了解共模信號

要了解共模信號是如何產(chǎn)生然后抑制的，您應(yīng)該首先了解常見電纜配置中屏蔽和接地的相互作用。以下討論定義了共模信號，回顧了常見的電纜配置，考慮了屏蔽電纜與非屏蔽電纜，并描述了典型的接地實踐。本文討論了產(chǎn)生和抑制共模信號的方法。

本討論的主要重點(diǎn)是RS-485/RS-422電纜和信號，但討論也適用于電話、音頻、視頻和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號。

共模信號定義

當(dāng)以本地共?；虻貫閰⒖紩r，共模信號出現(xiàn)在 2 芯電纜的兩條線上，同相且幅度相等。顯然，如果其中一條線路連接到本地公共，則不存在共模信號。從技術(shù)上講，共模電壓是從平衡電路的每個導(dǎo)體到本地接地或公共電壓的矢量和的一半。此類信號可能來自以下一個或多個來源：

輻射信號均勻耦合到兩條線路，

驅(qū)動器電路中產(chǎn)生的公共信號偏移，或

發(fā)射和接收位置之間的接地差分。

有關(guān)這些基本條件的更多詳細(xì)信息將在后面的部分中顯示。然而，在檢查這些細(xì)節(jié)之前，了解不同的電纜配置、信號接地約定和屏蔽接地實踐是很有用的。

通用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

任何數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主要目的是將數(shù)據(jù)從一個位置發(fā)送到另一個位置，無論是在單個盒子或外殼內(nèi)，在外殼內(nèi)的盒子之間，建筑物或定義區(qū)域內(nèi)的外殼之間，還是建筑物之間。圖1顯示了RS-485信令情況，其中建筑物由不同的電源電路供電。

圖1.這個通用系統(tǒng)在兩個相距很遠(yuǎn)的建筑物之間傳輸數(shù)據(jù)，并顯示單相配電系統(tǒng)中接地點(diǎn)之間產(chǎn)生的地電流。在 3 相 Y 連接系統(tǒng)中會產(chǎn)生類似的電流。

將電力線用戶的中性線連接到電源入口點(diǎn)沉入地下的接地棒上，將電力線中性線建立為安全接地。從那時起，裸露或綠色絕緣電線將安全接地參考連接到整個場所的所有電源插座和已安裝的設(shè)備。工業(yè)機(jī)箱框架粘合到機(jī)箱電源輸入點(diǎn)的安全接地，在那里它成為框架接地。

電路公共點(diǎn)通常在一個或多個點(diǎn)連接到機(jī)箱，但每個機(jī)箱最好有一個接地點(diǎn)。在某些情況下，公共電路可能與幀接地隔離。從機(jī)器繞組到外殼的安全接地線中流動的漏電流，或者更常見的是，由于配電系統(tǒng)中的交流初級或次級中性電流而在接地之間流動的漏電流，可能會在中性線和框架接地之間產(chǎn)生電位差。

接地差分可以從幾伏到幾十伏不等。最大的差分出現(xiàn)在單相或三相Y配電系統(tǒng)中，其中在大地中流動的中性電流部分可以是在初級電路中流動的總中性電流的3%至10%。接地點(diǎn)之間的電壓測量值通常為 70.0V有效值至 5V有效值，并且（很少）高達(dá) 65V有效值在相距甚遠(yuǎn)的場地之間。

電纜和噪聲

噪聲信號可能由于以下幾個原因出現(xiàn)在電纜中：附近電場的電容耦合（E）;局部磁場的電感耦合（M）;空間（EM）中無線電信號的電磁耦合;以及通過有意或潛行的電路路徑 （C） 傳導(dǎo)。耦合信號顯示為與線路串聯(lián)的附加信號（圖2）。表 2 列出了電纜中潛在噪聲源的類型和來源。雙絞線截獲耦合信號的方式相等，因此入射信號僅顯示為共模信號。如果從每條線路連接到本地公共的阻抗相同，則雙絞線稱為平衡線。

