FPGA 為設計工程師的控制提供了相當大的功能和靈活性。在定制專用集成電路（ASIC）中永遠不可行的相對小批量的項目變得實用。許多大批量項目在致力于定制芯片之前使用FPGA進行原型設計和嘗試新功能。FPGA的優勢在于復雜的數字處理，因此一些模擬信號處理受到數字噪聲的限制。外部模擬增益、失調、濾波和處理可以幫助FPGA更好地服務于應用。

本文介紹如何將雙絞線和低通濾波器結合起來，以產生出色的射頻干擾（RFI）和電磁干擾（EMI）抑制。我們還演示了如何使用精密電阻陣列來產生可定制的差分放大器，這有助于將信號從干擾噪聲中拉出并提高FPGA性能。精密電阻設置增益和共模抑制比，而我們選擇頻率響應。

轉折的重要性

令人驚訝的是，“轉折”在數據通信中變得很重要。一對或多對電線看似簡單的扭曲可以減少串擾、RFI 和 EMI。

隨著互聯網和計算機的爆炸式增長，我們可能會認為雙絞線是最近的發明。我們錯了。圖1是亞歷山大·格雷厄姆·貝爾（Alexander Graham Bell）1881年專利的副本。他描述了許多雙絞線之間的相互作用。

圖1.美國專利244，426，1881年授予亞歷山大·格雷厄姆·貝爾。2

用貝爾先生的話說，

幾個電路分別由兩根導線（直線和返回線）組成，形成一個金屬電路。當后者放置在其他電路附近時，電話和與金屬電路相連的其他電氣儀器中的感應干擾是由于后者對兩根電線的不等感應效應引起的，因為很明顯，如果直接線和返回線受到同等的影響，則其中一根線產生的電流將中和并破壞另一根線中產生的電流。通過將兩根導線與干擾電流保持相同的電感關系，或者，在其他條件相同的情況下，將它們與所述電路的距離相等，可以避免干擾。3

在這些超過125年的圣人話語中，我們有了現代的差分信號原理。4 圖2顯示了導線A中流動的電流產生的磁場如何導致不需要的電流流入導線B。

圖2.導線之間的串擾：導線 A 中流動的電流產生的磁場導致不需要的電流在導線 B 中流動。

在導線之間繪制電容器以指示雜散分布電容。隨著干擾串擾頻率的增加，電容耦合變得更加占主導地位。在圖 3 中，我們看到了 Bell 先生描述的取消效果。當干擾信號均勻地施加到雙絞線的兩側時，干擾信號被中和并被破壞。在射頻下，雜散電容將在導線之間耦合能量。同樣，由于雙絞線中的干擾相等且相反，RFI往往會抵消。接收帶差分的雙絞線信號可增強抵消效果。

圖 3 當干擾信號均勻地施加到雙絞線的兩側時，導線之間的串擾被消除。

雙絞線也可以用屏蔽導體護套包裹，作為靜電屏蔽。隨著射頻（RF）信號的進一步衰減，屏蔽會增加雜散電容，并起到低通濾波器的作用。導線的電阻和電感是一個串聯元件;接地雜散電容形成低通濾波器。當通信鏈路僅使用電話音頻或其他窄帶信號等低頻時，這是一件好事。

使用低通濾波器降低RFI

例如，溫度測量的速度可能受到被測物體的物理質量的限制。家庭供暖裝置可能只需要每兩分鐘測量一次溫度。由于空氣、墻壁、地板和天花板的質量很大，溫度變化緩慢。因此，每秒測量數百萬次不會改善加熱器的溫度測量或溫度控制。

我們搬到外面。RFI可以在住宅的外部電線上生成。這個例子是一個家，我的家，距離一個50，000W的AM廣播電臺大約一英里。不幸的是，電話線以1.37MHz的頻率拾取電臺，信號在電話中被整流，在電話線上再現電臺的音頻。這聽起來很煩人，并且無法使用電話調制解調器。該電臺的演播室毗鄰發射器和天線，因此修復很簡單。根據定義，工程師是消除音頻和電話系統中1.37MHz的專家。所以我們用“嘈雜”的電話給他們打電話，問他們用什么低通濾波器。

圖4.低通濾波器原理圖。

為什么圖 4 這樣簡單的篩選器工作得如此之好？秘密在于物理學：我們想保留什么，我們想在線條中拒絕什么？在這種情況下，我們想要的電話音頻是300Hz到3kHz，不需要的信號是1.37MHz。頻率之間的差異是超過450的比率。使用Nuhertz?的FilterFree5我們制作了一個巴特沃茲響應過濾器并繪制了其響應圖（圖 5）。濾波器基本上平坦至3kHz，在1.37MHz時>135dB。135dB是560萬倍的衰減。當廣播電臺插入過濾器時，他們解決了問題，不再干擾電話線。

圖5.使用低通濾波器，電話音頻通過線路，同時無線電臺的RFI被拒絕。

更簡單的過濾器也可以工作嗎？一個共享軟件工具，解決電子，6是一個帶有“低通濾波器.eln”的電路仿真器，這是一個單獨的RC濾波器。使用該RC濾波器并更改值以提供8kHz -3dB點，得到圖6的響應。

圖6.此處示例中電話線路上 RFI 的簡單 RC 濾波器響應。

3kHz的電話音頻下降不到0.5dB，但廣播電臺的RFI下降約44dB，或衰減的150倍以上。事實上，我們也可以使用電話線的電阻和電感作為串聯元件，只需在地上添加一個小電容器，以進一步降低無線電臺RFI。

現在考慮一個工廠溫度測量系統，其中電線長達數百英尺，可以充當無線電天線。這里有更多 RFI 的機會。如果所需溫度測量的速度在規定的時間段內保持一致，則添加與檢測線串聯的低通濾波器將消除RFI。我們應該如何接收雙絞線上的信號？當然，差分是為了確保不需要的信號確實相互抵消。圖7顯示了這樣的電路。

圖7.采用MAX5426精密電阻網絡的差分放大器為設計人員提供了具有放大器特性的選擇。

圖7所示的電路結構也稱為儀表放大器。雖然許多完全集成的電路都與運算放大器一起封裝，但MAX5426精密電阻陣列為設計人員提供了對放大器特性的獨特控制。精密電阻允許數字選擇1、2、4或8的差分增益，精度范圍為0.5%至0.025%。精密電阻匹配可實現超過 79dB 的出色共模抑制。運算放大器由電路設計人員選擇，可根據應用定制頻率響應。因此，可以增強前端濾波。

結論

我們仍然可以通過互聯網或電波收聽Chubby Checker和“The Twist”。盡管亞歷山大·格雷厄姆·貝爾（Alexander Graham Bell）很久以前就了解雙絞線的原理，但他會驚嘆于現代科學可以用這些雙絞線、電路設計、仿真工具和FPGA做什么。只需恰到好處地扭線和低通濾波器，即可降低 EMI 和 RFI，并使數據通信更加可靠。

審核編輯：郭婷