抗干扰非平衡信号传输方法

       从电子技术的发展初期，人们就开始使用非平衡信号传输方式，人们已经习惯性地接受非平衡信号传输方式易受干扰的缺点，以致很少有人试图从设计原理上解决这个问题，实践中减小干扰主要依靠经验。本文提出了一个非平衡信号传输的干扰模型，这个模型使人们对干扰产生过程有了更好的认识并且可以对这种干扰有更好的预测与控制，由此设计了一种新的抗干扰非平衡信号传输方法，通过改进信号收、发端之间的接口电路，使进入信号通路的干扰信号大大减小，达到非平衡信号抗干扰传输的目的，这种方法的有效性在实际应用中得到验证，且实施成本很低。

        在抗干扰实践中，人们通常采用二种方法：其一是减小干扰源的方法，例如采用屏蔽措施和进行电源滤波；其二是使干扰无法混入信号通道，例如平衡信号传输方法。第一种方法采用最多，因为不需要掌握干扰产生的详细情况，所以实施技术难度不大。平衡信号传输就是采用第二种方法的情况，而对使用更为广泛的非平衡信号传输方式还一直缺少使用第二种方法的技术，本文提出的就是这样一种技术。

       下面是等效电路图中的符号定义：
G  ：参考地
Gos：信号输出方信号参考端
Gie：信号输入方装置地
Gis：信号输入浮动隔离信号参考端
Vs ：输出信号电压源
Rs ：输出信号电压源内阻
Ri ：信号输入端内阻
Ris：信号输入方Gie与Gir之间的隔离阻抗
Cs ：信号输出方装置地相对参考地G的体电容和感应电容之和，
Vcs：信号输出方装置地相对参考地G的感应电压
Ci ：信号输入方装置地相对参考地G的体电容和感应电容之和
Vci：信号输入方装置地相对参考地G的感应电压
Rr ：信号输入、输出参考端连线的阻抗
Rg ：信号输入、输出装置地之间连线的阻抗
Vnl：信号输入、输出参考端连线的感应干扰电压
Vnr：收、发端之间不平衡感应干扰在Rr上产生的干扰电流所得到的干扰电压
Vng：地线回路干扰源在Rr上产生的干扰电流所得到的干扰电压
Vn ：Vnl、Vnr 与Vng之和，参考端连线的总等效干扰电压
SFS；信号浮动隔离电路

       以上所列的符号中SFS信号浮动隔离电路是一个功能单元电路，该电路有四个端口，在本说明书中将四个端口标注为A、B、C和D，其中A和B为输入端口，C和D为输出端口，该电路使输入信号与输出信号为浮动状态，既输入端信号与输出端信号的参考端电位无固定关系，随外部条件的改变而变动，隔离变压器和光电耦合器件是提供该功能的典型器件，用运算放大器组成的差动输入放大电路也可以提供这种功能并能得到很好的线性；对运算放大器组成的差动输入放大电路来说，这是一种输入端阻抗不平衡的应用，使放大电路输入阻抗远高于输入信号内阻可以提高抗共模干扰能力，使用运放电路是一种性价比很高的解决方案。

一般非平衡信号传输系统的干扰分析

        图1为一般非平衡信号传输系统的干扰模型，非平衡信号有一个信号端和一个参考端，通常称参考端为信号地，其参考端电位固定，信号端电位变化。在非平衡信号传输的过程中，可以认为干扰主要来自参考端连线，来自信号端连线的干扰很小，其原因在后面的分析中将予以揭示。附图为非平衡信号传输干扰的等效电路，其参考端连线的干扰电压主要有以下三个来源：其一为收、发参考端连线的感应干扰电压，其对输入信号的等效干扰电压在图中表示为Vnl；其二为收、发参考端之间不平衡感应电压产生的干扰电流在参考端连线阻抗上的电压降，其对输入信号的等效干扰电压在图中表示为Vnr；其三为地线回路干扰，如果收、发参考端之间存在多条地线连接，每两条地线间会形成感应环，由感应电压就会形成感应电流，由此形成地线回路干扰，实际系统中经常会发生这种情况，其对输入信号的等效干扰电压在图中表示为Vnp；这种干扰源的等效是该模型的重要特点，正是从这里出发找到了抗干扰设计的关键因素。下面对这三种干扰影响进行具体分析：

