信号耦合

零件和材料

• 6 伏电池
• 一个电容，0.22 µF（Radio Shack 目录号 #272-1070 或同等产品）
• 一个电容，0.047 µF（Radio Shack 目录号 # 272-134 或同等产品）
• 小型“爱好”电机，永磁型（Radio Shack 目录号 # 273-223 或同等产品）
• 带耳机的音频检测器
• 电话线的长度，几英尺长（Radio Shack 目录 # 278-872）

电话线也可以从五金店买到。任何未屏蔽的多芯电缆都足以进行此实验。带有细导体的电缆（电话线通常为 24 号）会产生更明显的效果。

交叉引用

电路课程 ，第 2 卷，第 7 章：“混频交流信号”

电路课程 ，第 2 卷，第 8 章：“过滤器”

学习目标

• 了解如何将交流信号“耦合”到测量仪器并阻止直流信号
• 了解电缆中的杂散耦合是如何发生的
• 确定最小化电缆间耦合的技术

原理图

插图

说明

使用电话线四根导线中的两根将电机连接到电池上。电机应按预期运行。现在，将音频信号检测器连接到电机端子上，串联 0.047 µF 电容器，如下所示：

您应该能够在耳机中听到“嗡嗡声”或“呜呜声”，代表电机在电刷与旋转换向器条接触和断开接触时产生的交流“噪声”电压。

串联电容器的作用是充当高通滤波器，以便检测器仅接收电机端子上的交流电压，而不接收任何直流电压。这正是示波器提供“交流耦合”功能以在没有任何直流偏置电压的情况下测量信号的交流内容的方式：一个电容器与一个测试探头串联。

理想情况下，人们只期待电机端子上的纯直流电压，因为电机直接与电池并联。由于电机的端子与电池的各个端子在电气上是共用的，而电池的性质是保持恒定的直流电压，因此电机端子上应该只出现直流电压，对吗？

好吧，由于电池内部和沿导体长度的电阻，电机汲取的电流脉冲会在电机端子处产生振荡电压“骤降”，从而导致检测器听到交流“噪音”：

使用音频检测器直接测量电池两端的“噪声”电压。由于该电路中的交流噪声是由沿杂散电阻的脉动压降产生的，因此我们测量的电阻越小，我们检测到的噪声电压就越小：

您还可以通过在单根电缆导体的两端连接音频检测器来测量沿为电机供电的任一电话电缆导体下降的噪声电压。这里检测到的噪声源于通过导线电阻的电流脉冲：

现在我们已经确定了这个电路中交流噪声是如何产生和分布的，让我们来探讨一下它是如何耦合的 到电缆中的相邻电线。使用音频检测器测量电机端子之一和电话线中未使用的电线之一之间的电压。本练习中不需要 0.047 µF 电容器，因为这些点之间没有直流电压可供检测器检测：

此处检测到的噪声电压是由于相邻电缆导体之间的杂散电容在电线之间形成交流电流“路径”。请记住，实际上没有电流通过 一个电容，但电容的交替充电和放电动作，无论是有意还是无意，都提供了交替 目前是各种途径。

如果我们尝试在其中一根未使用的电线和电机的公共点之间传导电压信号，那么该信号将受到来自电机的噪声电压的污染。这可能非常有害，具体取决于两个电路之间耦合了多少噪声以及一个电路对另一个电路的噪声有多敏感。

由于该电路中的主要耦合现象本质上是电容性的，因此高频噪声电压比低频噪声电压的耦合更强。

如果附加信号是直流信号，其中没有预期的交流电，我们可以通过使用连接在直流信号导体上的相对较大的电容器“去耦”交流噪声来缓解耦合噪声问题。为此使用 0.22 µF 电容器，如图所示：

去耦电容 充当对任何交流噪声电压的实际短路，同时完全不影响这两点之间的直流电压信号。只要去耦电容值明显大于电缆导体之间的杂散“耦合”电容，交流噪声电压就会保持在最低水平。

另一种减少电缆中耦合噪声的方法是避免两个电路共享一个公共导体。举例说明，将音频检测器连接在两条未使用的电线之间并收听噪声信号：

在任何两个未使用的导体之间检测到的噪声应该比在一个未使用的导体和电机电路中使用的一个之间检测到的噪声要少得多。噪声大幅降低的原因是电缆导体之间的杂散电容倾向于将相同 两者的噪声电压 未使用的导体的比例大致相等。

因此，当测量之间的电压时 这两个导体，检测器只能“看到”两个近似相同的噪声信号之间的差异。