Use un giro y otros alambres populares para reducir el ruido EMI / RFI

 

Resumen: Alexander Graham Bell patentó cables de par trenzado en el año 1881. Aún así los usamos hoy en día, ya que trabajan muy bien. Además tenemos la ventaja de la potencia de los ordenadores increíble dentro de nuestro mundo. Simuladores de circuitos y programas de diseño de filtros están disponibles para poco o ningún costo.Combinamos el par trenzado y filtros de paso bajo para producir el rechazo espectacular de la interferencia de radiofrecuencia (RFI) y la interferencia electromagnética (EMI). También ilustran el uso de una matriz de resistencia de precisión para producir un amplificador diferencial adaptable. Las resistencias de precisión ajustar la ganancia y la relación de rechazo de modo común, mientras se elige la respuesta de frecuencia.

Una versión similar de este artículo apareció en el 08 de mayo 2012 cuestión de los EE Times revista.

Introducción

Una vuelta de tuerca. "The Twist. ¹ "Un par trenzado. Alexander Graham Bell patentó cable de par trenzado en el año 1881. Es sorprendente que todavía los utilizan, ya que trabajan muy bien. Además, hoy en día por el poder de equipo increíble en el aprovechamiento de los arreglos de compuertas programables en campo (FPGAs), simuladores de circuitos, filtros y programas de diseño que puede hacer un cable de par trenzado aún más útil en la comunicación de datos.

FPGAs colocar un considerable poder y la flexibilidad en el control del ingeniero de diseño. Relativamente bajo volumen de proyectos que nunca sería factible en la medida de aplicaciones específicas de circuitos integrados ( ASIC ) se convierten en práctica. Muchos de alto volumen de los proyectos utilizan los FPGA para crear prototipos y probar las nuevas funciones antes de comprometerse con el silicio personalizado. La fuerza de un FPGA en el procesamiento digital es complejo, y como resultado algunas analógica procesamiento de la señal está limitada por el ruido digital.Ganancia analógica externa, que se compensan, filtrado y procesamiento de la FPGA puede ayudar a servir mejor a la aplicación.

En este artículo se muestra cómo combinar un cable de par trenzado y filtros de paso bajo para producir el rechazo espectacular de la interferencia de radiofrecuencia (RFI) y la interferencia electromagnética (EMI). También ilustra el uso de una amplia resistencia de precisión para producir un amplificador diferencial personalizable que ayuda a tirar de la señal de la interferencia de ruido y mejora el rendimiento de FPGA. Las resistencias de precisión y ajustar la gananciade modo común relaciones de rechazo, mientras que optamos por la respuesta de frecuencia.

La importancia de un toque

Sorprendentemente un "giro" se ha convertido en importante en las comunicaciones de datos. El giro aparentemente simple de un par o pares, de los cables puede reducir la interferencia, RFI y EMI.

Con el crecimiento explosivo de la Internet y los ordenadores, podríamos pensar que los pares trenzados de alambre son un invento reciente. Nos equivocaríamos. Figura 1 es una copia de 1881 Alexander Graham Bell la patente. Él describe la interacción entre muchos pares trenzados.

Figura 1. Patente de EE.UU. 244.426, concedida en 1881 a Alexander Graham Bell. ²

En palabras del Sr. Bell,

Los varios circuitos están compuestos cada uno de dos cables-uno directo y un retorno de alambre formando un circuito-metálico. Perturbación inductivo en el teléfono y en otros instrumentos eléctricos conectados con un circuito metálico cuando la tarde se coloca en la vecindad de otros circuitos eléctricos surge del efecto desigual inductiva de la tarde a los dos cables, ya que es evidente que si el directo y cable de retorno se vieron afectados por igual de la corriente generada en un neutralizar y destruir que creó en la otra. La alteración puede evitarse mediante la colocación de los dos cables en la misma relación inductiva a las corrientes perturbadoras, o, siendo las otras condiciones las mismas, mediante su puesta a igual distancia de dichos circuitos. ³

En estas palabras de salvia más de 125 años, tenemos el principio moderno de señalización diferencial . ⁴ Figura 2 se muestra cómo un campo magnético generado por la corriente que fluye en el conductor A causa una indeseada que la corriente fluya en alambre B.

