了解共模信号

要了解共模信号是如何产生然后抑制的，您应该首先了解常见电缆配置中屏蔽和接地的相互作用。以下讨论定义了共模信号，回顾了常见的电缆配置，考虑了屏蔽电缆与非屏蔽电缆，并描述了典型的接地实践。本文讨论了产生和抑制共模信号的方法。

本讨论的主要重点是RS-485/RS-422电缆和信号，但讨论也适用于电话、音频、视频和计算机网络信号。

共模信号定义

当以本地共模或地为参考时，共模信号出现在 2 芯电缆的两条线上，同相且幅度相等。显然，如果其中一条线路连接到本地公共，则不存在共模信号。从技术上讲，共模电压是从平衡电路的每个导体到本地接地或公共电压的矢量和的一半。此类信号可能来自以下一个或多个来源：

辐射信号均匀耦合到两条线路，

驱动器电路中产生的公共信号偏移，或

发射和接收位置之间的接地差分。

有关这些基本条件的更多详细信息将在后面的部分中显示。然而，在检查这些细节之前，了解不同的电缆配置、信号接地约定和屏蔽接地实践是很有用的。

通用数据传输系统

任何数据传输系统的主要目的是将数据从一个位置发送到另一个位置，无论是在单个盒子或外壳内，在外壳内的盒子之间，建筑物或定义区域内的外壳之间，还是建筑物之间。图1显示了RS-485信令情况，其中建筑物由不同的电源电路供电。

图1.这个通用系统在两个相距很远的建筑物之间传输数据，并显示单相配电系统中接地点之间产生的地电流。在 3 相 Y 连接系统中会产生类似的电流。

将电力线用户的中性线连接到电源入口点沉入地下的接地棒上，将电力线中性线建立为安全接地。从那时起，裸露或绿色绝缘电线将安全接地参考连接到整个场所的所有电源插座和已安装的设备。工业机箱框架粘合到机箱电源输入点的安全接地，在那里它成为框架接地。

电路公共点通常在一个或多个点连接到机箱，但每个机箱最好有一个接地点。在某些情况下，公共电路可能与帧接地隔离。从机器绕组到外壳的安全接地线中流动的漏电流，或者更常见的是，由于配电系统中的交流初级或次级中性电流而在接地之间流动的漏电流，可能会在中性线和框架接地之间产生电位差。

接地差分可以从几伏到几十伏不等。最大的差分出现在单相或三相Y配电系统中，其中在大地中流动的中性电流部分可以是在初级电路中流动的总中性电流的3%至10%。接地点之间的电压测量值通常为 70.0V有效值至 5V有效值，并且（很少）高达 65V有效值在相距甚远的场地之间。

电缆和噪声

噪声信号可能由于以下几个原因出现在电缆中：附近电场的电容耦合（E）;局部磁场的电感耦合（M）;空间（EM）中无线电信号的电磁耦合;以及通过有意或潜行的电路路径 （C） 传导。耦合信号显示为与线路串联的附加信号（图2）。表 2 列出了电缆中潜在噪声源的类型和来源。双绞线截获耦合信号的方式相等，因此入射信号仅显示为共模信号。如果从每条线路连接到本地公共的阻抗相同，则双绞线称为平衡线。

图2.这些传输电缆配置显示了可能的噪声源的位置。

 

描述	电气返回路线	典型应用
单线线	地球或 框架	早期的电话和电报信号电路， 汽车配电
单芯屏蔽电缆	盾	单线屏蔽麦克风电缆或同轴电缆 用于视频或射频 （RF） 信号
非屏蔽并联对	第二根电线 的对	信号或交流配电
非屏蔽双绞线 （UTP）	第二根电线 的对	单线电话、信号或数据线
屏蔽双绞线 （STP）	第二根电线 的对	平衡麦克风电缆、双轴射频电缆或 屏蔽数据传输电缆
非屏蔽多双绞线	第二根电线 的对	26 对电话线和 4 对 EIA/TIA 指定 类别 1 到 6
屏蔽多双绞线	第二根电线 的对	对讲电缆和 EIA/TIA CAT 5 D 类或 7 类

