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双绞线应用及抗干扰分析【摘要】双绞线是计算机接入网络中不可缺少的传输介质，所以我们有必要对双绞线有一个较完整的认识，才能在生产实践中正确的应用。
【关键词】双绞线信号双绞线是一种大家都很熟悉的，在很多方面都得到广泛应用的电信号传输介质。
它是由两条互相绝缘的铜导线按一定密度的螺旋结构绞合成绞线对。
线对绞合的结果，降低了外界电磁场对双绞线的干扰以及双绞线线对之间的串扰，使传输线的特性阻抗能保持恒定。
随着计算机通信网的迅猛发展，在网上的商业应用和多媒体等服务也得以迅猛推广。
要享受网上的各种服务，用户的计算机必须以某种方式接入网络，而双绞线是计算机接入网络中不可缺少的传输介质，所以我们有必要对双绞线有一个较完整的认识，才能在生产实践中正确的应用。
1 双绞线分类1.1 双绞线按制作工艺可分为非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线非屏蔽双绞线，线芯是八根相互绝缘的铜线两两对绞组成，线对之间也进行了相应的绞合。
外部环绕一层塑料外皮。
这种线有一定的抗干扰性能，价格便宜，可以满足一般的要求。
屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线的区别是在绞线与外皮之间加了一层铜丝网或金属制成的屏蔽，这种线外形较粗，抗干扰性好，传输品质佳，价格当然也较贵。
屏蔽双绞线实际上是铝箔屏蔽双绞线、铝箔铜网双层屏蔽双绞线和独立屏蔽双绞线的统称。
（1）铝箔屏蔽双绞线用铝箔做成屏蔽层，在铝箔屏蔽层和内层聚酯塑料皮之间有一根消耗导线。
在屏蔽层外是电缆外皮。
（2）铝箔铜网双层屏蔽双绞线用铝箔和铜网构成屏蔽层。
其提供了比铝箔屏蔽双绞线更好的电磁屏蔽特性。
（3）独立屏蔽双绞线中，每一个线对的外面都包上了铝箔屏蔽层，在最外面又包以铜网屏蔽层，这种结构不仅能够有效的阻止外界电磁源的干扰，也使线对间的串扰得到了有效的控制。
1.2 双绞线按传输速率来分为3类、4类、5类和超5类等四种3类与4类只适用于10M以太网，5类用于100M快速以太网，超5类则用于1000M的网络。
以太网中的10M、100M是指网络每秒中可以传输多少位数据，而每8位数据就是一个字节。
双绞线传输信号抗干扰原理双绞线是一种常用于传输信号的电缆，其具有抗干扰的特性，这一特性使得双绞线成为了广泛应用于通信领域的重要组成部分。
双绞线的抗干扰原理主要基于电磁感应和干扰信号的抵消。
我们来了解一下双绞线的结构。
双绞线由两根相互绕合的细线组成，它们以相同的间距和方向绞合在一起。
这种结构使得两根线圈的电流方向相反，从而产生了相互抵消的效果。
这样的结构可以有效地减少电磁辐射和接收到的干扰信号。
双绞线的抗干扰原理主要有两个方面。
首先是电磁感应的抗干扰原理。
当双绞线传输信号时，信号电流会在两根线圈之间产生磁场。
由于两根线圈的电流方向相反，它们产生的磁场方向也相反。
这样，双绞线所产生的磁场会相互抵消，从而减少了电磁辐射对周围环境的干扰。
其次是干扰信号的抵消原理。
当外界干扰信号进入双绞线时，由于双绞线的结构特性，这些干扰信号会在两根线圈中产生不同的感应电流。
由于两根线圈的电流方向相反，它们感应出的电流方向也相反。
这样，双绞线上感应出的干扰电流会相互抵消，从而减少了干扰信号对传输信号的影响。
双绞线的抗干扰能力还受到其他因素的影响。
首先是绞合的紧密程度。
绞合得越紧密，两根线圈之间的电流就会更好地相互抵消，从而提高抗干扰能力。
其次是绝缘层的质量。
良好的绝缘层可以有效地阻止干扰信号的进入，从而进一步提高抗干扰能力。
此外，双绞线的长度也会对抗干扰能力产生影响。
一般来说，双绞线的长度越短，其抗干扰能力就越强。
双绞线广泛应用于各种通信系统中，尤其是以太网和电话系统中。
在以太网中，双绞线被用作传输数据的主要介质。
通过使用双绞线，可以有效地减少电磁辐射和干扰信号对数据传输的影响，从而提高传输质量和速度。
在电话系统中，双绞线被用作传输语音信号的主要介质。
同样地，双绞线的抗干扰特性保证了语音信号的清晰传输。
总结起来，双绞线作为一种用于传输信号的电缆，具有抗干扰的特性。
其抗干扰原理基于电磁感应和干扰信号的抵消。
