电气串扰分析与应用

串扰的定义：

指当信号在电气线路上传播时，因电场耦合、磁场耦合、电阻耦合导致对相邻的线路产生的不期望的噪声干扰。

串扰分析

电场耦合

由于两个线路之间的等效电容导致的耦合，也叫capacitive coupling(容性耦合）。当源电路的阻抗很高时，产生电场耦合比较常见。

电场耦合特点：

1.源阻抗特别高(无电流）时起作用

2.在特定条件（弱耦合）下串扰与信号频率有近似正比的关系

3.增加距离可减小串扰

磁场耦合

当线路中电流发生变化时由于电磁感应导致相邻线路中产生电压或电流。

当左边导体内电流变化，会在其周围产生变化磁场；右边的导体切割磁力线，会产生感应电压。

磁场耦合特点：

1.源阻抗比较低（存在电流）时起作用

2.在特定条件（弱耦合、电阻性负载）下与信号频率存在正比关系

3.减小互感系数（增加距离）可减小串扰

4.减小自感系数（减小电流回路截面积）可减小串扰

电流回路

电流回路分析准则：

准则一： 电流最终回到电源，构成闭合回路

准则二： 电流总是沿着阻抗（不是电阻！）最小的路径

电路直流分析原则：

电阻的阻抗等于其直流电阻

电容的阻抗等于无穷大

电感的阻抗等于0

电路交流分析原则：

电阻的阻抗等于其直流电阻

电容的阻抗与信号频率相关（频率越高，阻抗越小）

电感的阻抗与信号频率相关（频率越高，阻抗越大）

交流分析示例

(图片来源:http://www.learnemc.com/tutorials/Current_Paths/Current_Paths.html)

信号源发出频率可变的电压信号，经过弯曲的屏蔽电缆接到负载（电阻）；电缆两端的屏蔽层连接在导电铜皮上。

信号频率较低与信号频率较高时的回流路径区别很大；信号频率较低时，电流回路构成的环路面积很大，容易受到外界交变磁场影响产生额外电流。

减小串扰的方法

1.敏感信号（如编码器、指令脉冲信号）的线路与其回流线要使用双绞线

2.差分信号（编码器、指令脉冲信号）一定将发送端与接收端的参考地连在一起

3.伺服驱动器/变频器的动力线（强电）与控制部分（弱电）的线路分开走线，并且保持一定距离

接线图例

（图片摘自松下使用说明书A5系列）

注意脉冲信号无论是差分接法还是集电极开路接法，都需要使用双绞线

（图片摘自松下使用说明书A5系列）

注意差分输入信号的发送端与接收端的参考地必须连接

Solidtech运动卡的差分接线方式图例：

Solidtech运动卡的单端接线方式图例：

应用案例

    某客户使用PCI-9016，1~4轴接大功率松下伺服驱动器，5~6轴接步进驱动器。伺服驱动器上电并使能后，步进电机缓慢转动（控制卡并未发送控制脉冲）。现场发现，步进驱动器的脉冲信号与其公共端信号分开走线，且相距较远。后改用双绞线，问题得到解决。

参考

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Crosstalk_(electronics)

2. http://www.learnemc.com/tutorials/Magnetic_Field_Coupling/H-Field_Coupling.html

3. http://en.wikipedia.org/wiki/Inductive_coupling

4. http://www.learnemc.com/tutorials/Electric_Field_Coupling/E-Field_Coupling.html

5. http://en.wikipedia.org/wiki/Capacitive_coupling

6. http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%9B%BB%E8%B7%AF%E5%88%86%E6%9E%90