工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术
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叼着烟斗的教授_139!要你好玩!
众所周知,地球是一个静电容量很大的导体,其电位非常恒定.如果 把一个导体与大地紧密连接,那么该导体的电位也是恒定的.通常我 们把它的电位叫作零电位,它是电位的参考点.然而,工程上不可能 做到这种紧密连接,总是存在一定的接地电阻.当有电流经该导体入 地时,它的电位就有波动.于是,不同的接地点之间的电位就会有差 异.当我们用一根导线连接不同的接地点时,在导线中就可能有电流 流动,这称为地环电流.接地抗干扰技术就是解决以地环电流为中心 的一系列技术问题.图1 等效示意了信号源地线和放大器地线之间的电 位差形成的干扰源EG,它对电路主要造成共模形式的干扰. 图1 地电位差和电磁干扰造成的共模电压的等效图 然而,由干扰源Ecm和EG形成的共模电压,其中一部分会转换成差模电压, 直接对电路造成干扰.假设信号源Es=0,即只考虑干扰源Ecm和EG的作用时.因为i1 回路和i2 回路阻抗不相等,因此,回路电流i1和i2也不相等.于是两个电流的差在放大器的输入电阻上形成了差模电压.采取合适的屏蔽和正确的接地措施就可 以减少和消除这些干扰. 1 屏蔽抗干扰技术 1.1 电场耦合的屏蔽和抑制技术 克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽.因为放置在空心导体或者金属网内的物体不受外电场的影响.请注意,屏蔽电场耦合干扰时,导线的屏蔽层最好不要两 端连接当地线使用.因在有地环电流时,这将在屏蔽层形成磁场,干扰被屏蔽的导线.正确的作法是把屏蔽层单点接地,一般选择它的任一端头接地. 造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合.当两导线形成电场耦合干扰时,导线1在导线2上产生的对地干扰电压VN为:
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PLC控制系统应用的抗干...
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工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术
栏目:电子 | 作者:叼着烟斗的教授 | 点击: 2 | 回复:0 | 2006-5-16 6:33:31
工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术* 孟传良 (贵州工业大学 计算机科学与工程系,贵州 贵阳 550003) 控制技术研究所 摘 要 屏蔽是抑制干扰的重要方法.而良好的接地则是使工业控制机系统稳定运行,消除干扰的重要措施.屏蔽和接地两大技术之间的联系密切,如果应用得 法,可以明显提高系统的抗干扰能力.论述了工控系统工程中使用屏蔽和接地技术的诸多要点. 关键词 控制;抗干扰;可靠性;屏蔽;接地 中图分类号 TP391.8;TP802.1;TP802.6 0引言 工业现场动力线路密布,设备启停运转繁忙,因此存在严重的电场和磁场干扰.而工业控制系统又有几十乃至几百个输入输出通道分布在其中,导线之间形成相 互耦合是通道干扰的主要原因之一.它们主要表现为电容性耦合,电感性耦合,电磁场辐射三种形式. 在工业控制系统中,由前两种耦合造成的干扰是主要的,第三种是次要的.它们对电路主要造成共模形式的干扰.可以等效为图1中的干扰源Ecm. 文献标识码 B
