信号电路用屏蔽电缆（第 2 部分）

第 1 部分考虑了屏蔽电缆如何工作以避免电场和磁场干扰的原理。我们现在来看一些更实际的细节。

如何连接屏蔽电缆

基础知识

如第 1 部分所述，我们需要在非常广泛的威胁频率范围内有效地进行筛选。为了使屏蔽电缆在高频下有效，屏蔽线必须直接连接到发送端和接收端的参考极（“0V”等）。

使用尾纤连接屏蔽会降低屏蔽效果，因为屏蔽中的噪声电流会向信号电路中注入噪声电压。对于真正的电流隔离电路，这可能并不重要，因为隔离可以最大限度地减少在尾纤中循环和流动的噪声电流。然而，通常应将辫子保持在最低限度。对于宽带数据电路，必须避免尾纤，这可以通过将电缆屏蔽直接夹在机箱或参考或接地点上来实现。

为什么不连接屏幕的两端？

流通中的指南建议仅在一端连接电缆屏蔽。从上面应该清楚的是，这破坏了屏幕的高频筛选优势。过去，这些指南适用于某些固有地不受高频干扰的简单电气控制电路，以避免接地回路——见下文。它还可以防止电力系统故障电流在电缆屏蔽层中循环，但这应通过确保电力系统中有足够的等电位连接来适当地实现。

在配电系统中，某些应用中不得在两端连接电源线屏蔽层，以避免在故障或雷电活动期间发生接触潜在危险；与 TT 配电系统一样。这不适用于变速驱动器的电机电缆。

每当信号电缆穿过建筑物和等电位连接区域外时，在可能存在潜在危险的差分接地电位时，必须考虑电气故障和雷击时的安全性。

单面模拟电路

图4：简单单端模拟接口的连接

最简单的模拟接口如图 4 所示。这对于许多一般应用来说已经足够了。从前面的解释中，你会看到这种安排有一些弱点，在不需要高精度和宽带宽控制的情况下，这可能是可以接受的。

控制器和驱动器中的虚线表示控制器和驱动器的 0V 连接通常直接和有意地连接到地，或者是因为系统中的某些设备内部连接了 0V 和地。在这种情况下，可能会受到以下来源的干扰：

• 高频噪声电流会导致耦合到模拟信号的尾纤连接电感中的噪声电压降。如果模拟电路容易受到影响，这可能会导致错误。可以通过使尾纤尽可能短来将其最小化，以最小化它们的电感。直接在电缆屏蔽两端使用接地夹，将其固定在机箱上，可以完全消除这种情况。这在图 4 中以蓝色显示。
• 低频噪声电流会导致电缆屏蔽电阻中的噪声电压降（在尾纤中也会出现，但电缆通常具有更高的电阻）。如果这种噪声的频率在模拟电路的带宽内，那么它就会受到干扰——例如，50/60 Hz 的拾音器会导致伺服驱动器以 50/60 Hz 的频率振动。这是“接地回路问题”，更难治愈。可能的解决方案是：
• 用低阻电源地线连接两端的0V或接地端子，以降低电压降。
• 使用平衡（差分）模拟信号电路（见下文）。这是最好的方法。
• 使模拟输出或输入电路电气隔离，以避免屏幕中出现电流。

平衡模拟电路

精密模拟电路通常提供差分输入，有时还提供差分输出。它们通常用于伺服驱动器等精密控制器，也用于正弦/余弦轴编码器。如果使用得当，它们可以很好地抑制低频干扰。与屏蔽电缆结合使用，可以在整个噪声频谱范围内实现抗扰度。图 5 显示了如何使用差分模拟输入。请注意，信号线芯通常是双绞线，通过使两条导体的路径尽可能平衡，进一步提高抗噪能力。

图 5：差分模拟输入的连接

在这种情况下，我们有一个单端控制器输出和一个差分输入。通过在屏蔽电缆中使用两个芯线，我们可以将反相输入直接连接到控制器模拟输出的参考极。因此，电缆屏蔽中感应的任何低频电压都会被输入抑制，而屏蔽仍然具有出色的高频抑制能力。差分输入不能抑制超出其带宽的高频共模电压，此时电缆屏蔽效果最佳。这两种技术相结合，可在整个频谱范围内提供噪声抑制。

也可以使用图4的接地夹来避免尾纤引起的高频噪声耦合。

如果控制器还提供差分输出，则 AI- 内核可以连接到 AO- 端子，而不是控制器上的 0V。一个特殊情况是控制器提供“虚拟接地”输出，其中 AO 端子不是输出而是感应输入。在这种情况下，AO-线的一端或另一端必须连接到0V，不得“浮动”。

数字电路

数字电路不易受到由接地回路引起的那种低电平低频误差的干扰。数据链路中的高频干扰会导致通常检测和拒绝的误码，但如果它们发生得太频繁，信道可能会关闭或性能不足。用于速度/位置反馈的轴编码器电路在存在高频噪声的情况下特别容易引起噪声和振动。在这两种情况下，正确管理电缆屏蔽都是必不可少的。

