要了解共模信號(hào)是如何產(chǎn)生然后抑制的，您應(yīng)該首先了解常見電纜配置中屏蔽和接地的相互作用。以下討論定義了共模信號(hào)，回顧了常見的電纜配置，考慮了屏蔽電纜與非屏蔽電纜，并描述了典型的接地實(shí)踐。本文討論了產(chǎn)生和抑制共模信號(hào)的方法。

本討論的主要重點(diǎn)是RS-485/RS-422電纜和信號(hào)，但討論也適用于電話、音頻、視頻和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。

共模信號(hào)定義

當(dāng)以本地共?；虻貫閰⒖紩r(shí)，共模信號(hào)出現(xiàn)在 2 芯電纜的兩條線上，同相且幅度相等。顯然，如果其中一條線路連接到本地公共，則不存在共模信號(hào)。從技術(shù)上講，共模電壓是從平衡電路的每個(gè)導(dǎo)體到本地接地或公共電壓的矢量和的一半。此類信號(hào)可能來(lái)自以下一個(gè)或多個(gè)來(lái)源：

輻射信號(hào)均勻耦合到兩條線路，

驅(qū)動(dòng)器電路中產(chǎn)生的公共信號(hào)偏移，或

發(fā)射和接收位置之間的接地差分。

有關(guān)這些基本條件的更多詳細(xì)信息將在后面的部分中顯示。然而，在檢查這些細(xì)節(jié)之前，了解不同的電纜配置、信號(hào)接地約定和屏蔽接地實(shí)踐是很有用的。

通用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

任何數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主要目的是將數(shù)據(jù)從一個(gè)位置發(fā)送到另一個(gè)位置，無(wú)論是在單個(gè)盒子或外殼內(nèi)，在外殼內(nèi)的盒子之間，建筑物或定義區(qū)域內(nèi)的外殼之間，還是建筑物之間。圖1顯示了RS-485信令情況，其中建筑物由不同的電源電路供電。

圖1.這個(gè)通用系統(tǒng)在兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的建筑物之間傳輸數(shù)據(jù)，并顯示單相配電系統(tǒng)中接地點(diǎn)之間產(chǎn)生的地電流。在 3 相 Y 連接系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生類似的電流。

將電力線用戶的中性線連接到電源入口點(diǎn)沉入地下的接地棒上，將電力線中性線建立為安全接地。從那時(shí)起，裸露或綠色絕緣電線將安全接地參考連接到整個(gè)場(chǎng)所的所有電源插座和已安裝的設(shè)備。工業(yè)機(jī)箱框架粘合到機(jī)箱電源輸入點(diǎn)的安全接地，在那里它成為框架接地。

電路公共點(diǎn)通常在一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)連接到機(jī)箱，但每個(gè)機(jī)箱最好有一個(gè)接地點(diǎn)。在某些情況下，公共電路可能與幀接地隔離。從機(jī)器繞組到外殼的安全接地線中流動(dòng)的漏電流，或者更常見的是，由于配電系統(tǒng)中的交流初級(jí)或次級(jí)中性電流而在接地之間流動(dòng)的漏電流，可能會(huì)在中性線和框架接地之間產(chǎn)生電位差。

接地差分可以從幾伏到幾十伏不等。最大的差分出現(xiàn)在單相或三相Y配電系統(tǒng)中，其中在大地中流動(dòng)的中性電流部分可以是在初級(jí)電路中流動(dòng)的總中性電流的3%至10%。接地點(diǎn)之間的電壓測(cè)量值通常為 70.0V有效值至 5V有效值，并且（很少）高達(dá) 65V有效值在相距甚遠(yuǎn)的場(chǎng)地之間。

電纜和噪聲

噪聲信號(hào)可能由于以下幾個(gè)原因出現(xiàn)在電纜中：附近電場(chǎng)的電容耦合（E）;局部磁場(chǎng)的電感耦合（M）;空間（EM）中無(wú)線電信號(hào)的電磁耦合;以及通過有意或潛行的電路路徑 （C） 傳導(dǎo)。耦合信號(hào)顯示為與線路串聯(lián)的附加信號(hào)（圖2）。表 2 列出了電纜中潛在噪聲源的類型和來(lái)源。雙絞線截獲耦合信號(hào)的方式相等，因此入射信號(hào)僅顯示為共模信號(hào)。如果從每條線路連接到本地公共的阻抗相同，則雙絞線稱為平衡線。

