模拟传感器电缆屏蔽方法

模拟传感器电缆屏蔽方法 模拟传感器电缆屏蔽方法 57603部队 曹丽霞 康拓公司 魏德骄 摘 要： 本文从实用角度出发概述了传感器电缆屏蔽的意义和常用规则，通过一些典型实例介绍了两种电缆屏蔽方法：单端接地法和混合接地法。 关键词：电磁场耦合 屏蔽 单端接地 混合接地 一、概述 一般说来，形成电磁干扰必须具备三个条件：噪声源、耦合路径(或介质)和接收电路(对噪 声敏感的电路)。 模拟系统工作环境一般有许多电磁干扰(EMI)源，通常包括电源线、逻辑信号、开关电源、 无线电台、电子闪光及电机等。来自上述干扰源的噪声很容易通过某种耦合路径进入模拟信 号通道。例如，信号电缆起到天线的作用，可把噪声耦合进模拟信号通道。 电磁噪声进入敏感的电缆有两种路径：电容(或电场)耦合和电感(或磁场)耦合(如图1所示) 。当噪声源和电缆之间存在寄生电容时，就能产生电容耦合。寄生电容的大小由噪声源与电缆之间的距离、形状、取向及介质决定。当磁砀从一个线圈耦合到另一个线圈时，通过寄生互感线圈就产生了磁场耦合。 图1 电磁干扰进入系统的两种路径 生互感的大小取决于实际问题中电路的形状与相对取向和介质磁特性，它与导线环路面积成正比。为了使模拟系统免受电磁干扰，尤其是在使用远程传感器的场合，我们首先给出电场 与磁场耦合屏蔽的一些常用规则，供工程人员参考。电场耦合屏蔽： ·不要让屏蔽电缆悬浮，应接到屏蔽范围内所包括电路的基准电位上。 ·如果屏蔽电缆分几段，在使用连接器时，每一段电缆必须与相邻段电缆依次连 接在一起，并且仅把最后一段连接到信号基准点上。 ·如果信号地多于一个，每一屏蔽层应连接到其自身被测信号的基准电位上。 ·不要将屏蔽电缆两端都直接接“地”。 ·不允许屏蔽电缆相对基准电位有电压。 ·使屏蔽电缆捕获的噪声合理地返回“地”线。 磁场耦合屏蔽： ·接收电路的放置应当尽可能远离磁场源。 ·不允许走线与磁场平行，而要与磁场成直角。 ·根据频率和场强选用适当的材料屏蔽磁场。例如，对高于200Hz的频率，32 mm的钢非常有效。对于低频磁场屏蔽(包括工频)，应选用高磁导率的磁性材料(比如μ合金)。 ·对传输大电流的导体(它是一种强磁场源)，应使用双绞线。 ·应尽量减小接收电路的环路面积。 二、电缆屏蔽方法实验分析 为了进一步研究屏蔽问题，我们以精密电阻温度计(RTD)放大电路为例，通过一系列屏蔽 实验结果分析，引出正确的电缆屏蔽方法。按照图2所示，通过10英尺屏蔽电缆把远端的100ΩRTD和桥路、桥路激励电路和桥路放大电路连接起来。RTD作为桥路的一个臂(另外三个电阻作为桥路的三个臂位于桥路和桥路激励电路这一边)。调整仪放大器的增益，使得输出灵敏度为10mV/°C，且输出满量程为5V。采用不同的屏蔽线接地方法，测量仪表放大器的输出，而且是在实验室很多电气设备都在运行的情况下进行这些实验。 1屏蔽线必须接地 屏蔽线悬浮不能减小电磁干扰噪声，电容耦合还是存在(见图2)，因为悬浮的屏蔽线提供 了一个耦合路径，大多数电缆的寄生电容为10～30pF/ft。同样，高频(HF)磁场干扰也 没有 减小，因为悬浮的屏蔽电缆既不能改变导线的几何特性也不能改变导线的磁特性。低频(LF) 磁场干扰也不能显著地减小，因为大多数屏蔽材料只吸收少量的磁能。为了对电磁干扰、射 频干扰进行有效的屏蔽，屏蔽线必须接地。屏蔽线接地能把屏蔽线对地的阻抗(如图1中的Z) 减到最小值，从而明显地减小电场干扰的幅度。 垂直刻度：2mV/div； 水平刻度：10ms/div 图2 不接地的屏蔽电缆起到天线的作用 2屏蔽线两端直接接地的后果 有的工程设计人员常把屏蔽线的两端都接地，试图减小屏蔽线对地的电阻，进一步减小电场干扰。