通过合理的结构设计和优质的绝缘层材料，双绞线能够有效地减少电磁辐射和干扰信号对传输信号的影响。
双绞线可以抗干扰双绞线是一种用于传输数据和信号的电缆，它能够抵御外界干扰的影响，确保信号的传输质量。
在现代信息时代，我们随处可见各种电子设备的应用，网络通信已经成为人们工作和生活中必不可少的部分。
而双绞线作为一种高效的传输介质，其抗干扰的特性对于稳定的数据传输至关重要。
双绞线的结构十分简单，它由两根绝缘导线以特定的方式绞合在一起而得名。
常见的双绞线类型包括无屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）。
无屏蔽双绞线主要用于家庭网络和办公室网络中，它适用于短距离的数据传输，并且价格相对较低。
而屏蔽双绞线则在一些特殊环境下使用，它具有更好的抗干扰性能，适用于长距离传输和工业环境中的应用。
双绞线的抗干扰能力主要源于其特殊的绞合结构。
通过将两根导线以对称的方式绞合在一起，能够有效地抑制外界电磁波的干扰。
当外界电磁波作用于双绞线上时，由于两根导线的绞合，其受到的电磁波的干扰会互相抵消，从而降低了对信号传输的影响。
这种绞合结构可以有效地减少串扰（Crosstalk）的问题，提高信号的传输质量。
除了绞合结构，双绞线还能通过使用屏蔽层来增强抗干扰能力。
在屏蔽双绞线中，每对绞线都有一个独立的屏蔽层，可以有效地阻挡外界的电磁干扰。
屏蔽层一般由金属箔或编织网状物制成，能够隔离外界电磁波的入侵。
这种屏蔽结构在一些对抗外界干扰要求更高的环境中得到广泛应用，保证了信号的稳定传输。
双绞线的抗干扰能力不仅适用于有线网络传输，同时也适用于电话线路传输。
在电话通信中，双绞线正是扮演着连接用户和电话交换机之间的传输线路的角色。
通过使用双绞线，电话信号可以在传输过程中减少外界电磁干扰的影响，保证通话质量的稳定性，提高通信的可靠性。
总结起来，双绞线作为一种传输介质，具有出色的抗干扰能力。
它通过特殊的绞合结构和屏蔽层的设计，有效地减少了外界电磁波对信号传输的干扰。
这使得双绞线成为网络通信和电话通信中广泛使用的重要组成部分，确保了数据的稳定传输和通话的质量。
工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术工控系统的屏蔽和接地抗干扰技术孟传良（贵州工业大学控制技术研究所）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；接地一、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。
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。
双绞线的抗干扰原理
双绞线的抗干扰原理是通过采用两根绝缘导线紧密绞合在一起，从而抵消外部干扰信号的影响。
双绞线的绞合结构可有效减少电磁辐射以及对外部电磁干扰的敏感性。
当信号通过双绞线传输时，两根绝缘导线之间的绞合结构会形成一个闭合的回路，将外部电磁场由一个导线引导到另一个导线上，使得两根导线承受的干扰信号相互抵消。
此外，双绞线还可以通过采用特殊的绝缘材料和屏蔽层来增加抗干扰能力。
绝缘材料能有效隔离导线与外部环境，减少信号泄漏和电磁辐射。
屏蔽层则可以阻挡外部电磁场的干扰信号进入导线内部，进一步增加双绞线的抗干扰性能。
总而言之，双绞线的抗干扰原理主要包括绞合结构的电磁抵消效应以及绝缘材料和屏蔽层的屏蔽作用。
通过这些措施，双绞线能够有效地减少外部电磁干扰对信号传输的影响，提高传输质量和抗干扰能力。
基于工控系统的双绞线抗干扰技术及其应用_黄盛霖作者简介:黄盛霖(1962-),男,海军航空工程学院副教授,海军航空工程学院ATE 研究中心副总师,主要从事自动测试研究。
孙永芹(1979-),女,硕士生。
基于工控系统的双绞线抗干扰技术及其应用黄盛霖1 孙永芹2 姜海勋21海军航空工程学院科研部2海军航空工程学院研究生管理大队摘要:介绍了双绞线的抗干扰原理,给出了双绞线对外来磁场抗干扰分析和常用的双绞线类型及抗干扰效果,最后给出了一个工控系统实例。