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在图4(a) 所示意的串联接地方式中,电路1,2,3各有一个电流i1,i2,i3流向 接地点.由于地线存在电阻,因此,A,B,C点的电位不再是零, 于是各个电 路间相互发生干扰.尤其是强信号电路将严重干扰弱信号电路.如果必须要这样 使用,应当尽力减小公共地线的阻抗,使其能达到系统的抗干扰容限要求.串联 的次序是,最怕干扰的电路的地接A点,而最不怕干扰的电路的地应当接C点. 但工业控制机中的模拟通道和数字通道不能这样串联接地.应当按照图4(b)所示 意的并联接地方式使用.并联接地中各个电路的地电位只与其自身的地线阻抗和 地电流有关,互相之间不会造成耦合干扰.因此,有效地克服了公共地线阻抗的 耦合干扰问题,工业控制机应当尽量采用并联接地方式.值得注意的是,虽然采 用了并联接地方式,但是地线仍然要粗一些,以使各个电路部件之间的地电位差 尽量减小.这样,当各个部件之间有信号传送时,地线环流干扰将减小. 图4 电路部件的一点接地 (a)串联接地方式(b)并联接地方式 2.2 一个实际的信号采集系统接地方案
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图3 双绞线的用法及其抗磁场耦合干扰能力 2 接地抗干扰技术 接地抗干扰技术的主要内容,其一是避开地环电流的干扰;其二是降低公共地线阻抗的耦合干扰."一点接地"有效地避开了地环电流;而在"一点接地"前提 下,并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施;它们是工业控制系统采用的最基本的接地方法. 然而,工业控制系统接地的含义不一定就是接大地.例如直流接地只是定义电路或系统的基准电位.它可以悬浮,但要求与大地严格绝缘.通常,其绝缘电阻要 达到50 MΩ以上.直流地悬浮隔离了交流地网的干扰,经济简便,工程中经常使用.直流地悬浮的缺点是机器容易带静电,如果该静电电位过高,会损坏器 件,击伤操作人员等等;而且,如果这时直流地与大地的绝缘电阻减小,可能会产生很多原先没有想到的干扰.直流地接大地,按照国家标准,要埋设一个不大 于4 Ω的独立接地体.但无论直流地悬浮或者接大地,直流地与大地之间的电位都存在着间接或者直接的关系.工业控制机所操作的各种输入输出信号之间接 地是否合理,不只是形成相互耦合干扰的问题,有时还危及计算机系统的安全. 在实际的工业控制系统中,各种通道的信号频率大多在1MHz内,属于低频范 围.因此,本文只涉及低频范围的接地讨论. 2.1 串联接地和并联接地
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1.2 磁场耦合的抑制技术 抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源.大电机,电抗器,磁力开关和大电流载流导线等等都是很强的磁场干扰源.但把它们都用导磁材料屏蔽起来,在 工程上是很难做到的.通常是采用一些被动的抑制技术.当回路1对回路2造成磁场耦合干扰时,其在回路2 上形成的串联干扰电压VN为: VN=jωBAcosθ (3) 式中,ω是干扰信号的角频率;B是干扰源回路1形成的磁场链接至回路2处的磁通密度;A为回路2感受磁场感应的闭合面积,θ是 和 两个矢量的夹角.
(a)单端接地
(b)两端接地 图2 屏蔽线的用法
(c)屏蔽层不接地
如果把图(c)的抑制磁场干扰衰减能力定为0 dB,当图(a),(b),(c)的信号源内阻RS都为100Ω,负载电阻RL都为1 MΩ,信号源频率在50 kHz(高于该电缆屏蔽体 截频的5倍)时,根据国外专家实验测定,图(a)具有80 dB的衰减,即抑制磁场干扰能力很强.而图(b)具有27 dB的磁场干扰抑制能力. 图(a)的单端接地方式抗 干扰能力最好.其接地点的选择可以是图(a)中的情况,也可以选择负载电阻RL侧接地,而让信号源浮置. 1.4 双绞线的使用
图5 一个实际的信号采集系统接地示意图 一个实际的信号采集系统接地示意图如图5所示. 多个模拟输入信号采用屏蔽双绞线接至工控数据采集处理机.所有模拟信号源都浮置,这对于多数工业变送器 (传感器)来说,都能够满足这个要求.模拟输入信号采用一点接地,接地点选在微处理机的模入接口的模拟地GA上.屏蔽层也采用一点接地,接在模拟地 上.这与图3(c)的用法相同.这种用法靠双绞线抑制磁场耦合干扰,屏蔽层屏蔽电场干扰.虽然抑制dB数不算高,但它不会引入其它噪声,可靠性较好,不论在 什么现场环境都可用.所有的模拟电路的地线并联于GA点,然后用一根具有绝缘皮的低阻抗导线,将模拟地连接到专为工控机埋设的独立接地体的线鼻上.工 控数据采集处理机的数字地也应并联于一点GD,仍然用一根具有绝缘皮的低阻抗导线,将数字地GD连接到专为工控机埋设的独立接地体的线鼻上.工控机的外 设地线也应并联于该独立接地体的线鼻上.对于一般的工业现场,外设的保护地线,工控机柜,传感器柜,执行器柜等的保护地线都可以并联到该独立接地体的