描述	eN1	eN2	eN3	eN4	笔记
单线、接地或帧返回	辐射 E， EM， 或 M	地球 电流	–	–	接收 电路必须是 对 的总和 eN1+ eN2在 负荷
单线 屏蔽 电缆	如果辐射或传导噪声进入主导体的非屏蔽部分，或者出现在源共体和电缆末端的接地点之间	沿屏蔽长度辐射 E、EM 或 M	–	如果屏蔽的两端都接地，则通过流经外部接地路径的电流传导。	铜屏蔽对电感耦合噪声无效。eN1在以下情况下微不足道：不存在电感耦合;从源到负载的屏蔽是完整的;接地点直接连接到源极和负载处的公共电路。
非屏蔽 平行对	辐射 E， EM， 或 M	辐射 E， EM， 或 M	–	–	eN1和 eN2将部分 如果出现以下情况，则取消 行是 并行和 密切 间隔。
非屏蔽 双绞线 （UTP），或 非屏蔽 倍数 双绞线	辐射 E， EM， 或 M	辐射 E， EM， 或 M	–	–	扭曲的线条使 eN1和 eN2振幅和相位相等。接收电路必须抑制VCM信号。
屏蔽双绞线 （STP） 或屏蔽多双绞线	辐射 M	辐射 M	沿屏蔽长度辐射 E、EM 或 M	如果屏蔽的两端都接地，则电流的传导在外部接地路径中流动。	既不是 eN3也不是 eN4出现在信号路径中，但如果屏蔽的两端都接地，则可能导致环流。接收电路必须拒绝VCM信号，如果N1和 eN2都存在。

 

电路和屏蔽接地

带接地回路的单线：信号公共线在源头接地，并通过接地（帧）返回路径加载。电路公地还必须连接到接地（框架）接地。

单线屏蔽：信号电流始终在屏蔽上传输，因此在源极和负载处必须存在与公共电路的连接。表 3 列出了各种条件下的屏蔽接地连接。

 

什么时候	屏蔽接地	条件
源浮点数	仅在负载时	源是电池供电的，或者是未供电的换能器，例如麦克风，尽管麦克风外壳可能连接到屏蔽。
负载浮点数	仅在源头	负载是隔离的，例如电池供电的设备。这种线路可用于将信号传输到远程非接地负载，例如具有隔离接地层的天线。
源和负载接地	在两端	源极和负载地的电压相等，否则屏蔽中的环流会在信号路径中产生噪声源。因此，仅使用双重接地：在单个机箱或机箱内;或在共享公共等电位框架接地或根本没有框架接地的多个外壳之间。家庭娱乐系统中的音频和视频电缆就是这种用途的示例。

 

两线并联：每根导体承载等量的信号电流，但方向相反。表4列出了各种条件下的线路接地连接。

 

什么时候	屏蔽接地	条件
源浮点数	仅在负载时	电源由电池供电。
负载浮点数	仅在源头	源是电子的，负载是无源或非电子的（耳机或扬声器）。在交流配电系统中发现，其中电力进入用户的场所。
源和负载接地	在两端	电子信号系统，如RS-232。但请注意，RS-232通常使用双绞线布线。
源和负载浮动	两端都没有	在变压器耦合信号系统（门铃或其他呼叫系统）中发现。这些系统通常不受可能存在的任何低电平噪声信号的影响。

 

非屏蔽双绞线：任何驱动或接收电路都可能包括与本地公共或帧接地的连接，但将传输线本身连接到帧接地是不必要的，也是不可取的。差模或平衡信号源（如非屏蔽RS-422和RS-485数据传输电路）将数据信号传输到源和负载电路均以本地接地或公共为参考的远程位置。变压器耦合应用包括 10/100 Base-T 以太网电缆。

屏蔽双绞线：将任何屏蔽对分流器的屏蔽接地，以接地屏蔽拦截的任何不需要的信号或噪声。典型的屏蔽材料（铜和铝）将内部导体屏蔽为电容或电磁耦合的信号，但不能屏蔽电感耦合的信号。

对于任何携带平衡信号的屏蔽对，应将屏蔽的一端（通常是接收端）接地。如果发射位置接地携带的噪声信号与接收位置的噪声信号不同，则两端的屏蔽接地会导致电流沿屏蔽层流动。如果两个接地位置之间没有实质性的电位差，则两端的接地是可以接受的。此配置包括屏蔽RS-422和RS-485数据传输电路。RS-485应用指南规定将屏蔽层直接或通过电缆屏蔽层一端或两端的易熔电阻器接地。

信号模式定义

电缆上携带的电信号可描述为普通模式、差模或共模。

普通模式信号是出现在一对导线之间或参考（或通过）接地、机箱或屏蔽的单根导线上的任何类型（共模除外）。正常模式信号在平衡或非平衡传输路径中的两根导线之间读取。（对于平衡的2线路径，一根导线被驱动为正，而另一根导线被等量驱动负，这两者都是静态或无信号条件，其中两条线相对于电路公共电路承担相同的电压电平。