Figura 2. Diafonía entre cables: un campo magnético generado por la corriente que fluye en el conductor A causa una indeseada que la corriente fluya en alambre B.

Los condensadores están trazada entre los alambres para indicar la capacitancia parásita distribuido. A medida que aumente la frecuencia de la diafonía de interferencia, el acoplamiento capacitivo se vuelve más dominan. En la figura 3podemos ver el efecto de cancelación descrito por el Sr. Bell. Cuando una señal de interferencia se aplica igualmente a ambos lados del par trenzado, la señal interferente se neutraliza y se destruye. En las frecuencias de radio de la capacitancia parásita voluntad energía par entre los alambres. Una vez más, debido a la interferencia es igual y opuesta en el par trenzado, la solicitud de información tiende a anular. Al recibir la señal de par trenzado con un diferencial aumenta el efecto de cancelación.

Figura 3 diafonía entre cables se cancela cuando una señal de interferencia se aplica igualmente a ambos lados de un alambre de par trenzado.

Cable de par trenzado también se puede envolver con una vaina conductor de blindaje que actúa como un escudo electrostático. Como de radio frecuencia (RF) son más atenuada, el escudo aumenta la capacitancia parásita y actúa como un filtro de paso bajo. Los hilos de la resistencia y la inductancia son un componente de la serie; la capacitancia parásita a tierra forma el filtro de paso bajo. Esta es una buena cosa cuando el enlace de comunicaciones es sólo con bajas frecuencias de audio, tales como teléfono o por otras señales de banda estrecha.

El uso de un filtro de paso bajo para reducir la RFI

Por ejemplo, la velocidad de una medición de la temperatura puede estar limitada por la masa física del objeto medido.Una unidad de calefacción de los hogares que sólo necesite para medir la temperatura cada minuto o dos. Debido a que la masa del aire, paredes, suelos, y el techo es alto, la temperatura cambia lentamente. En consecuencia, la medición de millones de veces por segundo no va a mejorar ya sea la medición de temperatura del calentador o de control de la temperatura .

Nos movemos exterior. RFI se pueden generar en los cables exteriores en una vivienda. El ejemplo es una casa, mi hogar, a una milla de una estación de 50.000 W de radio AM. Por desgracia, los cables de teléfono recogidos en la señal de la estación de 1.37MHz.The fue rectificada en los teléfonos, la reproducción de audio de la estación en la línea telefónica. Esto fue bastante molesto escuchar e hizo imposible el uso de módems telefónicos. Estudio de la estación está al lado del transmisor y la antena, por lo que la solución era simple. Por definición, los ingenieros son expertos en la eliminación de 1.37MHz de sus sistemas de audio y teléfono. Así que les pidió a la "ruidosa" del teléfono y le preguntó qué filtro de paso bajo que se utiliza.

Figura 4. Un esquema filtro de paso bajo.

¿Por qué un filtro simple como la figura 4 funciona tan bien? El secreto está en la física: ¿qué es lo que queremos conservar y qué es lo que queremos rechazar en las líneas? En este caso, el audio de teléfono que quería era 300Hz a 3kHz y la señal no deseada era 1.37MHz. La diferencia entre las frecuencias es una relación de más de 450. Usando FilterFree por Nuhertz ® ⁵ se realizó un filtro de respuesta Butterworth y graficar su respuesta ( Figura 5 ). El filtro es esencialmente plana a 3 kHz y> 135 dB abajo en 1.37MHz. El 135 dB es una atenuación de 5,6 millones de veces.Cuando la emisora ​​de radio conectado en el filtro, se resolvió el tema y no interferir con la línea telefónica más.

Figura 5. El uso de un filtro de paso bajo, el audio del teléfono pasa a través de las líneas, mientras que la emisora ​​de radio RFI es rechazada.