从式(3)可以看出,在干扰源的角频率ω不变时,要想降低干扰电压VN,首先应当减小B.对于直线电流磁场来说,B与回路1流过的电流成正比,而与两导线的 距离成反比 .因此,要有效抑制磁场耦合干扰,仍然是远离技术.同时,也要避免平行走线. 1.3 屏蔽线的使用 图2示出了屏蔽线使用的三种情况.图(a)是单端接地方式.假设信号电流i1从芯线流入屏蔽线,流过负载电阻RL之后,再通过屏蔽层返回信号源.因为i1与i2大小 相等方向相反,所以它们产生的磁场干扰相互抵消.这是一个很好的抑制磁场干扰的措施.同时它也是一个很好的抵制磁场耦合干扰的措施.图(b)是两端接地 方式.由于屏蔽层上流过的电流是i2与地环电流iG的迭加,所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰.因此,它抑制磁场耦合干扰的能力也比图(a)差.图 (a)和(b)都有屏蔽电场耦合干扰作用.图(c)的屏蔽层悬浮,因此,它只有屏蔽电场耦合干扰能力,而无抑制磁场耦合干扰能力.
式中,V1和ω是干扰源导线1的电压和角频率;R和C2G是被干扰导线2的对地负载电阻和总电容;C12是导线1和导线2之间的分布电容.通常,C12<<C2G,因此, 式(1)可以简化成:
从式(2)可以看出,在干扰源的角频率ω不变时,要想降低导线2上的被干扰电压VN, 应当减小导线1的电压V1,减小两导线之间的分布电容C12,减小导线2对地 负载电阻R以及增大导线2对地的总电容C2G.在这些措施中,可操作性最好的是减小两导线之间的分布电容C12.即采用远离技术:弱信号线要远离强信号线敷 设,尤其是远离动力线路.工程上的"远离"概念,通常取干扰导线直径的40倍,即认为足够了.同时,避免平行走线也可以减小C12.
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双绞线的绞扭节距把式(3)中的A回路分隔成许多的小回路,如果双绞线的绞 扭一致的话,那么这些小回路的面积相等而法方向相反,因此,其磁场干扰 可以相互抵消.双绞线的结构对电场耦合干扰的抑制毫无能力.当给双绞线 加上屏蔽层后,一个价廉物美的传输线就诞生了.图3示出了双绞线的使用方 法.如果每2.54 cm扭6 个均匀绞扭的话,当采用上节约定的参数时,根据国 外专家的实验测定,各用法对磁场干扰的抑制dB数如图所示.其中图(a)采用 单端接地方式,因此对磁场干扰具有高达55 dB的衰减能力.可见,双绞线确 实有很好的效果.而图(b)由于两端接地,地线阻抗与信号线阻抗不对称,地 环电流造成了双绞线电流不平衡,因此降低了双绞线抗磁场干扰的能力,所 以图(b)只有13 dB的磁场干扰衰减能力.图(c)使用屏蔽双绞线,由于其屏蔽 层一端接地,另一端悬空,因此屏蔽层上没有返回信号电流,所以它的屏蔽 层只有抗电场干扰能力,而无抑制磁场耦合干扰能力.所以图(c)的dB数与图 (a)一样衰减55 dB.图(d)屏蔽层单端接地,而另一端又与负载冷端相连,因 此它具有图2(a)的效果,但它的屏蔽层上的电流由于被双绞线中的一根分 流,又比图2(a)稍差.具有77 dB的衰减.图(e)的屏蔽层双端接地,具有一定 的抑制磁场耦合干扰能力,加上双绞线本身的作用,因此具有63 dB的衰减. 图(f)的屏蔽层和双绞线都两端接地,因此其效果只是比图3(b)稍好.具有28 dB衰减. 双绞线最好的应用是作平衡式传输线路.因为两条线的阻抗一样,自身产生 的磁场干扰或外部磁场干扰都可以较好的抵消.同时,平衡式传输又独具很 强的抗共模干扰能力,因此成为大多数计算机网络的传输线.例如,物理层 采用RS422A或RS485通信接口,就是很好的平衡传输模式.