圖2.這些傳輸電纜配置顯示了可能的噪聲源的位置。

電路和屏蔽接地

帶接地回路的單線：信號(hào)公共線在源頭接地，并通過接地（幀）返回路徑加載。電路公地還必須連接到接地（框架）接地。

單線屏蔽：信號(hào)電流始終在屏蔽上傳輸，因此在源極和負(fù)載處必須存在與公共電路的連接。表 3 列出了各種條件下的屏蔽接地連接。

兩線并聯(lián)：每根導(dǎo)體承載等量的信號(hào)電流，但方向相反。表4列出了各種條件下的線路接地連接。

非屏蔽雙絞線：任何驅(qū)動(dòng)或接收電路都可能包括與本地公共或幀接地的連接，但將傳輸線本身連接到幀接地是不必要的，也是不可取的。差?；蚱胶庑盘?hào)源（如非屏蔽RS-422和RS-485數(shù)據(jù)傳輸電路）將數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)皆春拓?fù)載電路均以本地接地或公共為參考的遠(yuǎn)程位置。變壓器耦合應(yīng)用包括 10/100 Base-T 以太網(wǎng)電纜。

屏蔽雙絞線：將任何屏蔽對(duì)分流器的屏蔽接地，以接地屏蔽攔截的任何不需要的信號(hào)或噪聲。典型的屏蔽材料（銅和鋁）將內(nèi)部導(dǎo)體屏蔽為電容或電磁耦合的信號(hào)，但不能屏蔽電感耦合的信號(hào)。

對(duì)于任何攜帶平衡信號(hào)的屏蔽對(duì)，應(yīng)將屏蔽的一端（通常是接收端）接地。如果發(fā)射位置接地?cái)y帶的噪聲信號(hào)與接收位置的噪聲信號(hào)不同，則兩端的屏蔽接地會(huì)導(dǎo)致電流沿屏蔽層流動(dòng)。如果兩個(gè)接地位置之間沒有實(shí)質(zhì)性的電位差，則兩端的接地是可以接受的。此配置包括屏蔽RS-422和RS-485數(shù)據(jù)傳輸電路。RS-485應(yīng)用指南規(guī)定將屏蔽層直接或通過電纜屏蔽層一端或兩端的易熔電阻器接地。

信號(hào)模式定義

電纜上攜帶的電信號(hào)可描述為普通模式、差模或共模。

普通模式信號(hào)是出現(xiàn)在一對(duì)導(dǎo)線之間或參考（或通過）接地、機(jī)箱或屏蔽的單根導(dǎo)線上的任何類型（共模除外）。正常模式信號(hào)在平衡或非平衡傳輸路徑中的兩根導(dǎo)線之間讀取。（對(duì)于平衡的2線路徑，一根導(dǎo)線被驅(qū)動(dòng)為正，而另一根導(dǎo)線被等量驅(qū)動(dòng)負(fù)，這兩者都是靜態(tài)或無(wú)信號(hào)條件，其中兩條線相對(duì)于電路公共電路承擔(dān)相同的電壓電平。

差模信號(hào)以差分方式出現(xiàn)在非接地電纜配置中的一對(duì)電線上。

共模信號(hào)在未接地、屏蔽或本地共模的 2 線電纜的兩條線上同樣出現(xiàn)（相對(duì)于本地電路共模）。通常，但并非總是如此，這是一個(gè)不需要的信號(hào)，應(yīng)該被接收電路拒絕。共模電壓 （V厘米） 在數(shù)學(xué)上表示為兩個(gè)信號(hào)電壓相對(duì)于本地接地或公共電壓的平均值：

圖3顯示了3V差模信號(hào)與2.5V共模信號(hào)的耦合。直流失調(diào)是采用單電源工作的差模數(shù)據(jù)發(fā)送器的典型值。共模電壓可以是交流、直流或交流和直流的組合。（圖3表示最簡(jiǎn)單的情況，即沒有交流元件的直流共模電壓。

圖3.典型的RS-485發(fā)送器產(chǎn)生共模直流失調(diào)電壓，如圖所示。

當(dāng)電纜較長(zhǎng)時(shí)（RS-485數(shù)據(jù)電纜可以是），原始信號(hào)的公共或接地可能與接收位置的電勢(shì)不同。RS-485規(guī)范規(guī)定將公共驅(qū)動(dòng)電路直接或通過100Ω電阻連接到幀地。結(jié)果如圖 4 所示。

圖4.三種共模信號(hào)（e廣東， e立法會(huì)和 E操作系統(tǒng)） 可以存在于 2 線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。

共模信號(hào)可以假設(shè)共模電壓等于地電位差、驅(qū)動(dòng)器失調(diào)電壓以及沿發(fā)射器和接收器之間的信號(hào)路徑產(chǎn)生的任何縱向耦合噪聲電壓的矢量和：

共模信號(hào)的起源

圖4所示的三個(gè)共模電壓源為e廣東， e立法會(huì)和 E操作系統(tǒng):

