信號(hào)準(zhǔn)平衡傳輸?shù)脑砼c應(yīng)用

摘 要：本文介紹一種既能抗干擾又比較方便實(shí)施的“準(zhǔn)平衡傳輸”的電路原理以及在應(yīng)用上的注意事項(xiàng)，同時(shí)應(yīng)用這個(gè)原理對(duì)光電隔離信號(hào)傳輸電路進(jìn)行了合理優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：信號(hào)傳輸;抗干擾;平衡傳輸;地電位;屏蔽

1、前言

在電子電路的信號(hào)傳輸方面， 抗干擾始終是個(gè)重要的課題。在電子設(shè)備內(nèi)部，無(wú)論是板內(nèi)還是板間的信號(hào)傳輸，都存在地電位差問(wèn)題和信號(hào)線受到內(nèi)部輻射和耦合干擾的問(wèn)題。為了解決這些干擾問(wèn)題，常用到隔離、屏蔽、合理接地和平衡傳輸?shù)燃夹g(shù)手段。

平衡傳輸方式中，需要先把待傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩路相位相反的信號(hào)并進(jìn)行阻抗匹配后再用平衡傳輸雙線送出去，在目的端把兩路信號(hào)先用運(yùn)放跟隨器做緩沖，最后再接入平衡——不平衡轉(zhuǎn)換電路。這樣的傳輸方式雖然效果好，但是電路形式還是比較繁瑣的。有一種符合平衡傳輸原則，但電路形式更簡(jiǎn)潔的信號(hào)傳輸方式在許多工業(yè)控制場(chǎng)合應(yīng)用且效果良好，姑且稱之為“準(zhǔn)平衡傳輸”方式，本文的后續(xù)部分將詳細(xì)介紹。

用光電隔離加屏蔽的信號(hào)傳輸方式，可以有效消除地電位干擾和耦合輻射干擾。但是在實(shí)踐中，很容易因接地不正確而使抗干擾愿望落空。本文也介紹正確的接地方法和優(yōu)化的連接方案。

2、平衡傳輸和“準(zhǔn)平衡傳輸”

上圖的上半部分是音頻信號(hào)平衡傳輸?shù)逆溌穲D，傳輸電纜是帶屏蔽層的雙絞線。下半部分是簡(jiǎn)潔得多的準(zhǔn)平衡傳輸?shù)逆溌?，可以僅用貼地走線的無(wú)屏蔽雙絞線或在PCB板上布出來(lái)的緊靠雙線來(lái)傳輸信號(hào)，就能得到很接近平衡傳輸?shù)目垢蓴_效果。

2.1 平衡傳輸?shù)募夹g(shù)要點(diǎn)

平衡傳輸?shù)姆绞侥軌蛴锌垢蓴_的效果，概括起來(lái)其技術(shù)要點(diǎn)如下：

2.1.1? 兩條信號(hào)線的空間結(jié)構(gòu)對(duì)稱

兩條信號(hào)線雙絞起來(lái)，使兩條信號(hào)線隨著雙絞的延伸而輪流出現(xiàn)在上下前后左右等所有方向的外側(cè)，因此兩條信號(hào)線對(duì)來(lái)自所有方向的耦合與輻射干擾具有相同的機(jī)會(huì)。這樣才能保證兩條信號(hào)線上所接收到的干擾信號(hào)是具有嚴(yán)格同頻同相同幅度的共模性質(zhì)，有利于用差分電路去除。

2.1.2 兩條信號(hào)線端點(diǎn)的對(duì)地阻抗相同

從高頻角度來(lái)看，每條線都是噪聲接收天線，其端點(diǎn)所接收的信號(hào)電壓大小和相位與該端點(diǎn)的對(duì)地阻抗有關(guān)。通常端點(diǎn)對(duì)地阻抗越大，接收的噪聲電壓越高。因此，只有當(dāng)兩條信號(hào)線的端點(diǎn)對(duì)地阻抗也相同的情況下，才能保證兩條線所接收到的噪聲信號(hào)電壓同頻同相同幅度。

2.1.3 接收電路具有差模通過(guò)共模抑制的特性

平衡傳輸?shù)挠杏眯盘?hào)是兩條線之間的電壓差，即差模信號(hào)。當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)竭_(dá)目的地后，只要兩條線在傳輸路途中所收到的干擾信號(hào)是同頻同相同幅度的共模信號(hào)，那么使用具有共模抑制功能的差分電路來(lái)接收，就能達(dá)到理想的抗干擾效果。

2.2? “準(zhǔn)平衡傳輸”與平衡傳輸?shù)募夹g(shù)要點(diǎn)比較

“準(zhǔn)平衡傳輸”雖然電路形式比平衡傳輸簡(jiǎn)潔得多，但還是基本上具備上述平衡傳輸?shù)娜蠹夹g(shù)要點(diǎn)的：

2.2.1 “準(zhǔn)平衡傳輸”的信號(hào)雙線空間對(duì)稱性

“準(zhǔn)平衡傳輸”常常用布在PCB板上緊靠在一起的兩條細(xì)線來(lái)傳輸信號(hào)，兩條細(xì)線無(wú)論走直線還是轉(zhuǎn)彎過(guò)角都是緊靠著一起走的，即使需要跨板傳輸，也是連接著線排中兩條靠在一起的線，這樣一直緊靠著走到接收電路的入口處。因此，雖然傳輸雙線沒(méi)有雙絞，但是對(duì)于干擾源距離遠(yuǎn)大于雙線距離的情況，雙線所接收的干擾信號(hào)也很近似為嚴(yán)格的共模信號(hào)，可以在接收端被很好地消除。

