Влияние емкости кабеля на передачу низкочастотного аналогового сигнала напряжения

Чем ниже частота, тем меньше проблем, но есть одно заметное исключение; это когда кабель используется для двусторонней телефонии (подробнее позже).

Кабель — это линия передачи, и он имеет четыре важных параметра:

• Емкость на единицу длины
• Индуктивность на единицу длины
• Сопротивление на единицу длины
• Проводимость на единицу длины

Эти четыре параметра используются в анализе t-линии для прогнозирования волнового сопротивления кабеля:

Источник изображения .

Затем эту формулу модифицируют для RF, предполагая, что jwL намного больше, чем R, и что jwC намного больше, чем G:

Таким образом, обычно для 250 нГн на метр и 100 пФ на метр Z0 составляет 50 Ом (посчитайте!).

По мере снижения частоты волновое сопротивление принимает новую форму:

Источник изображения .

В середине звука доминируют два параметра: R и C, поэтому Z0 становится: -

Обратите внимание на пунктирную линию на графике — это 600 Ом, и это номинальное сопротивление, используемое телефонами для получения так называемого минимального местного эффекта. Sidetone не нужен — это звук, который вы слышите в наушнике, когда говорите в микрофон — он должен быть низким в телефонии, иначе он может раздражать, а некоторые свойства сигналов ухудшаются (например, тональные сигналы набора номера DTMF могут быть неправильно истолкованы). ).

если частоты по кабелю будут низкими, может возникнуть проблема с емкостной нагрузкой.

Обычно нет, если ваше приложение не телефония, но, конечно, если ваш драйвер слаб, вы должны использовать буфер. Важной особенностью передачи сигналов по кабелю является то, что он обладает хорошей устойчивостью к шуму, и вы обычно используете кабель STP, когда у вас есть сигнал возбуждения со сбалансированным импедансом.

Итак, если ваш драйвер «слабый», его импеданс может быть непредсказуемым, и вся ваша система становится чувствительной к внешнему шуму.

Уже есть несколько хороших ответов, так что я пойду в другом направлении.

По поводу отправки низкой частоты. (<150 Гц) аналоговый сигнал напряжения с кабелем CAT6 STP

Поскольку вы говорите, что это кабель для датчика, мы не говорим о телефонии или двунаправленной передаче. Таким образом, на этих очень низких частотах, если только ваш кабель не имеет длину около 1 км, вам не придется беспокоиться о влиянии линии передачи, и поэтому есть только один интересный параметр для моделирования вашего кабеля: его емкость . При 100 пФ/м на 100 м используем C=10 нФ.

Выход вашего датчика также будет иметь выходное сопротивление . Это важно.

Если выходное сопротивление датчика резистивное и достаточно высокое, то он создаст низкочастотный резистивно-емкостной фильтр с емкостью кабеля. Например, если ваш датчик имеет выходное сопротивление 1 МОм, то при C = 10 нФ у вас будет фильтр нижних частот с углом 15 Гц, поэтому интересующая вас частота 150 Гц будет сильно ослаблена. В этом случае вам понадобится буфер или усилитель для управления кабелем с более низким импедансом , и он должен быть в состоянии обеспечить достаточный выходной ток для управления емкостью кабеля на интересующей частоте.

Если выходное сопротивление датчика является реактивным, например, это магнитный датчик, емкость кабеля может создать резонансный пик на некоторой частоте. Если датчик емкостный (например, пьезоэлектрический), то индуктивность кабеля может создать LC-резонанс. Вот почему, даже если кабель передает только очень низкие частоты и вам не нужно беспокоиться о влиянии линии передачи, хорошей идеей будет последовательно добавить резистор, равный характеристическому импедансу кабеля, чтобы погасить любой резонанс. Если ваш датчик имеет очень реактивный импеданс, возможно, вам нужно подумать об этом и рассчитать значение резистора для правильного демпфирования.

Если кабель управляется операционным усилителем, он может стать нестабильным, поскольку операционные усилители обычно не любят емкостные нагрузки. Снова добавьте последовательный согласующий резистор, равный полному сопротивлению кабеля.

«Неожиданный» эффект емкости кабеля заключается в том, что она также имеет тенденцию изменяться, когда кабель изгибается или кто-то наступает на него, что создает заряд, пропорциональный напряжению постоянного тока на кабеле, умноженному на изменение емкости. Другими словами:

$q = Cv$подразумевает, что$\partial q = C \partial v + v \partial C$, не забывайте о частных производных! ;)

Существует также трибоэлектричество. Если по длинному кабелю подается высокое сопротивление, он может стать неплохим микрофоном. Результирующее напряжение пропорционально импедансу драйвера, поэтому, если ваш драйвер имеет низкий импеданс, это не проблема. Если это высокое сопротивление (например, электроды ЭКГ или сценический микрофон), то требуется немного больше осторожности.

В реальной жизни кабель CAT6 должен быть довольно длинным (измеряется в километрах), чтобы емкость стала заметной при частоте 150 Гц в большинстве случаев. Более высокие частоты покажут тот же эффект с меньшим количеством кабеля, поэтому мне непонятно, почему ваш источник упомянул именно низкие частоты. Однако верно то, что некоторые усилители (в частности, операционные усилители и аналогичные конфигурации) чувствительны к емкостным нагрузкам, поэтому, если вы прокладываете несколько километров кабеля, вы можете столкнуться с проблемами стабильности в диапазонах, включая 150 Гц. Буфер, при условии, что у него нет проблем с емкостной нагрузкой, сам (предположительно) будет представлять резистивную нагрузку на первый каскад усилителя, решая проблему стабильности.

Буфер не обязательно «исправит» это, потому что емкостные нагрузки будут нарушать различные буферы, в зависимости от поведения фазы и усиления.

Но подумайте об этом

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}