关键词:耦合双绞线抗干扰Study on Anti -interference of Twisted Pair in Industry Control SystemA bstract : Anti -interference principium of twisted pair is introduced .Then ,anti -interference analy -ses of twisted pairs are given from extra magnetic field .Thirdly ,usual types of twisted pair ,and their anti -interference effects are introduced in detail .Finally ,a example of in -dustry control system is illuminated .Keywords :Coupling ,twisted pair ,anti -interference .引言双绞线是一种为大家都很熟悉的,在很多方面(模拟和数字)都得到广泛应用的一种传输线的形式。
它是由两条互相绝缘的铜导线按一定密度的螺旋结构绞合成的绞线对。
线对绞合的结果,首先,降低了外界电磁场对双绞线的干扰以及双绞线线对之间的串音干扰,其次,降低非平衡型传输线之间的互电容。
对绞线抗干扰原理
摘要：
1.引言
2.双绞线的概念和分类
3.双绞线的抗干扰原理
4.双绞线的应用和优势
5.结论
正文：
1.引言
在数字化信息时代，数据的传输和通信已成为现代社会的重要基础设施之一。
为了保证数据的传输速度和通信质量，人们研究了许多种传输媒介，其中双绞线是一种广泛应用的传输媒介。
本文将从双绞线的概念、分类、抗干扰原理以及应用和优势等方面进行介绍。
2.双绞线的概念和分类
双绞线（Twisted Pair）是一种传输数据的通信媒介，由两条相互绝缘的导线组成，两条导线相互缠绕以减小电磁干扰。
双绞线可以根据其传输速率、距离和应用领域进行分类，常见的分类包括：电话线、数据线、网络线等。
3.双绞线的抗干扰原理
双绞线的抗干扰原理主要基于其物理结构。
两条导线之间的电磁耦合会降低外部电磁干扰对数据传输的影响。
此外，双绞线还可以通过改变导线的绞合方式、绝缘材料和线缆结构等措施来提高其抗干扰性能。
4.双绞线的应用和优势
双绞线广泛应用于电话通信、数据传输和网络连接等领域。
其主要优势包括：
（1）传输速度快：双绞线的传输速度较高，可以满足大部分通信需求。
（2）抗干扰能力强：双绞线的抗干扰能力强，可以有效降低电磁干扰对数据传输的影响。
（3）成本低：双绞线的制作成本相对较低，且易于安装和维护。
（4）应用广泛：双绞线可以应用于多种通信场景，如电话、数据传输和网络连接等。
5.结论
双绞线作为一种传输数据的通信媒介，具有较高的传输速度、抗干扰能力和广泛的应用领域。
作者简介: 黄盛霖(1962-),男,海军航空工程学院副教授,海军航空工程学院ATE 研究中心副总师,主要从事自动测试研究。
孙永芹(1979-),女,硕士生。
基于工控系统的双绞线抗干扰技术及其应用黄盛霖1 孙永芹2 姜海勋21海军航空工程学院科研部 2海军航空工程学院研究生管理大队摘要:介绍了双绞线的抗干扰原理,给出了双绞线对外来磁场抗干扰分析和常用的双绞线类型及抗干扰效果,最后给出了一个工控系统实例。
关键词:耦合 双绞线 抗干扰Study on Anti -interference of Twisted Pair in Industry Control SystemA bstract : Anti -interference principium of twisted pair is introduced .Then ,anti -interference analy -ses of twisted pairs are given from extra magnetic field .Thirdly ,usual types of twistedpair ,and their anti -interference effects are introduced in detail .Finally ,a example of in -dustry control system is illuminated .Keywords : Coupling ,twisted pair ,anti -interference .引 言 双绞线是一种为大家都很熟悉的,在很多方面(模拟和数字)都得到广泛应用的一种传输线的形式。
