信号电路用屏蔽电缆（第 1 部分）
这组两篇博客着眼于在信号电路中使用屏蔽（也称为屏蔽）电缆。我的 EMC 博客中提到了这个主题，我承诺会更详细地重新访问它。
稍后的博客将讨论推荐用于将交流 VSD 连接到其电机的屏蔽电源线。在这两种情况下，屏蔽的目的是防止屏蔽内部电路与外部其他电路之间出现不必要的电磁耦合。一个关键的区别是电机电缆屏蔽用于保护外部电路，而信号电缆屏蔽用于保护其内部的电路免受外部电气噪声的干扰。
屏蔽电缆在电子系统中很常见，通常被认为是理所当然的。然而，它们并不像看起来那么简单，并且经常被误用和误解。幸运的是，现代电子电路通常对电气噪声具有良好的免疫力，因此尽管电缆管理方面的做法不佳，系统通常仍能正常工作。然而，当使用变速驱动器时，正确的做法变得相当重要，因为逆变器会产生相当高水平的电磁噪声，如果布置不当，可能会对相关的控制电路造成干扰。
第 1 部分着眼于屏蔽信号电缆的一般原理，第 2 部分着眼于一些更具体的实用细节。
一些常见问题
为管理屏蔽电缆而制定了各种规则，这些规则的出现是有充分理由的，但它们可能相互矛盾和令人困惑。以下是一些我希望回答的常见问题：
- 我必须连接屏幕的两端吗？
- 我必须不 连接屏幕两端？？
- 屏幕必须接地吗？
- 我必须担心接地回路吗？
- 地辫可以多长？
- 如何通过接线端子连接？
- 如何连接平衡（差分）模拟电路？
- 以太网呢？未屏蔽的电缆可以使用吗？
几个关键术语
在下面的解释中：
地面 是电源连接系统中的安全接地或接地 (PE)，它最终连接到建筑物的保护性连接网络和下面的物理接地（大地）。当信号电路接地并且出于安全原因未进行连接时，这可以称为功能接地，与安全接地不同。
系统中的信号返回或公共或参考连接在这里称为“参考极 ”。在 Control Techniques 设备中，这称为“0V”连接。这通常连接到地，但不是必须的。一些平衡数据电路可能没有参考极点。
在电气面板中，金属结构的主要质量被称为“底盘 ”。出于安全原因，它通常接地，但出于电噪声考虑，更重要的是它包含一个广泛的导电表面，其周围不太可能有不同的电势。
在平衡或推挽信号电路中，信号线称为 A+ 和 A-。根据设计，可能有也可能没有相关的 0V 或机箱连接。
“高频 ” 泛指无线电通信范围内的频率，远高于电缆截止频率，例如高于约 50 kHz 左右。在变速驱动器中，这种高频是功率半导体快速开关的副作用。
什么是电噪声（干扰？）
此处的电噪声是指电路不必要的相互作用的影响。所有的电活动都会产生电磁场，电磁场会将不需要的电信号感应到附近的电路中。通常，对于无线电范围内的频率，效果往往最差，因为电压和电流的快速变化会增强不需要的耦合。信号电路可能对高频干扰敏感，要么是因为它们本身使用高频（例如串行数字数据链路、编码器数据），要么是因为它们对远远超出其预期带宽的高频具有意外的敏感性（例如模拟输入）。精心设计的信号电路将根据应用要求定制其带宽，因此它不会对快速变化的干扰过度敏感。然而，由于非线性，预期频带之外的高水平干扰仍然会导致错误。这就是为什么在音响系统中听到由移动电话引起的干扰是很常见的原因。
这种噪声的一个重要特征是它可以覆盖极宽的频率范围。干扰可能从 50/60 Hz 的电源频率源一直到移动电话和其他大约 2 – 5 GHz 的射频区域发生。这是 8 个数量级的范围，适用于某些频率的规则在其他频率上可能无效甚至适得其反。这就是 EMC 规则和屏蔽电缆管理规则有时会出现冲突的原因——它们可能是针对特定频率范围内的威胁而设计的。
请注意，另一种电噪声是热产生的随机噪声，它在温度高于 0 K 时固有地存在于所有电路中。这仅对高度敏感的无线电接收设备感兴趣，此处不予介绍。
屏蔽电缆的工作原理
屏蔽电缆具有一根或多根信号芯，由连续屏蔽导体包围。同轴电缆有一个被屏蔽层包围的内核，主要用于射频应用。屏幕通常由细线编织而成，可以辅以导电箔。不太常见的是，屏幕可能是实心金属，并且可能包含磁性材料，例如铁氧体。
屏蔽的目的是防止外部电磁能将不需要的信号引入信号电路。电磁场包括相关的磁场和电场。为了帮助理解其操作，我们可以首先分别考虑对电场和磁场的影响。 要使电路免受电磁干扰，它必须同时不受电场和磁场的影响。
电场筛选
这是最容易理解的机制。图 1 显示了来自外部噪声源的电场 E 撞击在将信号源连接到信号负载的简单单线（不平衡）信号电路中的屏蔽电缆上。场在屏蔽导体上终止，不会穿透到内导体，因此不会发生干扰。
在没有屏幕的情况下，每当信号电路发生变化时，电场都会将电流感应到信号电路中。这将在接收电压中引起瞬态误差，即噪声，其数量取决于电路的阻抗——阻抗越高，误差越大。通常，电源设计为具有低阻抗，以尽量减少由电场进入引起的误差电压。
图 1：电场屏蔽机制
接地连接在图 1 中显示为可选，因为原则上屏幕工作不需要它。关键是电源和负载的参考极必须连接到屏上，使信号电压存在于相对于屏的内部导体上。
