信号通信器件及电路设计 [分享]

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信号通信器件及电路设计

　1.4.1　最好使用非金属导线通信
　　金属电缆通信有许多EMC问题。从EMC方面考虑，最佳通信方式是红外线（如IRDA）或光纤，只要发射机噪声不是很大且接收机有一定的抗扰性（目前金属外壳屏蔽的种类很多）就不会发生问题。
　　使用不含金属的光纤时，经常可以直接将光纤穿过屏蔽体连接到内部PCB板或电路模块上，而不会破坏屏蔽体的屏蔽效能；然而，金属电缆则必须在穿过屏蔽体的地方进行滤波和/或屏蔽搭接。

　1.4.2　金属导线通信技术
　　单端信号通信技术在发射和抗扰度方面的EMC性能都很差，因此仅限于在低频、低数据传输率和短距离场合应用。只要保持PCB所有轨线下的地线面的完整性，同时不通过任何连接器或电缆，这种通信方式就不会有不良影响。因此单一PCB 产品往往是成本最低的。
　　为了获取优质完整信号和EMC特性，高频或远程（有时甚至在线路板上 ）信号需用平衡信号来发送和接收，这将在本节着重讨论。
　　图8是一个优劣对比的例子，该实例中传感器输出的毫伏级信号通过电缆连接到一个放大器上。在第一种连接中，将电缆屏蔽层和零电压点连接起来是不好的，这里使用的“小辫”连接方式也不好，另外电缆屏蔽层仅一端接地同样是不可取的。在宽阔或工业场地中，当电缆屏蔽层两端接地时，会有电缆屏蔽层发热的问题，要解决这个问题应采用在平行地导体（PEC）上铺设通信电缆以使两端等电位的方法，而不能采用将屏蔽层一端悬浮起来的方法来解决。这个PEC可以是接地网状的金属件、电缆管或专门为此目的而铺设的较粗的标准电缆。对电缆铺设方面的EMC技术的进一步讨论超出了本节范围，但IEC61000-5-2是很有用的参考资料。


图8　通信中的正确与错误连接

　　对于低频信号（1MHz以下）通信中，出于抗扰度的考虑，采用较高电压是有好处的，但对于10MHz以上的频率，这将引起较强发射，因此应采用较低的电压（例如用于ECL和LVD芯片的电压）。
　　传输线技术对高速模拟或数字信号是必要的，这取决于连接线长度和通信的最高频率（见第5章）。即使是低频信号，在其内部连接采用传输线技术，也将使其抗扰度大大提高。
　　平衡驱动/接收电路在减少发射和改善抗扰度上更为有效，RS485是平衡通信的一个例子。最重要的一点是在整个频率范围内达到良好的平衡输入/输出。使用平衡输入/输出接收/驱动芯片是最基本的方法，但也可用隔离变压器，这还可增加共模抗扰度。
　　为获得最佳的发射和抗扰度性能，采用平衡结构的双绞线或屏蔽双绞电缆是必要的。双绞线中的微小差异（即使是标识绝缘材料的颜料的介电常数）也是相当重要的。
　　平衡是非常重要的，因此在高性能电路中，即使PCB布局本身也要处于物理平衡（镜像）状态，同时务必将平衡线布置在线路板的同一层。平衡所获得的效果用共模抑制比（CMPR）来度量。
　　当用变压器获得电隔离时，其绕组间电容限制了高频时的CMRR。为了在所关心的整个频带内获得连续的良好共模抑制性能，要串联一个共模扼流圈。共模扼流圈一定要贴近电缆或连接器。即使采用平衡输入/输出芯片，其CMRR在较高频率也会降低，因此也需要共模扼流圈。图9说明了这两个例子，这两种方法对任意速率或频带的数字及模拟通信都能改善发射和抗扰度。图10表明如何选择变压器及共模扼流圈，以使所关心的整个频带都具有良好的CMPR。



图9 性能良好的高速电路实例



图10 选择磁性器件使全频段内有较高的CMRR

　　对于专业的音频通信网络，信号频率延伸到20Hz或更低，因此隔离变压器需要做得很大，其绕组间巨大的寄生电容使CMPR在1MHz以就下降至0，因此需要更大的共模扼流圈，以保证在100kHz以下的仍有一定的CMRR。很难找到一个在整个频段内都能提供理想的CMPR的共模扼流圈， 因此要解决整个频段内的共模抑制问题可能需要将两个以上的共模扼流圈串联起来。
　　当使用同轴电缆而不用双绞线或屏蔽双绞线时，若EMC和信号完整性受到破坏，图11中所使用的技术将有助于获得最大的改善。



图11 一些性能较低的通信电路

　　很多通信仍是低频或低速率的，其信号并非很容易引起发射或受到干扰（例如，进出8位模数转换器的模拟信号就没有12位转换器敏感，事实上16位和更高位的转换器会更敏感）这样的信号经常在多芯电缆中以单根导线传送以节省成本，如图12示（RS232应用的一个例子）。
　　这里一根电缆有N股芯线，最好在电缆每一端通过有N个绕组的共模扼流圈连到电路上，图12表明了一8芯电缆上使用的7绕组共模扼流圈，因为一根芯线按RS232标准连到机壳地。
RS232仅适于短程通信，因为其单端信号在以发射方式辐射能量时，其完整性很快受损。因此，尽管图12（图11底部电路也如是）看似很简单，但单端信号的使用需要注意共模抑制和/或电缆和/或连接器的质量，（电缆、连接器种类和质量在第二章讨论）。
　　使用具有很慢输出沿的驱动信号

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