E操作系統(tǒng)通常是采用單電源供電的差模驅(qū)動(dòng)器引入的直流失調(diào)，如圖3所示。

e廣東是表示發(fā)射和接收位置接地電位差的噪聲信號(hào)。它通常是包含電力線頻率的基波和可能的幾個(gè)諧波的交流信號(hào)。

e立法會(huì)是一種縱向耦合噪聲信號(hào)，由于來(lái)自外來(lái)源的電容、電磁或電感耦合，在兩條傳輸線上均等地發(fā)生。

最小化共模信號(hào)

E操作系統(tǒng)通過采用平衡電源操作差模驅(qū)動(dòng)器，可以做得非常小，甚至為零。相比之下，e廣東只有通過在發(fā)射和接收位置之間保持相對(duì)較短的距離，才能最小化。e立法會(huì)通過使用屏蔽雙絞線可以最小化：電纜內(nèi)引入的噪聲在兩根緊密絞線中的每一根上均等地產(chǎn)生。否則，由于線路相對(duì)于干擾場(chǎng)的不對(duì)稱性，將出現(xiàn)正常模式信號(hào)。

負(fù)載也必須對(duì)稱;雙絞線兩條線上的阻性和容性負(fù)載阻抗必須匹配。電感耦合信號(hào)只能通過使用磁屏蔽來(lái)防止。（請(qǐng)注意，任何承載信號(hào)電流的導(dǎo)線都是磁輻射源。

抑制共模信號(hào)

共模信號(hào)（V厘米） 必須在接收電路中被拒絕。當(dāng)接收電路是無(wú)源的（耳機(jī)或揚(yáng)聲器）、變壓器耦合、隔離和電池供電，或者沒有以任何方式參考發(fā)射電路公共（電容或電阻連接）時(shí)，這種抑制很容易實(shí)現(xiàn)。這里提到的配置本質(zhì)上不受共模信號(hào)的影響，但以發(fā)射電路為基準(zhǔn)的接收電路必須設(shè)計(jì)為接受全范圍的V。厘米呈現(xiàn)給他們。所有這些設(shè)計(jì)都涉及具有高共模抑制（CMR）的差分接收器。如果 V厘米振幅相對(duì)較低，單獨(dú)使用高 CMR 接收器可能就足夠了。

高CMR接收器的工作原理

所有高CMR接收器要么采用某種形式的差分對(duì)，要么采用由三個(gè)放大器組成的傳統(tǒng)儀表放大器，如圖5所示。每個(gè)放大器在存在有限共模電壓的情況下接受差分輸入，可接受的V厘米限制在略低于電源電壓。這種電路可以處理模擬和數(shù)字信號(hào)。

圖5.這些差分放大器電路具有高共模抑制。

如果 V厘米是超出接收器的共模范圍。大多數(shù)此類電路采用變壓器耦合隔離電源，以及以下任一電源：

光耦合電路

電容耦合差分電路

電感耦合電路

電阻耦合差分電路

圖6所示的所有技術(shù)都可以在存在高V值的情況下將信號(hào)耦合到隔離柵上厘米.每個(gè)都取決于隔離電源的使用，該電源通常是變壓器耦合的。隔離電壓限值由變壓器和所選隔離類型決定。使用變壓器、光學(xué)和電容耦合技術(shù)可實(shí)現(xiàn) 2500V 或更高的隔離;阻性耦合通常限制在50V至100V范圍內(nèi)。

圖6.所示的隔離技術(shù)和典型元件可實(shí)現(xiàn)高共模信號(hào)抑制。

阻性耦合涉及通過阻性衰減器傳輸數(shù)據(jù)，阻性衰減器會(huì)衰減數(shù)據(jù)和共模信號(hào)。因此，阻性隔離受V分?jǐn)?shù)的限制厘米這可以通過接收電路容納，同時(shí)可靠地檢測(cè)原始數(shù)據(jù)信號(hào)的一小部分。

在圖6中，各種隔離驅(qū)動(dòng)器以不同的方式處理隔離電源的要求。當(dāng)今的電感耦合器件不提供電源，因此需要外部隔離電源。一些電容耦合器件包括變壓器驅(qū)動(dòng)器，但它們需要外部變壓器。Maxim的MAX3157和MAX3250驅(qū)動(dòng)器包含隔離電源，需要外部、扁平、陶瓷電荷泵電容。然而，MAX1480和MAX1480E系列的成員包含完全隔離的電源，包括變壓器。

因此，一旦知道入侵共模信號(hào)的來(lái)源和幅度，您就可以智能地選擇電纜類型和隔離技術(shù)。您只需測(cè)量或計(jì)算干擾信號(hào)的幅度，然后選擇滿足系統(tǒng)整體要求的組件。

審核編輯：郭婷