圖2.這些傳輸電纜配置顯示了可能的噪聲源的位置。

電路和屏蔽接地

帶接地回路的單線：信號公共線在源頭接地，并通過接地（幀）返回路徑加載。電路公地還必須連接到接地（框架）接地。

單線屏蔽：信號電流始終在屏蔽上傳輸，因此在源極和負(fù)載處必須存在與公共電路的連接。表 3 列出了各種條件下的屏蔽接地連接。

兩線并聯(lián)：每根導(dǎo)體承載等量的信號電流，但方向相反。表4列出了各種條件下的線路接地連接。

非屏蔽雙絞線：任何驅(qū)動或接收電路都可能包括與本地公共或幀接地的連接，但將傳輸線本身連接到幀接地是不必要的，也是不可取的。差?；蚱胶庑盘栐矗ㄈ绶瞧帘蜶S-422和RS-485數(shù)據(jù)傳輸電路）將數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)皆春拓?fù)載電路均以本地接地或公共為參考的遠(yuǎn)程位置。變壓器耦合應(yīng)用包括 10/100 Base-T 以太網(wǎng)電纜。

屏蔽雙絞線：將任何屏蔽對分流器的屏蔽接地，以接地屏蔽攔截的任何不需要的信號或噪聲。典型的屏蔽材料（銅和鋁）將內(nèi)部導(dǎo)體屏蔽為電容或電磁耦合的信號，但不能屏蔽電感耦合的信號。

對于任何攜帶平衡信號的屏蔽對，應(yīng)將屏蔽的一端（通常是接收端）接地。如果發(fā)射位置接地攜帶的噪聲信號與接收位置的噪聲信號不同，則兩端的屏蔽接地會導(dǎo)致電流沿屏蔽層流動。如果兩個接地位置之間沒有實質(zhì)性的電位差，則兩端的接地是可以接受的。此配置包括屏蔽RS-422和RS-485數(shù)據(jù)傳輸電路。RS-485應(yīng)用指南規(guī)定將屏蔽層直接或通過電纜屏蔽層一端或兩端的易熔電阻器接地。

信號模式定義

電纜上攜帶的電信號可描述為普通模式、差?；蚬材?。

普通模式信號是出現(xiàn)在一對導(dǎo)線之間或參考（或通過）接地、機(jī)箱或屏蔽的單根導(dǎo)線上的任何類型（共模除外）。正常模式信號在平衡或非平衡傳輸路徑中的兩根導(dǎo)線之間讀取。（對于平衡的2線路徑，一根導(dǎo)線被驅(qū)動為正，而另一根導(dǎo)線被等量驅(qū)動負(fù)，這兩者都是靜態(tài)或無信號條件，其中兩條線相對于電路公共電路承擔(dān)相同的電壓電平。

差模信號以差分方式出現(xiàn)在非接地電纜配置中的一對電線上。

共模信號在未接地、屏蔽或本地共模的 2 線電纜的兩條線上同樣出現(xiàn)（相對于本地電路共模）。通常，但并非總是如此，這是一個不需要的信號，應(yīng)該被接收電路拒絕。共模電壓 （V厘米） 在數(shù)學(xué)上表示為兩個信號電壓相對于本地接地或公共電壓的平均值：

圖3顯示了3V差模信號與2.5V共模信號的耦合。直流失調(diào)是采用單電源工作的差模數(shù)據(jù)發(fā)送器的典型值。共模電壓可以是交流、直流或交流和直流的組合。（圖3表示最簡單的情況，即沒有交流元件的直流共模電壓。

圖3.典型的RS-485發(fā)送器產(chǎn)生共模直流失調(diào)電壓，如圖所示。

當(dāng)電纜較長時（RS-485數(shù)據(jù)電纜可以是），原始信號的公共或接地可能與接收位置的電勢不同。RS-485規(guī)范規(guī)定將公共驅(qū)動電路直接或通過100Ω電阻連接到幀地。結(jié)果如圖 4 所示。

圖4.三種共模信號（e廣東， e立法會和 E操作系統(tǒng)） 可以存在于 2 線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。

共模信號可以假設(shè)共模電壓等于地電位差、驅(qū)動器失調(diào)電壓以及沿發(fā)射器和接收器之間的信號路徑產(chǎn)生的任何縱向耦合噪聲電壓的矢量和：

共模信號的起源

圖4所示的三個共模電壓源為e廣東， e立法會和 E操作系統(tǒng):