        收、发参考端连线的感应干扰
        图中的Vnl即为这个干扰源产生的干扰电压，非平衡信号通常用屏蔽线传输，其信号的参考端由屏蔽线的外屏蔽层连接，所以很容易感应干扰电压，该干扰源可等效为一个高内阻的电压源，降低其两端的负载阻抗可以减小该干扰电压，该负载阻抗为去除参考端连线后Goe与Gie之间的阻抗，它由以下三个阻抗并联构成，分别是Rs 串联Ri，Cs串联Ci和Rg，图中Vnl是考虑了两端的负载阻抗因素的干扰电压。等效电路图中，信号参考端与装置地相同，Cs、Ci较大，所以Vnl不大，如果存在多条地线，即Rg取值较小，Vnl影响就更小，所以Vnl总的输入干扰电压影响不大。需要注意的一点是，加粗该导体会降低其干扰源的内阻及增加感应的干扰信号，从而导致Vnl增加。

        收、发信号端连线采用屏蔽线内导体，所以感应的干扰信号可以较小；但当收信端输入阻抗很大使其两端负载阻抗加大时，或者屏蔽线的屏蔽效果不佳时，就会使收、发信号端连线的感应干扰影响增加；采用屏蔽效果较好的屏蔽线及合理的选择输入端阻抗，可以使收、发信号端连线的感应干扰影响很小。

        收、发参考端之间不平衡感应电压产生的干扰电流流过参考端连线阻抗
        图中的Cs 、Vcs、Ci和Vci即为这个干扰源等效电路，其干扰来源包括感应干扰及电源及接地系统引入的干扰，对输入端的干扰反映在Vnr之中。Cs是发端的体电容和感应电容之和，Vci是收端的感应干扰电压，Ci是收端的体电容和感应电容之和，Vci是收端的感应干扰电压。当Vcs、Vci存在感应电压差时，就会产生感应电流，进而在Rr上产生干扰电压Vnr，要想减小感应电压差，必须同时减小Vcs、Vci或使其完全一致；由于Rr远小于Rs 串联Ri，Goe与Gie之间感应干扰电流主要通过Rr，感应干扰电流的回路是Cs 、Ci和Rr，如果能减小Cs 、Ci或两者，可以提高环路阻抗，也就能够减小感应干扰回路电流，而同时减小Cs 、Ci还能达到减小Vcs、Vci的效果，感应干扰回路电流当然更低，这是一个十分有用的结论，在后面的改进电路中，这一特性将被充分利用。可以认为Rg与Rr基本相同，它们并联后的阻抗变化不大，所以Rg对这种干扰的影响不大。

        图中收、发参考端与装置地直接相连，所以Cs 、Ci都较大，感应的干扰电压也较大，如果装置地还与外接地线系统相连，其Cs或Ci还将增大，所以收、发参考端如果存在感应电压差，流过Rr的干扰电流也就比较大，由此导致较大的干扰电压。

        通常收、发信号端的体电容和感应电容很小，其感应干扰电压很低及环路阻抗较高，这两个因素都使环路干扰电流降低，所以信号端之间基本不受收、发端之间不平衡感应的影响。

        地线回路干扰
        当收、发信号端之间存在多条地线连接，每两条地线间会形成感应环，由感应电压就会形成感应电流，由此形成地线回路干扰，图1中Vng即使这种干扰，图中Rg既表示存在多条地线连接的阻抗，实际系统中经常会发生这种情况，其干扰幅度可能还会很大，例如系统中存在信号地连线，同时还有电源地连线存在，对于这种干扰单靠减小地线阻抗效果并不很好，应该在回路中适当的地方插入阻抗以减小回路电流来减小这种干扰。