数据链路通常使用高比特率。对于高于约 1 Mb/s 的速率，电缆必须以其特性阻抗正确端接，以避免反射造成的数据错误。为保持匹配，只能允许外露电缆芯的长度较短。

用于基本本地数据传输的最广泛使用的数字接口基于 RS422 和 RS485 标准，它们具有差分发送器和接收器。电缆类型没有直接指定，原则上可以不屏蔽，只要它具有正确的特性阻抗，但通常首选屏蔽电缆。

使用平衡电路意味着注入的噪声在很大程度上被抑制，因为它处于共模状态，即它对两条线路的影响相同，因此不会作为信号出现。然而，发射器和接收器的共模范围受到限制，因此如果噪声电压太高或变化太快，以及不对称导致共模噪声耦合到串联模式，就会出现错误。大多数端口中使用的标准线路驱动器芯片的共模范围约为 5V，如果超过此值，则会出现严重错误。这可以通过使用电隔离端口来增加，但这很昂贵。

图 6 显示了如何安排基本的 RS485 端口连接。

图 6：基本 RS485 数据连接（仅显示 2 个节点）

在 Control Techniques 设备中，参考端子在图 6 中显示为“0V”。在其他设备中，它可能以不同的方式称为“G”或“GND”用于接地，“SC”用于屏幕或“参考”。有时它没有连接，甚至没有提供。这对于短链路或端口具有精心设计的电流隔离可能是成功的。一般来说，电缆屏蔽最好接0V。

RS485 允许多个端口的多点连接。随着端口数量的增加，每个端口的微小阻抗失配以及来自每个尾纤的注入噪声的影响使得该布置对干扰越来越敏感。使用高数据速率的完整通信协议（例如 Profibus）使用定义的硬件，在这种情况下，需要将电缆屏蔽直接夹在连接器中以避免尾纤，并且仅在末端节点连接正确的终端阻抗网络。

端子和连接器

许多工业连接器的设计没有适当地管理电缆屏蔽，因为它们不打算在高频下使用。对于一般应用，通常可以通过短尾纤将屏幕连接到连接器引脚。然而，最好将屏蔽连接穿过连接器的导电体，使其继续围绕信号导体，就像射频连接器的情况一样。如果一个信号电路通过多个连接器，每个连接器都有一对尾纤，则每个连接器处的注入噪声都会累积。

管理屏幕连接的一种方法是将屏幕夹在一起或夹在一个共同的金属部件上。螺钉接线端子供应商可提供相关硬件。这个想法如图7所示。

图 7：在接线端子或连接器处连接屏幕

钳位的目的是避免尾纤屏蔽连接，从而避免注入可能出现在尾纤上的噪声电压。它以最小的杂散电感连接屏幕。此处端子处裸露的未屏蔽导体的小区域远不如尾纤重要。原因是未屏蔽的导体仅暴露在端子附近的电磁场中，而尾纤会携带噪声电流，该噪声电流已在屏蔽电缆的整个运行过程中收集。

通常夹具会固定在接地的金属部件上，但这主要是出于安全原因。 EMC 的好处是两个电缆屏蔽之间的电感非常低。

以太网

以太网是上述所有情况的一个例外。现代以太网不需要屏蔽电缆，而是依靠非常平衡的非屏蔽双绞线电缆与电隔离平衡变压器耦合来提供出色的共模噪声抗扰度。而且它没有采用多点结构，因此也避免了在多个节点处积累噪声电流的趋势。

接地回路

在查看了图 3 中的电阻效应后，我们可以很好地理解为什么在某些应用中建议不要在两端连接电缆屏蔽层。如果屏幕只连接在一端，则不会出现错误电压IR，因为屏幕中可能没有电流。这个建议可能是为了“避免接地回路”而给出的。然而，电缆将失去其所有的磁场屏蔽能力，这意味着它的高频屏蔽能力。此建议仅在非常特殊的情况下是正确的，当所有这些都适用时：

• 存在低频（例如电源）的不同接地电压，或电源频率的杂散磁场。
• 该电路使用对电源频率的小扰动敏感的模拟信号。
• 屏幕只需要在低频下防止电场耦合。

最常见的情况是在模拟音频系统中，即使是少量的电源拾音也会导致令人讨厌的“嗡嗡声”。也可以应用于带模拟接口的伺服控制器，但最好使用上面解释的差分接口。

双屏蔽电缆

有时建议使用双屏蔽电缆，尤其是轴编码器接口，其中通常有三对平衡的数据芯对屏蔽，可能是一些电源芯和一个整体屏蔽。

原则上，每个数据对只需要一个屏幕，它可以是整体屏幕，也可以是单个屏幕。但是双屏蔽电缆的好处是：

• 外屏可固定在电机和编码器本体上，导致屏内噪声电流较大，可在驱动器处回地而不进入编码器接口电路0V端子
• 如果系统设计需要，0V 端子可以保持与地隔离，同时仍提供连接到地的整体高频屏蔽。
• 接地回路电流可以单独限制在外屏。
• 由于各自的屏幕，各个线对的阻抗得到了很好的控制

图 8 说明了它是如何连接的（为清楚起见显示了两个通道）。

图8：双屏蔽编码器电缆连接

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