¿Funcionaría un simple filtro, así? Una herramienta shareware, Solve Elec, ⁶ es un simulador de circuitos con "filter.eln de paso bajo," un solo filtro RC. Utilizando ese filtro RC y cambiando los valores para proporcionar un punto de 8kHz-3dB nos da la respuesta de la Figura 6 .

Figura 6. Una simple respuesta del filtro RC de la solicitud de información en las líneas telefónicas en el ejemplo aquí.

El audio telefónico en 3 kHz se redujo a menos de 0,5 dB, pero la emisora ​​de radio RFI cayó sobre 44dB, o una relación de más de 150 veces la atenuación. De hecho, también podría utilizar la resistencia y la inductancia de la línea telefónica como elemento de serie y sólo tiene que añadir un pequeño condensador a tierra para reducir la emisora ​​de radio RFI aún más.

Consideremos ahora una fábrica de temperatura del sistema de medición, donde los cables son cientos de pies de largo y puede actuar como una antena de radio. Hay más oportunidad para RFI aquí. Si la velocidad de la medición de la temperatura necesaria se mantiene constante durante un período de tiempo definido, a continuación, añadiendo un filtro de paso bajo en serie con los cables sensores eliminará RFI. Cómo debemos recibir la señal en el par trenzado?Diferencialmente, por supuesto, para asegurarse de que las señales no deseadas realmente se cancelan mutuamente.Figura 7 muestra un circuito.

Figura 7. Un amplificador diferencial con la red de precisión MAX5426 resistencia da las opciones de diseño con las características del amplificador.

La configuración del circuito de la Figura 7 también se llama un amplificador de instrumentación. Mientras que muchos circuitos totalmente integrados están disponibles con los amplificadores operacionales en el paquete, el MAX5426amplia resistencia de precisión ofrece un diseño único de control sobre las características del amplificador. Las resistencias de precisión permiten la selección digital de ganancias diferenciales de 1, 2, 4, 8 o con una selección de la precisión de 0,5% a 0,025%. Coincidencia de precisión resistencia permite excelente rechazo de modo común de más de 79dB. El amplificador operacional es seleccionado por el diseñador del circuito y permite que la respuesta de frecuencia para adaptarse a la aplicación. Así, el filtrado de front-end puede ser aumentada.

Conclusión

Todavía podemos escuchar a Chubby Checker y "The Twist" a través de Internet o de las ondas del aire. Y a pesar de que Alexander Graham Bell hace mucho entender los principios de pares trenzados, que se maravillan de lo que la ciencia moderna se puede hacer con los cables de par trenzado, el diseño de circuitos, herramientas de simulación, y FPGAs. Con sólo girar la derecha de un alambre y un filtro de paso bajo, usted puede reducir EMI y RFI y hacer que la comunicación de datos más robusta.

Referencias

1. 1960 la música pop de Chubby Checker golpeado, "The Twist", ha sido regrabado en muchas formas. Según supágina web , "The Twist" es la única canción a ser # 1 dos veces y es también la canción # 1 de todos los tiempos (Billboard Magazine, septiembre de 2008).
2. Para la información sobre patentes, vaya a www.google.com/patents?id=DEBJAAAAEBAJ&printsec=abstract&zoom=4 # v = onepage & q & f = false . Para información general sobre la invención,
3. Alexander Graham Bell en los Estados Unidos Oficina de Patentes y Marcas, la patente de EE.UU.
4. El término "circuito metálico" se utiliza para evitar la confusión con los circuitos telefónicos anteriores. Teléfonos estaban conectados originalmente con un solo alambre y se utiliza una ruta de retorno a tierra para salvar alambre de cobre. Como la energía eléctrica y los cables de tranvías fueron colocados cerca de los cables de teléfono, la interferencia se produjo.
5. Para obtener más información, vaya a www.nuhertz.com .
6. Para obtener más información, vaya a www.physicsbox.com / indexenglish.html .