　　干扰原因小结
        由以上的分析可得，非平衡信号传输系统的干扰主要来自收、发参考端的连线上，收、发信号端之间连线引入的干扰影响很小；收、发参考端连线上的干扰与装置地及其电容密切相关；通过减小不平衡感应电压降低干扰需要在收、发信端采取同时降低干扰电压的措施才有效果；减小参考端连线的阻抗Rr可以减小不平衡感应电压产生的输入干扰；减小收、发任一参考端的电容也能减小不平衡感应电压产生的输入干扰；地线回路干扰是由于系统中有多条地线存在所引起的，实际应用往往很难避免这种情况发生。

        抗干扰非平衡信号传输系统的干扰分析
        图2为改进的抗干扰非平衡信号传输系统的干扰模型，与图1不同的是，图2多了一个隔离阻抗Ris和一个信号浮动隔离电路SFS，这是一个输入端浮动隔离的非平衡信号传输方法，Ris的取值应满足：
        Ris　不要太大
        Ris >>Rr　和 Ris >>Rg　
        收、发参考端连线的感应干扰
        这时Goe和Gis之间的阻抗就是问题的关键，Ris是影响这个阻抗的重要因素，Ris越大，等效电压Vnl越大，在大部分应用系统中，Ris小于1000欧即可使连线的感应干扰足够小，而从后面的分析我们可以知道，这个条件很容易得到满足。

        收、发参考端之间不平衡感应电压产生的干扰电流流过参考端连线阻抗
        由于Gis不是装置地，只有很小的体电容和感应电容，所以Goe和Gis之间不平衡感应电压的干扰电流也就很小，其原因前面已有说明，而 Goe与Gie之间不平衡感应电压的干扰源与未改进电路的相同，但由于Ris和Rg的存在，大部分干扰电流通过Rg，流过Rr的干扰电流很小，Ris越大，流过Rr的干扰电流越小，Vnr也越小。例如，当Rg等于Rr时，流过Rr与流过Rg的干扰电流之比等于Rg与Ris之比，因为Rg为连线电阻，可以认为其阻抗小于１欧姆，取Ris为100欧姆时，Rr上的干扰电流就比Rg上的减小了100倍，与图１等效电路相比，Vnr也会减小100倍，由此可知，由于Rg和Ris的存在，将有效地减小Vnr。

        地线回路干扰
        由于Ris插入装置地和信号地连线形成的地线回路中，提高了该回路的阻抗，且Ris >>Rr　和 Ris >>Rg，所以地线回路感应干扰电流大大减小，感应干扰电压大部分降在Ris上，所以Vng也会减小。例如，当Rg等于Rr等于1欧姆，Ris为100欧姆时，环路电阻是没有Ris的51倍，地线回路干扰电流也会降低51倍，相应的干扰电压Vng也减小51倍。

        抗干扰非平衡信号传输方法小结
        该方法在信号传输的输入端使用了信号浮动隔离电路，使传输输入端的信号参考端与装置地可以浮动变化，在信号参考端与装置地之间接入适当阻抗值的阻抗Ris隔离干扰，就可以达到减小干扰的目的。关于Ris的选择考虑以下关系，总干扰电压Vn为Vnl、Vnr和Vng各干扰分量之和，Vnl随Ris增大而增大，Vnr和Vng随Ris增大而减小，随Rg和Rr减小而减小，选择适当的Ris使总干扰电压Vn最小，就可以使信号传输系统的抗干扰性能达到最佳。
        当隔离阻抗Ris为0时，图2电路相当于一般的非平衡信号传输方法，抗干扰能力就会变得较差，可以用这一关系来验证本方案的有效性，这一关系同时也表明，一般的非平衡信号传输方法是抗干扰非平衡信号传输方法一个特例，所以在大多数情况下不能达到较佳的抗干扰性能，测试表明，采用抗干扰非平衡信号传输方法比一般的非平衡信号传输方法可降低传输干扰超过10dB。
        将该改进方法用于信号发信端或者收信和发信端二端同时应用都可以得到同样的抗干扰效果，分析过程同上。