使用绞线和其他常用电线来降低EMI/RFI

FPGA 为设计工程师的控制提供了相当大的功能和灵活性。在定制专用集成电路（ASIC）中永远不可行的相对小批量的项目变得实用。许多大批量项目在致力于定制芯片之前使用FPGA进行原型设计和尝试新功能。FPGA的优势在于复杂的数字处理，因此一些模拟信号处理受到数字噪声的限制。外部模拟增益、失调、滤波和处理可以帮助FPGA更好地服务于应用。

本文介绍如何将双绞线和低通滤波器结合起来，以产生出色的射频干扰（RFI）和电磁干扰（EMI）抑制。我们还演示了如何使用精密电阻阵列来产生可定制的差分放大器，这有助于将信号从干扰噪声中拉出并提高FPGA性能。精密电阻设置增益和共模抑制比，而我们选择频率响应。

转折的重要性

令人惊讶的是，“转折”在数据通信中变得很重要。一对或多对电线看似简单的扭曲可以减少串扰、RFI 和 EMI。

随着互联网和计算机的爆炸式增长，我们可能会认为双绞线是最近的发明。我们错了。图1是亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）1881年专利的副本。他描述了许多双绞线之间的相互作用。

图1.美国专利244，426，1881年授予亚历山大·格雷厄姆·贝尔。2

用贝尔先生的话说，

几个电路分别由两根导线（直线和返回线）组成，形成一个金属电路。当后者放置在其他电路附近时，电话和与金属电路相连的其他电气仪器中的感应干扰是由于后者对两根电线的不等感应效应引起的，因为很明显，如果直接线和返回线受到同等的影响，则其中一根线产生的电流将中和并破坏另一根线中产生的电流。通过将两根导线与干扰电流保持相同的电感关系，或者，在其他条件相同的情况下，将它们与所述电路的距离相等，可以避免干扰。3

在这些超过125年的圣人话语中，我们有了现代的差分信号原理。4 图2显示了导线A中流动的电流产生的磁场如何导致不需要的电流流入导线B。

图2.导线之间的串扰：导线 A 中流动的电流产生的磁场导致不需要的电流在导线 B 中流动。

在导线之间绘制电容器以指示杂散分布电容。随着干扰串扰频率的增加，电容耦合变得更加占主导地位。在图 3 中，我们看到了 Bell 先生描述的取消效果。当干扰信号均匀地施加到双绞线的两侧时，干扰信号被中和并被破坏。在射频下，杂散电容将在导线之间耦合能量。同样，由于双绞线中的干扰相等且相反，RFI往往会抵消。接收带差分的双绞线信号可增强抵消效果。

图 3 当干扰信号均匀地施加到双绞线的两侧时，导线之间的串扰被消除。

双绞线也可以用屏蔽导体护套包裹，作为静电屏蔽。随着射频（RF）信号的进一步衰减，屏蔽会增加杂散电容，并起到低通滤波器的作用。导线的电阻和电感是一个串联元件;接地杂散电容形成低通滤波器。当通信链路仅使用电话音频或其他窄带信号等低频时，这是一件好事。

使用低通滤波器降低RFI

例如，温度测量的速度可能受到被测物体的物理质量的限制。家庭供暖装置可能只需要每两分钟测量一次温度。由于空气、墙壁、地板和天花板的质量很大，温度变化缓慢。因此，每秒测量数百万次不会改善加热器的温度测量或温度控制。

我们搬到外面。RFI可以在住宅的外部电线上生成。这个例子是一个家，我的家，距离一个50，000W的AM广播电台大约一英里。不幸的是，电话线以1.37MHz的频率拾取电台，信号在电话中被整流，在电话线上再现电台的音频。这听起来很烦人，并且无法使用电话调制解调器。该电台的演播室毗邻发射器和天线，因此修复很简单。根据定义，工程师是消除音频和电话系统中1.37MHz的专家。所以我们用“嘈杂”的电话给他们打电话，问他们用什么低通滤波器。

图4.低通滤波器原理图。

为什么图 4 这样简单的筛选器工作得如此之好？秘密在于物理学：我们想保留什么，我们想在线条中拒绝什么？在这种情况下，我们想要的电话音频是300Hz到3kHz，不需要的信号是1.37MHz。频率之间的差异是超过450的比率。使用Nuhertz®的FilterFree5我们制作了一个巴特沃兹响应过滤器并绘制了其响应图（图 5）。滤波器基本上平坦至3kHz，在1.37MHz时>135dB。135dB是560万倍的衰减。当广播电台插入过滤器时，他们解决了问题，不再干扰电话线。

图5.使用低通滤波器，电话音频通过线路，同时无线电台的RFI被拒绝。

更简单的过滤器也可以工作吗？一个共享软件工具，解决电子，6是一个带有“低通滤波器.eln”的电路仿真器，这是一个单独的RC滤波器。使用该RC滤波器并更改值以提供8kHz -3dB点，得到图6的响应。

图6.此处示例中电话线路上 RFI 的简单 RC 滤波器响应。

3kHz的电话音频下降不到0.5dB，但广播电台的RFI下降约44dB，或衰减的150倍以上。事实上，我们也可以使用电话线的电阻和电感作为串联元件，只需在地上添加一个小电容器，以进一步降低无线电台RFI。

现在考虑一个工厂温度测量系统，其中电线长达数百英尺，可以充当无线电天线。这里有更多 RFI 的机会。如果所需温度测量的速度在规定的时间段内保持一致，则添加与检测线串联的低通滤波器将消除RFI。我们应该如何接收双绞线上的信号？当然，差分是为了确保不需要的信号确实相互抵消。图7显示了这样的电路。

图7.采用MAX5426精密电阻网络的差分放大器为设计人员提供了具有放大器特性的选择。

图7所示的电路结构也称为仪表放大器。虽然许多完全集成的电路都与运算放大器一起封装，但MAX5426精密电阻阵列为设计人员提供了对放大器特性的独特控制。精密电阻允许数字选择1、2、4或8的差分增益，精度范围为0.5%至0.025%。精密电阻匹配可实现超过 79dB 的出色共模抑制。运算放大器由电路设计人员选择，可根据应用定制频率响应。因此，可以增强前端滤波。

结论

我们仍然可以通过互联网或电波收听Chubby Checker和“The Twist”。尽管亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）很久以前就了解双绞线的原理，但他会惊叹于现代科学可以用这些双绞线、电路设计、仿真工具和FPGA做什么。只需恰到好处地扭线和低通滤波器，即可降低 EMI 和 RFI，并使数据通信更加可靠。

审核编辑：郭婷