它是由两条互相绝缘的铜导线按一定密度的螺旋结构绞合成的绞线对。
线对绞合的结果,首先,降低了外界电磁场对双绞线的干扰以及双绞线线对之间的串音干扰,其次,降低非平衡型传输线之间的互电容。
最后,使传输线的特性阻抗能保持恒定。
双绞线在传输频率低于100kHz ,且距离较短时使用,抗干扰效果非常有效,高频使用时,因特性阻抗不均匀而造成波的反射,屏蔽效果会受到限制。
与其他具有屏蔽作用的传输线结构(如屏蔽线和传输电缆)相比,双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一定限制,但价格较为低廉,所以它是目前在低频领域得到了最广泛的应用。
双绞线分为非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线两类。
作者所使用的双绞线是屏蔽双绞线,主要用于传输模拟声音信息。
双绞线抗干扰原理双绞线之间的抗干扰 由电磁感应知识可知,在抑制电磁感应的方法图1双绞线的原理说明图中,缩小感应回路圈围面积是一种有效的方法。
传输信号的往复两根导线间有若干距离,所以出现圈围面积,如图1所示。
用图1(b )的方式取代图1(a )的两根导线平行的方式,把两根导线互相扭绞,这时感应最小。
通过扭绞,不仅缩小了圈围的面积,而且就局部来说,感应电压的极性相反,在每根导线上的感应电流是相互抵消的,如图1(c )所示。
从整体来看,两根导线之间的相互感应变小。
我们知道,交变磁场所产生的感应电动势为:V (ω)=jwBA cos α(1)其中: V (ω)是感应电压,A 是感应回路的面积,ω是交变磁场的频率,B 是与感应回路交链的磁通密度, α是B 与构成平面A 的法线之间的夹角。
而A cos α=∫d (A cos α)=A∫cos αd α(2)此感应最小的现象,可以认为是cos α的周期整数倍积分值为零的性质;也可以认为,电流往复流过两根导线时产生的磁场以互相绞合时为最小,因为一根导线的电流产生的磁通和另一根导线的电流产生的磁通符号相反、数值相等,因而互相抵消。
双绞线对外来磁场的抗干扰 图2示出双绞线对外来磁场干扰引起的感应电流情况。
双绞线回路空间的箭头表示感应磁场的方向。
图2双绞线间电路磁场感应干扰情况 设干扰信号线I 的干扰电流为i C ,且i C 被视为单纯ω频率的正弦电流。
则导线Ⅱ上的干扰电压V S1为:V S 1(ωt )=ddt (M ·i C )=M di C dt =j ωM ·i C(3)其中:M 是干扰线Ⅰ与双绞线的互感系数。
则V S1在单根导线Ⅱ上产生的感应电流i S1为i S 1(ωt )=V S 1(ωt )r S 1+j ωL S 1=j ωM ·i Cr S 1+j ωL S 1(4)其中:r S1是导线Ⅱ的直流电阻,L S1是导线Ⅱ的电感。
同理,另一根导线Ⅲ上的感应电流i S2为i S 2(ωt )=j ωM ·i C r S 2+j ωL S 2(5)其中:r S2是导线Ⅲ的直流电阻,L S2是导线Ⅲ的电感。
当r S1=r S2,L S1=L S2时,则i S1=i S2。
从图2和式4、式5可以看出i S1与i S2方向相反、大小相等。
因此,从整体上看,由互感在双绞线上引起的感应电流可以互相抵消。
这个结论说明两根长度相等,特性阻抗以及输入、输出阻抗完全相同的双绞线的抗干扰效果最好。
在实际电路中使用双绞线时,绞合在一起的两根导线很难保持其长度真正相等,每根导线的线路阻抗也不会完全相同,因而不能完全去除掉外来磁场的感应干扰。
在正确使用的前提下,双绞线对外来磁场感应干扰有一定的抑制能力,并且随着双绞线节矩的不同有不同的屏蔽效果。
表1给出了一对平行线与双绞线的屏蔽效果的比较。
表1 平行线和双绞线对外来干扰屏蔽效果的比较线类干扰衰弱比屏蔽效果(dB )一般平行导线1∶10不同节距双绞线100m m 14∶12375m m 71∶13750m m 112∶14125m m141∶14325mm 钢管内平行线22∶127 双绞线具有敷设方便的优点,从表1又可看出,用双绞线作信号线较之用平行线作信号线具有抗干扰能力较强的优点。
故在一般场合下用得比较普遍。
应该指出,屏蔽双绞线非常适用于频率低于100kHz 的情况,当频率高于1MHz 时,由于屏蔽双绞线具有较大分布电容,并且损耗大大增加,因此一般不宜使用。
