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。