E操作系統(tǒng)通常是采用單電源供電的差模驅(qū)動器引入的直流失調(diào)，如圖3所示。

e廣東是表示發(fā)射和接收位置接地電位差的噪聲信號。它通常是包含電力線頻率的基波和可能的幾個諧波的交流信號。

e立法會是一種縱向耦合噪聲信號，由于來自外來源的電容、電磁或電感耦合，在兩條傳輸線上均等地發(fā)生。

最小化共模信號

E操作系統(tǒng)通過采用平衡電源操作差模驅(qū)動器，可以做得非常小，甚至為零。相比之下，e廣東只有通過在發(fā)射和接收位置之間保持相對較短的距離，才能最小化。e立法會通過使用屏蔽雙絞線可以最小化：電纜內(nèi)引入的噪聲在兩根緊密絞線中的每一根上均等地產(chǎn)生。否則，由于線路相對于干擾場的不對稱性，將出現(xiàn)正常模式信號。

負(fù)載也必須對稱;雙絞線兩條線上的阻性和容性負(fù)載阻抗必須匹配。電感耦合信號只能通過使用磁屏蔽來防止。（請注意，任何承載信號電流的導(dǎo)線都是磁輻射源。

抑制共模信號

共模信號（V厘米） 必須在接收電路中被拒絕。當(dāng)接收電路是無源的（耳機(jī)或揚(yáng)聲器）、變壓器耦合、隔離和電池供電，或者沒有以任何方式參考發(fā)射電路公共（電容或電阻連接）時，這種抑制很容易實現(xiàn)。這里提到的配置本質(zhì)上不受共模信號的影響，但以發(fā)射電路為基準(zhǔn)的接收電路必須設(shè)計為接受全范圍的V。厘米呈現(xiàn)給他們。所有這些設(shè)計都涉及具有高共模抑制（CMR）的差分接收器。如果 V厘米振幅相對較低，單獨(dú)使用高 CMR 接收器可能就足夠了。

高CMR接收器的工作原理

所有高CMR接收器要么采用某種形式的差分對，要么采用由三個放大器組成的傳統(tǒng)儀表放大器，如圖5所示。每個放大器在存在有限共模電壓的情況下接受差分輸入，可接受的V厘米限制在略低于電源電壓。這種電路可以處理模擬和數(shù)字信號。

圖5.這些差分放大器電路具有高共模抑制。

如果 V厘米是超出接收器的共模范圍。大多數(shù)此類電路采用變壓器耦合隔離電源，以及以下任一電源：

光耦合電路

電容耦合差分電路

電感耦合電路

電阻耦合差分電路

圖6所示的所有技術(shù)都可以在存在高V值的情況下將信號耦合到隔離柵上厘米.每個都取決于隔離電源的使用，該電源通常是變壓器耦合的。隔離電壓限值由變壓器和所選隔離類型決定。使用變壓器、光學(xué)和電容耦合技術(shù)可實現(xiàn) 2500V 或更高的隔離;阻性耦合通常限制在50V至100V范圍內(nèi)。

圖6.所示的隔離技術(shù)和典型元件可實現(xiàn)高共模信號抑制。

阻性耦合涉及通過阻性衰減器傳輸數(shù)據(jù)，阻性衰減器會衰減數(shù)據(jù)和共模信號。因此，阻性隔離受V分?jǐn)?shù)的限制厘米這可以通過接收電路容納，同時可靠地檢測原始數(shù)據(jù)信號的一小部分。

在圖6中，各種隔離驅(qū)動器以不同的方式處理隔離電源的要求。當(dāng)今的電感耦合器件不提供電源，因此需要外部隔離電源。一些電容耦合器件包括變壓器驅(qū)動器，但它們需要外部變壓器。Maxim的MAX3157和MAX3250驅(qū)動器包含隔離電源，需要外部、扁平、陶瓷電荷泵電容。然而，MAX1480和MAX1480E系列的成員包含完全隔離的電源，包括變壓器。

因此，一旦知道入侵共模信號的來源和幅度，您就可以智能地選擇電纜類型和隔離技術(shù)。您只需測量或計算干擾信號的幅度，然后選擇滿足系統(tǒng)整體要求的組件。

審核編輯：郭婷