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众所周知,地球是一个静电容量很大的导体,其电位非常恒定.如果 把一个导体与大地紧密连接,那么该导体的电位也是恒定的.通常我 们把它的电位叫作零电位,它是电位的参考点.然而,工程上不可能 做到这种紧密连接,总是存在一定的接地电阻.当有电流经该导体入 地时,它的电位就有波动.于是,不同的接地点之间的电位就会有差 异.当我们用一根导线连接不同的接地点时,在导线中就可能有电流 流动,这称为地环电流.接地抗干扰技术就是解决以地环电流为中心 的一系列技术问题.图1 等效示意了信号源地线和放大器地线之间的电 位差形成的干扰源EG,它对电路主要造成共模形式的干扰. 图1 地电位差和电磁干扰造成的共模电压的等效图 然而,由干扰源Ecm和EG形成的共模电压,其中一部分会转换成差模电压, 直接对电路造成干扰.假设信号源Es=0,即只考虑干扰源Ecm和EG的作用时.因为i1 回路和i2 回路阻抗不相等,因此,回路电流i1和i2也不相等.于是两个电流的差在放大器的输入电阻上形成了差模电压.采取合适的屏蔽和正确的接地措施就可 以减少和消除这些干扰. 1 屏蔽抗干扰技术 1.1 电场耦合的屏蔽和抑制技术 克服电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽.因为放置在空心导体或者金属网内的物体不受外电场的影响.请注意,屏蔽电场耦合干扰时,导线的屏蔽层最好不要两 端连接当地线使用.因在有地环电流时,这将在屏蔽层形成磁场,干扰被屏蔽的导线.正确的作法是把屏蔽层单点接地,一般选择它的任一端头接地. 造成电场耦合干扰的原因是两根导线之间的分布电容产生的耦合.当两导线形成电场耦合干扰时,导线1在导线2上产生的对地干扰电压VN为:
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工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术* 孟传良 (贵州工业大学 计算机科学与工程系,贵州 贵阳 550003) 控制技术研究所 摘 要 屏蔽是抑制干扰的重要方法.而良好的接地则是使工业控制机系统稳定运行,消除干扰的重要措施.屏蔽和接地两大技术之间的联系密切,如果应用得 法,可以明显提高系统的抗干扰能力.论述了工控系统工程中使用屏蔽和接地技术的诸多要点. 关键词 控制;抗干扰;可靠性;屏蔽;接地 中图分类号 TP391.8;TP802.1;TP802.6 0引言 工业现场动力线路密布,设备启停运转繁忙,因此存在严重的电场和磁场干扰.而工业控制系统又有几十乃至几百个输入输出通道分布在其中,导线之间形成相 互耦合是通道干扰的主要原因之一.它们主要表现为电容性耦合,电感性耦合,电磁场辐射三种形式. 在工业控制系统中,由前两种耦合造成的干扰是主要的,第三种是次要的.它们对电路主要造成共模形式的干扰.可以等效为图1中的干扰源Ecm. 文献标识码 B
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在图4(a) 所示意的串联接地方式中,电路1,2,3各有一个电流i1,i2,i3流向 接地点.由于地线存在电阻,因此,A,B,C点的电位不再是零, 于是各个电 路间相互发生干扰.尤其是强信号电路将严重干扰弱信号电路.如果必须要这样 使用,应当尽力减小公共地线的阻抗,使其能达到系统的抗干扰容限要求.串联 的次序是,最怕干扰的电路的地接A点,而最不怕干扰的电路的地应当接C点. 但工业控制机中的模拟通道和数字通道不能这样串联接地.应当按照图4(b)所示 意的并联接地方式使用.并联接地中各个电路的地电位只与其自身的地线阻抗和 地电流有关,互相之间不会造成耦合干扰.因此,有效地克服了公共地线阻抗的 耦合干扰问题,工业控制机应当尽量采用并联接地方式.值得注意的是,虽然采 用了并联接地方式,但是地线仍然要粗一些,以使各个电路部件之间的地电位差 尽量减小.这样,当各个部件之间有信号传送时,地线环流干扰将减小. 图4 电路部件的一点接地 (a)串联接地方式(b)并联接地方式 2.2 一个实际的信号采集系统接地方案
