FPGA 為設(shè)計(jì)工程師的控制提供了相當(dāng)大的功能和靈活性。在定制專用集成電路（ASIC）中永遠(yuǎn)不可行的相對(duì)小批量的項(xiàng)目變得實(shí)用。許多大批量項(xiàng)目在致力于定制芯片之前使用FPGA進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和嘗試新功能。FPGA的優(yōu)勢(shì)在于復(fù)雜的數(shù)字處理，因此一些模擬信號(hào)處理受到數(shù)字噪聲的限制。外部模擬增益、失調(diào)、濾波和處理可以幫助FPGA更好地服務(wù)于應(yīng)用。

本文介紹如何將雙絞線和低通濾波器結(jié)合起來，以產(chǎn)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(chǎn)生可定制的差分放大器，這有助于將信號(hào)從干擾噪聲中拉出并提高FPGA性能。精密電阻設(shè)置增益和共模抑制比，而我們選擇頻率響應(yīng)。

轉(zhuǎn)折的重要性

令人驚訝的是，“轉(zhuǎn)折”在數(shù)據(jù)通信中變得很重要。一對(duì)或多對(duì)電線看似簡(jiǎn)單的扭曲可以減少串?dāng)_、RFI 和 EMI。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)的爆炸式增長(zhǎng)，我們可能會(huì)認(rèn)為雙絞線是最近的發(fā)明。我們錯(cuò)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(guó)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(gè)電路分別由兩根導(dǎo)線（直線和返回線）組成，形成一個(gè)金屬電路。當(dāng)后者放置在其他電路附近時(shí)，電話和與金屬電路相連的其他電氣儀器中的感應(yīng)干擾是由于后者對(duì)兩根電線的不等感應(yīng)效應(yīng)引起的，因?yàn)楹苊黠@，如果直接線和返回線受到同等的影響，則其中一根線產(chǎn)生的電流將中和并破壞另一根線中產(chǎn)生的電流。通過將兩根導(dǎo)線與干擾電流保持相同的電感關(guān)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(yǔ)中，我們有了現(xiàn)代的差分信號(hào)原理。4 圖2顯示了導(dǎo)線A中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)如何導(dǎo)致不需要的電流流入導(dǎo)線B。

圖2.導(dǎo)線之間的串?dāng)_：導(dǎo)線 A 中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致不需要的電流在導(dǎo)線 B 中流動(dòng)。

在導(dǎo)線之間繪制電容器以指示雜散分布電容。隨著干擾串?dāng)_頻率的增加，電容耦合變得更加占主導(dǎo)地位。在圖 3 中，我們看到了 Bell 先生描述的取消效果。當(dāng)干擾信號(hào)均勻地施加到雙絞線的兩側(cè)時(shí)，干擾信號(hào)被中和并被破壞。在射頻下，雜散電容將在導(dǎo)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(huì)抵消。接收帶差分的雙絞線信號(hào)可增強(qiáng)抵消效果。

圖 3 當(dāng)干擾信號(hào)均勻地施加到雙絞線的兩側(cè)時(shí)，導(dǎo)線之間的串?dāng)_被消除。

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

使用低通濾波器降低RFI

例如，溫度測(cè)量的速度可能受到被測(cè)物體的物理質(zhì)量的限制。家庭供暖裝置可能只需要每?jī)煞昼姕y(cè)量一次溫度。由于空氣、墻壁、地板和天花板的質(zhì)量很大，溫度變化緩慢。因此，每秒測(cè)量數(shù)百萬(wàn)次不會(huì)改善加熱器的溫度測(cè)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(gè)例子是一個(gè)家，我的家，距離一個(gè)50，000W的AM廣播電臺(tái)大約一英里。不幸的是，電話線以1.37MHz的頻率拾取電臺(tái)，信號(hào)在電話中被整流，在電話線上再現(xiàn)電臺(tái)的音頻。這聽起來很煩人，并且無法使用電話調(diào)制解調(diào)器。該電臺(tái)的演播室毗鄰發(fā)射器和天線，因此修復(fù)很簡(jiǎn)單。根據(jù)定義，工程師是消除音頻和電話系統(tǒng)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(jiǎn)單的篩選器工作得如此之好？秘密在于物理學(xué)：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(hào)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(gè)巴特沃茲響應(yīng)過濾器并繪制了其響應(yīng)圖（圖 5）。濾波器基本上平坦至3kHz，在1.37MHz時(shí)>135dB。135dB是560萬(wàn)倍的衰減。當(dāng)廣播電臺(tái)插入過濾器時(shí)，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(shí)無線電臺(tái)的RFI被拒絕。

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

圖6.此處示例中電話線路上 RFI 的簡(jiǎn)單 RC 濾波器響應(yīng)。

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

現(xiàn)在考慮一個(gè)工廠溫度測(cè)量系統(tǒng)，其中電線長(zhǎng)達(dá)數(shù)百英尺，可以充當(dāng)無線電天線。這里有更多 RFI 的機(jī)會(huì)。如果所需溫度測(cè)量的速度在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)保持一致，則添加與檢測(cè)線串聯(lián)的低通濾波器將消除RFI。我們應(yīng)該如何接收雙絞線上的信號(hào)？當(dāng)然，差分是為了確保不需要的信號(hào)確實(shí)相互抵消。圖7顯示了這樣的電路。

圖7.采用MAX5426精密電阻網(wǎng)絡(luò)的差分放大器為設(shè)計(jì)人員提供了具有放大器特性的選擇。

圖7所示的電路結(jié)構(gòu)也稱為儀表放大器。雖然許多完全集成的電路都與運(yùn)算放大器一起封裝，但MAX5426精密電阻陣列為設(shè)計(jì)人員提供了對(duì)放大器特性的獨(dú)特控制。精密電阻允許數(shù)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(shí)現(xiàn)超過 79dB 的出色共模抑制。運(yùn)算放大器由電路設(shè)計(jì)人員選擇，可根據(jù)應(yīng)用定制頻率響應(yīng)。因此，可以增強(qiáng)前端濾波。

結(jié)論

我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^互聯(lián)網(wǎng)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(huì)驚嘆于現(xiàn)代科學(xué)可以用這些雙絞線、電路設(shè)計(jì)、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(shù)據(jù)通信更加可靠。

審核編輯：郭婷