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作者：Maxim Integrated Products戰略應用工程師 Bill Laumeister 摘要：Alexander Graham Bell早在1881年就申請了雙絞線專利，而至今我們仍在使用雙絞線，原因在于它帶給我們了諸多便利。另外，隨著器件功能的逐步增強，雙絞線通信的應用也越來越普遍；借助可免費獲取的電路仿真、濾波器設計軟件，我們可以充分發揮雙絞線與低通濾波器相組合的優勢，抑制射頻干擾(RFI)和電磁干擾(EMI)。我們也在本文介紹了利用高精度電阻排實現定制差分放大器的方法。在我們選擇頻響特性時，高精度電阻可以設置增益和共模抑制比。 引言 “The Twist”指雙絞線，Alexander Graham Bell于1881年申請該項專利。而該項技術一直沿用到今天，原因是它提供了諸多便利。此外，隨著現場可編程門陣列(FPGA)器件處理能力的逐漸強大，結合電路仿真及濾波器設計軟件，使得雙絞線在數據通信領域的應用也越來越普遍。 FPGA為設計工程師提供了強大、靈活的控制能力，特別是那些無法獲取專用集成電路(ASIC)的小批量設計項目，可以利用FPGA實現設計；許多大批量生產的產品，在項目設計初期也利用FPGA進行原型開發，并定制芯片之前對新功能進行測試。FPGA的強大之處在于復雜的數字處理功能，而一些模擬信號則會受限于數字噪聲的干擾。需要外部提供模擬放大，以及失調、濾波和信號處理，確保FPGA滿足系統的整體需求。 本文討論了如何將雙絞線與低通濾波器相結合，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計定制化差分放大器，消除信號干擾并改善FPGA系統的性能。在我們選擇頻響特性時，利用高精度電阻設置增益和共模抑制比。 雙絞線的重要性 雙絞線對數據通信有著重大意義，能夠大幅降低串擾、RFI和EMI。 互聯網和計算機的普及帶動了雙絞線應用的普及，許多人誤以為雙絞線是項新發明，實際情況并非如此。圖1所示是Alexander Graham Bell早在1881年就已申請的專利副本，他描述了多對雙絞線之間的相互影響。 
圖1. Alexander Graham Bell于1881年獲得美國專利244,426 Bell先生指出：多個電路通過兩條線連接——一條直通線和一條返回線，構成一個金屬線導電回路。當金屬線導電回路置于其它電路附近時，如果周邊電路在兩條線上感應信號不同，則金屬線所連接的電話及其它電氣設備就會感應干擾信號；顯而易見，如果在直通線和返回線上產生相同影響，則其中一條導線產生的電流將抵消另一條導線產生的電流。如果兩條導線與干擾電流的感應關系相同，或將兩條導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。 這些經過125年歷史驗證的真理，為現代的差分信號原理奠定了基礎。圖2所示，導線A的電流所產生的磁場會在導線B中產生所不期望的電流。
圖2. 導線之間的串擾：導線A中電流所產生的磁場在導線B產生所不期望的電流。 圖中導線之間的電容表示雜散分布電容，當增大串擾信號的頻率時，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。當在雙絞線兩側施加相等的干擾信號時，干擾信號將被抵消。射頻環境下，雜散電容會耦合導線之間的能量。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將增強“抵消”效應。
圖3. 當對雙絞線兩側施加相等的干擾信號時，導線之間的串擾被抵消。 也可以利用屏蔽導體將雙絞線包裹起來，起到靜電屏蔽作用。屏蔽增大了雜散電容，作用相當于低通濾波器，進一步衰減RF干擾。導線的阻性和感性為串聯元件，分散電容對地形成低通濾波器。當通信鏈路僅傳輸低頻信號時，例如電話音頻或其它窄帶信號，這一特性有助于改善傳輸效果。 利用低通濾波器降低RFI 舉例說明，溫度測量的速度可能受限于被測對象的物理質量。家用加熱器可能只需要每隔一、兩分鐘測量一次溫度。由于空氣、墻壁、地板和天花板的質量比較大，溫度變化非常緩慢。所以，每秒鐘測量數百萬次溫度對加熱器的溫度測量或溫度控制毫無意義。 我們轉向室外，室外產生的RFI可能進入室內。以我家為例，我家距離一座50,000W AM電臺大約1英里。不幸的是，電話線拾取了電臺的1.37MHz信號。信號在電話中經過檢波，恢復出電臺的音頻信號。每每聽到這個干擾信號會讓人難以忍受，這一干擾嚴重影響了電話的調制解調器。電臺播音室與發射機和天線相鄰，系統維護比較方便。按道理說，工程師比較擅長消除音頻和電話系統的1.37MHz信號，于是我們通過“噪雜”的電話提出維修申請，并詢問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非常簡單的濾波器即可獲得不錯的效果，為什么？原因在于物理學：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為300Hz至3kHz，要抑制的信號是1.37MHz，頻率相差450倍。利用Nuhertz的FilterFree軟件，我們制作了一個巴特沃斯響應濾波器并繪制了其響應特性(圖5)。濾波器在3kHz以下基本平坦，在1.37MHz時衰減超過135dB。135dB相當于衰減了560萬倍。電臺使用了濾波器后，有效解決了這一問題，不再干擾電話線。
圖5. 使用低通濾波器后，電話音頻通過線路，而電臺的RFI得到抑制。 利用一個簡單的濾波電路是否就能解決問題？軟件工具Solve Elec是一款電路仿真器，帶有低通濾波器設計文件，這是一個簡單的RC濾波器。利用該RC濾波器，更改參數值，得到8kHz下的3dB衰減，頻響特性如圖6所示。
圖6. 圖中所示為簡單的RC濾波器對電話線中RFI的響應特性。 對于音頻信號，3kHz時衰減小于0.5dB，而對電臺的RFI干擾則衰減44dB，或150倍。實際上，我們也利用了電話線的電阻和電感串聯元件，只是增加了一個小的接地電容，對電臺的RFI做進一步的衰減。 現在，我們重新考慮工廠的溫度測量系統，其中導線有數百英尺長，相當于一個無線電天線，因此，受RFI影響的幾率非常大。如果在規定的時間周期內，溫度測量數據保持一致，可以在檢測線路中串聯一個低通濾波器，以消除RFI。那么，如何通過雙絞線接收信號？當然要采用差分信號，確保干擾信號彼此抵消，圖7所示為此類電路。
圖7. 采用MAX5426高精度電阻網絡構成差分放大器，可靈活設置放大器參數。 圖7所示的電路配置也稱為儀表放大器，市場上可以找到多種完全集成的方案，MAX5426高精度電阻網絡為設計人員提供了控制放大器參數的便利條件。高精度電阻允許以數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。電路設計人員可方便選擇運算放大器，根據具體應用量身定制頻率響應特性，改善前端濾波。 結論 雖然Alexander Graham Bell很早就闡述了雙絞線原理，至今我們仍然可以通過互聯網或無線電聽到Chubby Checker和“雙絞線”，如果Bell知道雙絞線、電路設計、仿真工具以及FPGA對現代科學貢獻，他一定會感到吃驚。 正確選擇雙絞線和低通濾波器，即可降低EMI和RFI，提高數據通信的可靠性。 |