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图3 双绞线的用法及其抗磁场耦合干扰能力 2 接地抗干扰技术 接地抗干扰技术的主要内容,其一是避开地环电流的干扰;其二是降低公共地线阻抗的耦合干扰."一点接地"有效地避开了地环电流;而在"一点接地"前提 下,并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施;它们是工业控制系统采用的最基本的接地方法. 然而,工业控制系统接地的含义不一定就是接大地.例如直流接地只是定义电路或系统的基准电位.它可以悬浮,但要求与大地严格绝缘.通常,其绝缘电阻要 达到50 MΩ以上.直流地悬浮隔离了交流地网的干扰,经济简便,工程中经常使用.直流地悬浮的缺点是机器容易带静电,如果该静电电位过高,会损坏器 件,击伤操作人员等等;而且,如果这时直流地与大地的绝缘电阻减小,可能会产生很多原先没有想到的干扰.直流地接大地,按照国家标准,要埋设一个不大 于4 Ω的独立接地体.但无论直流地悬浮或者接大地,直流地与大地之间的电位都存在着间接或者直接的关系.工业控制机所操作的各种输入输出信号之间接 地是否合理,不只是形成相互耦合干扰的问题,有时还危及计算机系统的安全. 在实际的工业控制系统中,各种通道的信号频率大多在1MHz内,属于低频范 围.因此,本文只涉及低频范围的接地讨论. 2.1 串联接地和并联接地
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1.2 磁场耦合的抑制技术 抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源.大电机,电抗器,磁力开关和大电流载流导线等等都是很强的磁场干扰源.但把它们都用导磁材料屏蔽起来,在 工程上是很难做到的.通常是采用一些被动的抑制技术.当回路1对回路2造成磁场耦合干扰时,其在回路2 上形成的串联干扰电压VN为: VN=jωBAcosθ (3) 式中,ω是干扰信号的角频率;B是干扰源回路1形成的磁场链接至回路2处的磁通密度;A为回路2感受磁场感应的闭合面积,θ是 和 两个矢量的夹角.
(a)单端接地
(b)两端接地 图2 屏蔽线的用法
(c)屏蔽层不接地
如果把图(c)的抑制磁场干扰衰减能力定为0 dB,当图(a),(b),(c)的信号源内阻RS都为100Ω,负载电阻RL都为1 MΩ,信号源频率在50 kHz(高于该电缆屏蔽体 截频的5倍)时,根据国外专家实验测定,图(a)具有80 dB的衰减,即抑制磁场干扰能力很强.而图(b)具有27 dB的磁场干扰抑制能力. 图(a)的单端接地方式抗 干扰能力最好.其接地点的选择可以是图(a)中的情况,也可以选择负载电阻RL侧接地,而让信号源浮置. 1.4 双绞线的使用
图5 一个实际的信号采集系统接地示意图 一个实际的信号采集系统接地示意图如图5所示. 多个模拟输入信号采用屏蔽双绞线接至工控数据采集处理机.所有模拟信号源都浮置,这对于多数工业变送器 (传感器)来说,都能够满足这个要求.模拟输入信号采用一点接地,接地点选在微处理机的模入接口的模拟地GA上.屏蔽层也采用一点接地,接在模拟地 上.这与图3(c)的用法相同.这种用法靠双绞线抑制磁场耦合干扰,屏蔽层屏蔽电场干扰.虽然抑制dB数不算高,但它不会引入其它噪声,可靠性较好,不论在 什么现场环境都可用.所有的模拟电路的地线并联于GA点,然后用一根具有绝缘皮的低阻抗导线,将模拟地连接到专为工控机埋设的独立接地体的线鼻上.工 控数据采集处理机的数字地也应并联于一点GD,仍然用一根具有绝缘皮的低阻抗导线,将数字地GD连接到专为工控机埋设的独立接地体的线鼻上.工控机的外 设地线也应并联于该独立接地体的线鼻上.对于一般的工业现场,外设的保护地线,工控机柜,传感器柜,执行器柜等的保护地线都可以并联到该独立接地体的
从式(3)可以看出,在干扰源的角频率ω不变时,要想降低干扰电压VN,首先应当减小B.对于直线电流磁场来说,B与回路1流过的电流成正比,而与两导线的 距离成反比 .因此,要有效抑制磁场耦合干扰,仍然是远离技术.同时,也要避免平行走线. 1.3 屏蔽线的使用 图2示出了屏蔽线使用的三种情况.图(a)是单端接地方式.假设信号电流i1从芯线流入屏蔽线,流过负载电阻RL之后,再通过屏蔽层返回信号源.因为i1与i2大小 相等方向相反,所以它们产生的磁场干扰相互抵消.这是一个很好的抑制磁场干扰的措施.同时它也是一个很好的抵制磁场耦合干扰的措施.图(b)是两端接地 方式.由于屏蔽层上流过的电流是i2与地环电流iG的迭加,所以它不能完全抵消信号电流所产生的磁场干扰.因此,它抑制磁场耦合干扰的能力也比图(a)差.图 (a)和(b)都有屏蔽电场耦合干扰作用.图(c)的屏蔽层悬浮,因此,它只有屏蔽电场耦合干扰能力,而无抑制磁场耦合干扰能力.
