(hào)將增強(qiáng)“抵消”效應(yīng)。

圖3. 當(dāng)對(duì)雙絞線兩側(cè)施加相等的干擾信號(hào)時(shí)，導(dǎo)線之間的串?dāng)_被抵消。[!--empirenews.page--]

也可以利用屏蔽導(dǎo)體將雙絞線包裹起來(lái)，起到靜電屏蔽作用。屏蔽增大了雜散電容，作用相當(dāng)于低通濾波器，進(jìn)一步衰減RF干擾。導(dǎo)線的阻性和感性為串聯(lián)元件，分散電容對(duì)地形成低通濾波器。當(dāng)通信鏈路僅傳輸?shù)皖l信號(hào)時(shí)，例如電話音頻或其它窄帶信號(hào)，這一特性有助于改善傳輸效果。

利用低通濾波器降低RFI

舉例說(shuō)明，溫度測(cè)量的速度可能受限于被測(cè)對(duì)象的物理質(zhì)量。家用加熱器可能只需要每隔一、兩分鐘測(cè)量一次溫度。由于空氣、墻壁、地板和天花板的質(zhì)量比較大，溫度變化非常緩慢。所以，每秒鐘測(cè)量數(shù)百萬(wàn)次溫度對(duì)加熱器的溫度測(cè)量或溫度控制毫無(wú)意義。

我們轉(zhuǎn)向室外，室外產(chǎn)生的RFI可能進(jìn)入室內(nèi)。以我家為例，我家距離一座50,000W AM電臺(tái)大約1英里。不幸的是，電話線拾取了電臺(tái)的1.37MHz信號(hào)。信號(hào)在電話中經(jīng)過(guò)檢波，恢復(fù)出電臺(tái)的音頻信號(hào)。每每聽到這個(gè)干擾信號(hào)會(huì)讓人難以忍 受，這一干擾嚴(yán)重影響了電話的調(diào)制解調(diào)器。電臺(tái)播音室與發(fā)射機(jī)和天線相鄰，系統(tǒng)維護(hù)比較方便。按道理說(shuō)，工程師比較擅長(zhǎng)消除音頻和電話系統(tǒng)的 1.37MHz信號(hào)，于是我們通過(guò)“噪雜”的電話提出維修申請(qǐng)，并詢問(wèn)了他們使用的是什么低通濾波器。

圖4. 低通濾波器。

采用圖4非常簡(jiǎn)單的濾波器即可獲得不錯(cuò)的效果，為什么?原因在于物理學(xué)：我們希望線路上保留什么，抑制什么?本 例中，我們正常的電話信號(hào)為300Hz至3kHz，要抑制的信號(hào)是1.37MHz，頻率相差450倍。利用Nuhertz的FilterFree軟件，我 們制作了一個(gè)巴特沃斯響應(yīng)濾波器并繪制了其響應(yīng)特性(圖5)。濾波器在3kHz以下基本平坦，在1.37MHz時(shí)衰減超過(guò)135dB。135dB相當(dāng)于衰 減了560萬(wàn)倍。電臺(tái)使用了濾波器后，有效解決了這一問(wèn)題，不再干擾電話線。

圖5. 使用低通濾波器后，電話音頻通過(guò)線路，而電臺(tái)的RFI得到抑制。

利用一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波電路是否就能解決問(wèn)題?軟件工具Solve Elec是一款電路仿真器，帶有低通濾波器設(shè)計(jì)文件，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的RC濾波器。利用該RC濾波器，更改參數(shù)值，得到8kHz下的3dB衰減，頻響特性如圖6所示。

圖6. 圖中所示為簡(jiǎn)單的RC濾波器對(duì)電話線中RFI的響應(yīng)特性。

對(duì)于音頻信號(hào)，3kHz時(shí)衰減小于0.5dB，而對(duì)電臺(tái)的RFI干擾則衰減44dB，或150倍。實(shí)際上，我們也利用了電話線的電阻和電感串聯(lián)元件，只是增加了一個(gè)小的接地電容，對(duì)電臺(tái)的RFI做進(jìn)一步的衰減。

現(xiàn)在，我們重新考慮工廠的溫度測(cè)量系統(tǒng)，其中導(dǎo)線有數(shù)百英尺長(zhǎng)，相當(dāng)于一個(gè)無(wú)線電天線，因此，受RFI影響的幾率非常大。如果在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)，溫度測(cè)量數(shù)據(jù)保持一致，可以在檢測(cè)線路中串聯(lián)一個(gè)低通濾波器，以消除RFI。那么，如何通過(guò)雙絞線接收信號(hào)?當(dāng)然要采用差分信號(hào)，確保干擾信號(hào)彼此抵消，圖7所示為此類電路。

圖7. 采用MAX5426高精度電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成差分放大器，可靈活設(shè)置放大器參數(shù)。

圖7所示的電路配置也稱為儀表放大器，市場(chǎng)上可以找到多種完全集成的方案，MAX5426高精度電阻網(wǎng)絡(luò)為設(shè)計(jì)人員提供了控制放大器參數(shù)的便利條 件。高精度電阻允許以數(shù)字方式選擇差分增益：1、2、4或8，精度可選擇0.5%至0.025%。電阻的精確匹配確保獲得79dB以上的共模抑制指標(biāo)。電 路設(shè)計(jì)人員可方便選擇運(yùn)算放大器，根據(jù)具體應(yīng)用量身定制頻率響應(yīng)特性，改善前端濾波。

結(jié)論

雖然Alexander Graham Bell很早就闡述了雙絞線原理，至今我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)互聯(lián)網(wǎng)或無(wú)線電聽到Chubby Checker和“雙絞線”，如果Bell知道雙絞線、電路設(shè)計(jì)、仿真工具以及FPGA對(duì)現(xiàn)代科學(xué)貢獻(xiàn)，他一定會(huì)感到吃驚。 正確選擇雙絞線和低通濾波器，即可降低EMI和RFI，提高數(shù)據(jù)通信的可靠性。