双绞线的应用 双绞线有多种结构形式,其屏蔽的效果也不相同。
有人对各种结构双绞线的屏蔽效果进行了研究和测量。
测试条件是:双绞线作每2.54c m 扭6个均匀扭绞,信号源内阻R S 都为100Ψ,负载电阻R L 都为1M Ψ,信号源频率为50kHz (见参考[4])。
结构形式和实验测定的屏蔽效果的dB 数,如图3所示。
图中(a )、(b )为非屏蔽双绞线,其余为屏蔽双绞线。
其中图3(a )采用单端接地方式,对磁场干扰具有高达55dB 的衰减能力。
可见,双绞线确实有很好的效果。
而图3(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,只有13dB 的磁场干扰衰减能力。
图3(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3(c )的dB 数与图3(a )相同,是55dB 。
图3(d )屏蔽层单端接地,另一端与负载一端相连,所以双绞线中的一根分图3双绞线的用法及其抗磁场耦合干扰能力流屏蔽层上的电流,故具有77dB的衰减能力。
图3 (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63dB的衰减能力。
图3(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28dB衰减能力。
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,成为多数计算机网络的传输线。
例如,RS422A或RS458通信接口,就是很好的平衡传输模式。
工控系统的一个实际采集信号系统方案 工业现场动力线路密布,设备的启停运转繁忙,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、电磁场辐图4一个实际的信号采集系统接地示意图射三种形式。
基于双绞线可以削弱甚至消除耦合干扰,在工控系统的设计方案中,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拟地G A上。
屏蔽层也采用一点接地,接在模拟地上。
即是采用图3(c)的用法。
所有的模拟电路的地线并联于G A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G D,仍然用一根具有绝缘皮的低阻抗导线,将数字地G D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。
抑制电场耦合干扰最有效的方法是屏蔽,在工控系统中屏蔽时,导线的屏蔽层单点接地,而不是两端接地。
因为在实际的工控系统中,各种通道的信号频率大多在1MHz内,属于低频范围。
低频时屏蔽层两端接地,形成了地环电流,不能充分有效地减少电流环路面积,且将在屏蔽层形成磁场,干扰被屏蔽的导线,引起噪声干扰。
基于上述原理,双绞线的使用方法分析如下:图3(a)的结构虽然最简单,但因为没有电场屏蔽效果,所以不采用该用法。
图3 (e)的屏蔽效果虽然好,但因为屏蔽层两端接地,容易引起噪声干扰,所以不采用。
因为所有有噪声电流流动的屏蔽层不能作为信号回路,所以应将屏蔽层与信号导线只在一点连接,这样才不会使屏蔽层上引起的噪声电流通过信号导线入地。
故而,图3 (d)的用法屏蔽效果虽然最好,但因屏蔽层引起的噪声电压或电流都可流入信号导线,通常并不采用。
图3(b)、图3(f)的屏蔽效果较差,并不采用。
图3 (c)靠双绞线抑制磁场耦合干扰,并且屏蔽层一端接地,可起到电场屏蔽作用,同时屏蔽层不再作为信号导线,不会引入其它噪,所以采用这种用法。
在本方案中使用双绞线,且采用图3(c)的用法,这种用法虽然抑制dB数不算高,但它可靠性较好,不论在什么现场环境都可用,并能有效地抑制工控系统中的电场和磁场耦合干扰,提高了系统的电磁兼容性能,从而保证系统安全稳定地运行。
该系统的长时间正常运行证明了我们所选择的方案是合理的。
结束语 工业现场的干扰来源是多渠道的,针对不同的项目和不同的现场,应该有不同的处理方法。
双绞线的抗干扰技术是工控系统开发者操作的一项技术内容,能否正确设计和利用,不仅关系到系统安全稳定地运行、良好地抑制干扰,而且是工控项目开发者是否成熟的重要标志。