但是，这种方法会产生一系列新的潜在问题。屏蔽线两端的AC和DC电平是不同的。 如图3所示，当屏蔽线两端都接地时，会产生低频电流回路。低频电流流过屏蔽线大的回路 面积，并通过寄生电感耦合到屏蔽线内的信号线上。如果双绞线绕得很好(精确平衡)，那么 感生电压对仪表放大器来说呈现共模电压而不是差模电压。但是，导线不可能完全平衡，传 感器和激励电路也不可能完全匹配，而且接收端对共模抑制能力也是有限的。因此，在导线 的输出端存在 垂直刻度：2mV/div； 水平刻度：10ms/div 图3 屏蔽线的两端都接地会产生低频对地回路 差模电压，经仪表放大器放大呈现在输出端。 3单端接地法 对电场有效屏蔽，正确的接地方法如图4所示。应该指出的是，这种接地方法不再构成接地回路。这种屏蔽方法有一个单点接地端，而且这一点应位于信号调节电路。耦合到屏蔽线的噪声被接收端地吸收，而不呈现在仪表放大器的输出端。 垂直刻度：2mV/div； 水平刻度：10ms/div 图4 屏蔽线在接收端接地使高频和低频噪声 被接收端地吸收 图5示出了远程不接地无源传感器(脑电图仪电极)的正确接地方法。通过屏蔽双绞电缆接到一个高增益(G=1000)、低功耗仪表放大器AD620。屏蔽线应在信号调节电路端接地。还应当指出的是，这样垂直刻度：10mV/div； 水平刻度：0.2sec/div图5 对于不接地无源传感器屏蔽线应在接收端接地做在仪表放大器的输出端仍有60Hz的干扰。 4混合接地法 大多数高阻抗传感器电流或电压输出都比较小，例如光敏二极管对入射光的响应。这些小信 号很容易受电磁干扰(EMI)，并且它和电缆及放大器的干扰信号的大小为同一数量级。对于 这些高阻抗传感器，为了放大有用信号，且减小电缆寄生作用，建议在高阻抗传感器输出端 使用一个前置放大器。图6是一个高阻抗光电检测器及前置放大器驱动屏蔽双绞线的实例。前置放大器和屏蔽电缆在驱动端都接地。屏蔽线和驱动端地G1相接，以保证信号和屏蔽线驱动端用同一个基准点，接收端的电容器使屏蔽线上的高频噪声被地G2吸收，而不形成低频对地回路，这种流行的接地方法称为混合接地。 图6 带前置放大器的远程高阻抗传感器 图7示出了一个采用混合接地方法的有源双绞线驱动电路。当系统需要工作在宽频带范围时 ，混合接地方法常常是最好的选择。接收端的电容器使屏蔽线上的高频噪声被地G2吸收，而 不形成低频对地回路。在接收端用一共模线圈能防止射频干扰进入接收器。还应该注意的是，为了防止信号地受污染，屏蔽线应和机壳地相接。 图7 有源驱动器的混合(高频和低频)接地 三、结论 综上所述，屏蔽线接地方法必须考虑传感器的类型、结构以及干扰源的性质。当选用低阻抗 无源传感器时，屏蔽线的接收端接地是最合适的方法。当选用有源传感器时，屏蔽线在发送 端(和发送端直接连接)和接收端(通过一电容器连接至接收端地)都须接地。混合接地方法能 减小高频干扰，但不会形成低频对地回路。屏蔽双绞线能进一步减小干扰，因为耦合噪声表现为共模信号而不是差模信号。即使最好的屏蔽方法也会由于低劣的接地技术而影响屏蔽效果。屏蔽线常用“柔性铜辫”连接器和地相接，“柔性铜辫”连接器是用单根电缆把屏蔽线和机箱地或电路地相连。这种接地方法价格便宜，但在高频处，对地不能形成低阻抗，内部电缆与屏蔽层之间不应存在较大的空隙，因为这种空隙会给高频EMI噪声进入系统提供了路径。 电缆屏蔽方法小结 ·不要让屏蔽“悬浮”。 ·不要把屏蔽的两端都直接接地。 ·在屏蔽线上不能有低频电流。 ·采用混合接地法可抑制低频和高频电场干扰。 ·为了避免信号地受干扰应采用机箱地。 ·接收端使用共模线圈可增强射频干扰抑制能力。