差模信号以差分方式出现在非接地电缆配置中的一对电线上。

共模信号在未接地、屏蔽或本地共模的 2 线电缆的两条线上同样出现（相对于本地电路共模）。通常，但并非总是如此，这是一个不需要的信号，应该被接收电路拒绝。共模电压 （V厘米） 在数学上表示为两个信号电压相对于本地接地或公共电压的平均值：

 

图3显示了3V差模信号与2.5V共模信号的耦合。直流失调是采用单电源工作的差模数据发送器的典型值。共模电压可以是交流、直流或交流和直流的组合。（图3表示最简单的情况，即没有交流元件的直流共模电压。

图3.典型的RS-485发送器产生共模直流失调电压，如图所示。

当电缆较长时（RS-485数据电缆可以是），原始信号的公共或接地可能与接收位置的电势不同。RS-485规范规定将公共驱动电路直接或通过100Ω电阻连接到帧地。结果如图 4 所示。

图4.三种共模信号（e广东， e立法会和 E操作系统） 可以存在于 2 线数据传输系统中。

共模信号可以假设共模电压等于地电位差、驱动器失调电压以及沿发射器和接收器之间的信号路径产生的任何纵向耦合噪声电压的矢量和：

共模信号的起源

图4所示的三个共模电压源为e广东， e立法会和 E操作系统:

E操作系统通常是采用单电源供电的差模驱动器引入的直流失调，如图3所示。

e广东是表示发射和接收位置接地电位差的噪声信号。它通常是包含电力线频率的基波和可能的几个谐波的交流信号。

e立法会是一种纵向耦合噪声信号，由于来自外来源的电容、电磁或电感耦合，在两条传输线上均等地发生。

最小化共模信号

E操作系统通过采用平衡电源操作差模驱动器，可以做得非常小，甚至为零。相比之下，e广东只有通过在发射和接收位置之间保持相对较短的距离，才能最小化。e立法会通过使用屏蔽双绞线可以最小化：电缆内引入的噪声在两根紧密绞线中的每一根上均等地产生。否则，由于线路相对于干扰场的不对称性，将出现正常模式信号。

负载也必须对称;双绞线两条线上的阻性和容性负载阻抗必须匹配。电感耦合信号只能通过使用磁屏蔽来防止。（请注意，任何承载信号电流的导线都是磁辐射源。

抑制共模信号

共模信号（V厘米） 必须在接收电路中被拒绝。当接收电路是无源的（耳机或扬声器）、变压器耦合、隔离和电池供电，或者没有以任何方式参考发射电路公共（电容或电阻连接）时，这种抑制很容易实现。这里提到的配置本质上不受共模信号的影响，但以发射电路为基准的接收电路必须设计为接受全范围的V。厘米呈现给他们。所有这些设计都涉及具有高共模抑制（CMR）的差分接收器。如果 V厘米振幅相对较低，单独使用高 CMR 接收器可能就足够了。

高CMR接收器的工作原理

所有高CMR接收器要么采用某种形式的差分对，要么采用由三个放大器组成的传统仪表放大器，如图5所示。每个放大器在存在有限共模电压的情况下接受差分输入，可接受的V厘米限制在略低于电源电压。这种电路可以处理模拟和数字信号。

图5.这些差分放大器电路具有高共模抑制。

如果 V厘米是超出接收器的共模范围。大多数此类电路采用变压器耦合隔离电源，以及以下任一电源：

光耦合电路

电容耦合差分电路

电感耦合电路

电阻耦合差分电路

图6所示的所有技术都可以在存在高V值的情况下将信号耦合到隔离栅上厘米.每个都取决于隔离电源的使用，该电源通常是变压器耦合的。隔离电压限值由变压器和所选隔离类型决定。使用变压器、光学和电容耦合技术可实现 2500V 或更高的隔离;阻性耦合通常限制在50V至100V范围内。

图6.所示的隔离技术和典型元件可实现高共模信号抑制。

阻性耦合涉及通过阻性衰减器传输数据，阻性衰减器会衰减数据和共模信号。因此，阻性隔离受V分数的限制厘米这可以通过接收电路容纳，同时可靠地检测原始数据信号的一小部分。

在图6中，各种隔离驱动器以不同的方式处理隔离电源的要求。当今的电感耦合器件不提供电源，因此需要外部隔离电源。一些电容耦合器件包括变压器驱动器，但它们需要外部变压器。Maxim的MAX3157和MAX3250驱动器包含隔离电源，需要外部、扁平、陶瓷电荷泵电容。然而，MAX1480和MAX1480E系列的成员包含完全隔离的电源，包括变压器。

因此，一旦知道入侵共模信号的来源和幅度，您就可以智能地选择电缆类型和隔离技术。您只需测量或计算干扰信号的幅度，然后选择满足系统整体要求的组件。

审核编辑：郭婷