2.2.2 “準(zhǔn)平衡傳輸”信號(hào)雙線的端點(diǎn)對(duì)地阻抗

圖1中，“準(zhǔn)平衡傳輸”的端點(diǎn)有發(fā)送端點(diǎn)A、B和接收端點(diǎn)C、D。

A和B是“準(zhǔn)平衡傳輸”信號(hào)雙線的起點(diǎn)，其中B點(diǎn)是直接接地的。所以B點(diǎn)對(duì)地阻抗是零。A點(diǎn)是運(yùn)放的輸出端點(diǎn)，其輸出阻抗也是極小的，很接近零，所以端點(diǎn)A、B的對(duì)地阻抗很接近相等。

C和D是接收端的端點(diǎn)，如圖所示，兩個(gè)端點(diǎn)的對(duì)地阻抗都是2R，是嚴(yán)格相等的。

2.2.3 “準(zhǔn)平衡傳輸”的接收電路特性

如圖1所示，“準(zhǔn)平衡傳輸”的接收電路是具有共模抑制能力的差分電路，能有效消除共模干擾信號(hào)。

綜上所述，“準(zhǔn)平衡傳輸”雖然電路比較簡(jiǎn)單，但是其技術(shù)特征是非常接近嚴(yán)格的平衡傳輸所具有的技術(shù)要點(diǎn)的，所以在實(shí)際應(yīng)用中往往能收到很好的抗干擾效果。

2.3 “準(zhǔn)平衡傳輸”在具體應(yīng)用中需要特別注意的事項(xiàng)

“準(zhǔn)平衡傳輸”方式中的信號(hào)雙線在實(shí)踐中是因地制宜的，可以是雙絞線、PCB板上的緊靠細(xì)線和跨板的排線等等，所以也經(jīng)常容易犯一些錯(cuò)誤，特別需要注意的事項(xiàng)如下：

2.3.1 發(fā)送端雙線的起點(diǎn)A、B一定要是運(yùn)放的輸出端點(diǎn)和靠得最近的接地點(diǎn)。

信號(hào)雙線是從起點(diǎn)就要求對(duì)稱走線的，因?yàn)樾盘?hào)只有在起點(diǎn)處才是干凈無(wú)干擾的，如果信號(hào)從遠(yuǎn)離起點(diǎn)處才開(kāi)始講究對(duì)稱走線，就等于先讓干擾信號(hào)進(jìn)來(lái)了。起點(diǎn)處的接地點(diǎn)B最好就是輸出運(yùn)放集成電路的電源地引腳。

2.3.2 傳輸雙線的任何一條線，都不能在到達(dá)接收端之前與任何電路有連接點(diǎn)，否則會(huì)破壞雙線的空間對(duì)稱性和對(duì)地阻抗的同一性，使抗干擾的設(shè)想落空。

2.3.3 接收電路的PCB布線要緊湊，所有元件和連接線最好集中在一個(gè)小區(qū)域，勿使元器件過(guò)于分散、連接線過(guò)長(zhǎng)，否則容易引入額外的干擾。

3、光電隔離傳輸電路的接地與電路優(yōu)化

工程應(yīng)用中，經(jīng)常用光電隔離器件來(lái)規(guī)避地電位差和共模干擾信號(hào)的影響。這是需要正確的接地才能實(shí)現(xiàn)的。光耦器件與變壓器類似，是兼具差模放大與共模抑制能力的，所以應(yīng)用光耦的信號(hào)傳輸電路可以利用本文前述的“準(zhǔn)平衡傳輸”原理來(lái)做優(yōu)化。分述如下：

3.1 光電隔離電路的正確接地方式

圖2中，（a）、（b）兩種情況分別是當(dāng)光耦位于發(fā)送側(cè)和接收側(cè)時(shí)，正確的接地方式。兩者的共同點(diǎn)是，光耦的發(fā)射二極管負(fù)極只能接發(fā)送側(cè)的地，而光耦三極管發(fā)射極只能接接收側(cè)的地，收發(fā)兩側(cè)的地電位差就會(huì)串入發(fā)送回路或接收回路，使光耦的隔離作用完全消失。

3.2 光電隔離電路的優(yōu)化方案

圖2的光電隔離信號(hào)傳輸電路，可以根據(jù)“準(zhǔn)平衡傳輸”的基本原理進(jìn)行優(yōu)化，并可省去傳輸電纜的屏蔽層，內(nèi)部雙線使用雙絞線并貼地（機(jī)架）走線即可，如圖3：

圖3中，傳輸?shù)男盘?hào)雙線采用雙絞線，空間結(jié)構(gòu)對(duì)稱;發(fā)送側(cè)兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)地阻抗都是r/2;接收側(cè)的兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)地都是開(kāi)路;接收的光耦器件只對(duì)輸入的差模信號(hào)有輸出，對(duì)共模信號(hào)無(wú)輸出。因此，圖3的電路完全符合“準(zhǔn)平衡傳輸”方式的技術(shù)特征，可以獲得比較滿意的抗干擾效果。

作者簡(jiǎn)介：

何連成（1965-）男，漢族，籍貫：福建廈門， 本科學(xué)歷，電子專業(yè)高級(jí)工程師，廈門廣電集團(tuán)首席工程師， 主要研究方向：中波廣播發(fā)射、自動(dòng)化控制。