式中,V1和ω是干扰源导线1的电压和角频率;R和C2G是被干扰导线2的对地负载电阻和总电容;C12是导线1和导线2之间的分布电容.通常,C12<<C2G,因此, 式(1)可以简化成:
从式(2)可以看出,在干扰源的角频率ω不变时,要想降低导线2上的被干扰电压VN, 应当减小导线1的电压V1,减小两导线之间的分布电容C12,减小导线2对地 负载电阻R以及增大导线2对地的总电容C2G.在这些措施中,可操作性最好的是减小两导线之间的分布电容C12.即采用远离技术:弱信号线要远离强信号线敷 设,尤其是远离动力线路.工程上的"远离"概念,通常取干扰导线直径的40倍,即认为足够了.同时,避免平行走线也可以减小C12.
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双绞线的绞扭节距把式(3)中的A回路分隔成许多的小回路,如果双绞线的绞 扭一致的话,那么这些小回路的面积相等而法方向相反,因此,其磁场干扰 可以相互抵消.双绞线的结构对电场耦合干扰的抑制毫无能力.当给双绞线 加上屏蔽层后,一个价廉物美的传输线就诞生了.图3示出了双绞线的使用方 法.如果每2.54 cm扭6 个均匀绞扭的话,当采用上节约定的参数时,根据国 外专家的实验测定,各用法对磁场干扰的抑制dB数如图所示.其中图(a)采用 单端接地方式,因此对磁场干扰具有高达55 dB的衰减能力.可见,双绞线确 实有很好的效果.而图(b)由于两端接地,地线阻抗与信号线阻抗不对称,地 环电流造成了双绞线电流不平衡,因此降低了双绞线抗磁场干扰的能力,所 以图(b)只有13 dB的磁场干扰衰减能力.图(c)使用屏蔽双绞线,由于其屏蔽 层一端接地,另一端悬空,因此屏蔽层上没有返回信号电流,所以它的屏蔽 层只有抗电场干扰能力,而无抑制磁场耦合干扰能力.所以图(c)的dB数与图 (a)一样衰减55 dB.图(d)屏蔽层单端接地,而另一端又与负载冷端相连,因 此它具有图2(a)的效果,但它的屏蔽层上的电流由于被双绞线中的一根分 流,又比图2(a)稍差.具有77 dB的衰减.图(e)的屏蔽层双端接地,具有一定 的抑制磁场耦合干扰能力,加上双绞线本身的作用,因此具有63 dB的衰减. 图(f)的屏蔽层和双绞线都两端接地,因此其效果只是比图3(b)稍好.具有28 dB衰减. 双绞线最好的应用是作平衡式传输线路.因为两条线的阻抗一样,自身产生 的磁场干扰或外部磁场干扰都可以较好的抵消.同时,平衡式传输又独具很 强的抗共模干扰能力,因此成为大多数计算机网络的传输线.例如,物理层 采用RS422A或RS485通信接口,就是很好的平衡传输模式.
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