在实践中，根据电源和负载的设计，它们可能无法承受参考极上的电势，因此通常将屏蔽接地。请注意，图 1 中只有一个接地连接，对于简单的电场屏蔽，连接的位置无关紧要。然而，当场 E 随时间变化时，由于电荷的变化，电流会流向地。一旦有电流流动，我们还必须考虑磁场效应。随着频率的增加，与电场相关的电流也会增加，因此图 1 的布置确实只能成功地排除低频电场干扰，例如来自 50/60 Hz 电源的干扰。
磁场筛选
屏蔽电缆的磁场屏蔽效果有点难以理解，但同样重要。无论电流在哪里流动，都会产生相关的磁场，当它们发生变化时，这些磁场会在电路中感应出电势。图 2 显示了来自外部载流电路的磁通量 B，连接与图 1 相同的电路。
图 2：磁场屏蔽机制
当磁场发生变化时，它会在导体中感应出一个电势，该电势与导体所连接的磁通量的变化率成正比，此处显示为 EB1 用于屏蔽，EB2 用于内导体。
感应电势将代表接收信号中的瞬态误差，即噪声，但图 2 所示的事实除外：
内部和外部（屏蔽）导体都感应到完全相同的电压。所以 EB1 =EB2。
其原因是链接屏蔽导体的磁通量固有地也链接内部导体。
红色部分的电压EB1和EB2在信号电路中相等但相反，因此在负载中抵消。
如果两个感应电压没有发生任何不平衡，则消除非常精确，并且屏蔽电缆可提供出色的保护，防止磁场变化。
请注意，在图 2 中，源极和负载均未连接到任何其他电路，即它们是电隔离的。在这种情况下，屏幕上不会有电流流过，EB1和EB2之间也不会出现任何错误。
实际上，即使采用电流隔离，也存在杂散电容，因此一些电流可以在较高频率下流动。然而，在屏幕中流动的任何电流都会导致磁通量发生变化，磁通量也会连接信号导体。取消机制仍然有效。
低频屏电流
在图 2 中，表明外部磁场感应的电压在内部和外部导体中是相同的。另一个感应不均匀的电压源是简单的电阻电压降。图 3 说明了发送端和接收端都连接到其本地机箱或接地的情况，并且接地电压差 ED 导致电流 ID 在屏幕中流动。电压差可能是由整个系统中的各种影响引起的，本质上它是由电缆屏蔽收集的各种噪声电压的总和，就像接收各种电磁波的天线一样，以及电压降由循环杂散电流引起，例如在市电频率下。
在使用电机轴编码器的驱动系统中，还有一个特殊的接地电压差源。尽管使用了屏蔽电机电缆，但由于电机绕组和电机电缆中的快速 PWM 脉冲，电机主体相对于地可能具有显着的噪声电压。如果轴编码器的金属体直接固定在电机本体上，那么编码器电缆屏蔽中的接地差分电压很难避免。
图 3：屏幕电流的影响
当前ID导致屏幕电压下降，有两个组成部分：
- 电感元件 IjwL，其中 L 是电缆屏蔽电感
- 电阻分量 IR，其中 R 是电缆屏蔽电阻
感应分量是由电流感应的磁场引起的。磁场还连接内导体，因此它对 EB1 和 EB2 的贡献相等，并且不会干扰接收到的信号。[1]
EB2中没有出现阻性成分，所以与信号串联出现，导致错误。
请注意，虽然电场会引起感应电流，因此该效应与电路的阻抗成正比，但这里有感应电压。降低信号源的阻抗并不会降低误差。当磁场感应是主要干扰源时，最好的技术是使用电流信号，这就是在信号电缆很长的过程控制系统中广泛使用 4 – 20 mA 电流源方法的原因。
在电缆的电感支配其阻抗的高频下，IR 相对较小。此外，由于趋肤效应，高频时有效电阻较小，因为电流主要流向屏幕的外部，而不是内部。这样做的结果是，在较低频率下，电缆屏蔽变得不那么有效。这可以作为屏幕截止频率来衡量，低于该频率则无效。对于常用的电缆，它往往在 1 kHz 到 10 kHz 的范围内[例如参见参考资料的第 62 页]。
图 3 还突出了“辫子”的效果，即用于进行屏蔽返回连接的导线长度。您可以看到电流 ID 在尾纤中流动，尾纤电感中的任何电压降都与信号串联出现。这里的要点是，这是一个不会出现在两个导体中的感应电压降，因此它不会被屏蔽电缆抵消。尾纤不利于电缆在较高频率下的屏蔽能力。
电缆屏蔽类型
传统的电缆屏蔽是由细铜线编织而成，覆盖率接近 100%（即编织中的“窗口”最小）。一些数据线使用金属箔或金属化塑料箔，单独或编织。
为了在广泛的频率范围内有效，屏蔽需要具有最大的覆盖范围、低电阻和编织层之间良好的纵向连续性，以便电流可以沿外部流动，同时具有最小的压降和与内部电流的最小混合。单独的箔往往具有相当高的电阻并且效果不佳，但当与编织结合时，它可以帮助分离内部和外部导电表面。
参考
Henry W Ott：电磁兼容工程：Wiley：ISBN 978-0-470-18930-6
另一本推荐书
Tim Williams 和 Keith Armstrong：系统和安装的 EMC：Newnes：ISBN 9780750641678
[1] 正确理解这一点需要一些思考。屏蔽电流引起的所有磁场都必须连接内导体。并非所有由内导体电流产生的磁场都必须链接屏幕。
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