导言
“The Twist”指双绞线，Alexander Graham Bell于1881年请求该项专利。而该项技能一向沿用到今日，原因是它供给了许多便当。此外，跟着现场可编程门阵列(FPGA)器材处理才能的逐步强壮，结合电路仿真及滤波器规划软件，使得双绞线在数据通讯范畴的运用也越来越遍及。
FPGA为规划工程师供给了强壮、灵敏的操控才能，特别是那些无法获取专用集成电路(ASIC)的小批量规划项目，能够运用FPGA完成规划;许多 大批量出产的产品，在项目规划初期也运用FPGA进行原型开发，并定制芯片之前对新功用进行测验。FPGA的强壮之处在于杂乱的数字处理功用，而一些模仿信号则会受限于数字噪声的搅扰。需求外部供给模仿扩大，以及失调、滤波和信号处理，保证FPGA满意体系的全体需求。
本文评论了怎么将双绞线与低通滤波器相结合，按捺射频搅扰(RFI)和电磁搅扰(EMI)。咱们还介绍了怎么运用高精度电阻排规划定制化差分扩大器，消除信号搅扰并改进FPGA体系的功能。在咱们挑选频响特性时，运用高精度电阻设置增益和共模按捺比。
双绞线的重要性
双绞线对数据通讯有着重大意义，能够大幅下降串扰、RFI和EMI。
互联网和计算机的遍及带动了双绞线运用的遍及，许多人误以为双绞线是项新发明，实际情况并非如此。图1所示是Alexander Graham Bell早在1881年就已请求的专利副本，他描绘了多对双绞线之间的相互影响。
图1. Alexander Graham Bell于1881年取得美国专利244，426
Bell先生指出：多个电路经过两条线衔接——一条直通线和一条回来线，构成一个金属线导电回路。当金属线导电回路置于其它电路邻近时，假如周边电 路在两条线上感应信号不同，则金属线所衔接的电话及其它电气设备就会感应搅扰信号;清楚明了，假如在直通线和回来线上发生相同影响，则其间一条导线发生的 电流将抵消另一条导线发生的电流。假如两条导线与搅扰电流的感应联系相同，或将两条导线置于与上述电路相同的间隔(保证其它条件彻底相同)，则可防止干 扰。
这些经过125年前史验证的真理，为现代的差分信号原理奠定了根底。图2所示，导线A的电流所发生的磁场会在导线B中发生所不期望的电流。
图2. 导线之间的串扰：导线A中电流所发生的磁场在导线B发生所不期望的电流。
图中导线之间的电容表明杂散分布电容，当增大串扰信号的频率时，电容耦合将更为显着。图3中，咱们观察到Bell先生提出的“抵消”效应。当在双绞 线两边施加持平的搅扰信号时，搅扰信号将被抵消。射频环境下，杂散电容会耦合导线之间的能量。同理，因为双绞线的搅扰持平、方向相反，RFI趋于抵消。以 差分方法接纳双绞线信号将增强“抵消”效应。
图3. 当对双绞线两边施加持平的搅扰信号时，导线之间的串扰被抵消。
也能够运用屏蔽导体将双绞线包裹起来，起到静电屏蔽作用。屏蔽增大了杂散电容，作用相当于低通滤波器，进一步衰减RF搅扰。导线的阻性和理性为串联元件，涣散电容对地构成低通滤波器。当通讯链路仅传输低频信号时，例如电话音频或其它窄带信号，这一特性有助于改进传输作用。
运用低通滤波器下降RFI
举例说明，温度丈量的速度或许受限于被测目标的物理质量。家用加热器或许只需求每隔一、两分钟丈量一次温度。因为空气、墙面、地板和天花板的质量比较大，温度改变十分缓慢。所以，每秒钟丈量数百万次温度对加热器的温度丈量或温度操控毫无意义。
咱们转向室外，室外发生的RFI或许进入室内。以我家为例，我家间隔一座50，000W AM电台大约1英里。不幸的是，电话线拾取了电台的1.37MHz信号。信号在电话中经过检波，恢复出电台的音频信号。常常听到这个搅扰信号会让人难以忍 受，这一搅扰严重影响了电话的调制解调器。电台播音室与发射机和天线相邻，体系维护比较便当。按道理说，工程师比较拿手消除音频和电话体系的 1.37MHz信号，所以咱们经过“噪杂”的电话提出修理请求，并询问了他们运用的是什么低通滤波器。
图4. 低通滤波器。
选用图4十分简略的滤波器即可取得不错的作用，为什么?原因在于物理学：咱们期望线路上保存什么，按捺什么?本 例中，咱们正常的电话信号为300Hz至3kHz，要按捺的信号是1.37MHz，频率相差450倍。运用Nuhertz的FilterFree软件，我 们制作了一个巴特沃斯呼应滤波器并制作了其呼应特性(图5)。滤波器在3kHz以下根本平整，在1.37MHz时衰减超越135dB。135dB相当于衰 减了560万倍。电台运用了滤波器后，有用处理了这一问题，不再搅扰电话线。
图5. 运用低通滤波器后，电话音频经过线路，而电台的RFI得到按捺。
运用一个简略的滤波电路是否就能处理问题?软件东西Solve Elec是一款电路仿真器，带有低通滤波器规划文件，这是一个简略的RC滤波器。运用该RC滤波器，更改参数值，得到8kHz下的3dB衰减，频响特性如图6所示。
图6. 图中所示为简略的RC滤波器对电话线中RFI的呼应特性。
关于音频信号，3kHz时衰减小于0.5dB，而对电台的RFI搅扰则衰减44dB，或150倍。实际上，咱们也运用了电话线的电阻和电感串联元件，仅仅增加了一个小的接地%&&&&&%，对电台的RFI做进一步的衰减。
现在，咱们重新考虑工厂的温度丈量体系，其间导线有数百英尺长，相当于一个无线电天线，因而，受RFI影响的几率十分大。假如在规则的时刻周期内，温度丈量数据保持一致，能够在检测线路中串联一个低通滤波器，以消除RFI。那么，怎么经过双绞线接纳信号?当然要选用差分信号，保证搅扰信号互相抵消，图 7所示为此类电路。
图7. 选用MAX5426高精度电阻网络构成差分扩大器，可灵敏设置扩大器参数。
图7所示的电路装备也称为外表扩大器，市场上能够找到多种彻底集成的计划，MAX5426高精度电阻网络为规划人员供给了操控扩大器参数的便当条 件。高精度电阻答应以数字方法挑选差分增益：1、2、4或8，精度可挑选0.5%至0.025%。电阻的准确匹配保证取得79dB以上的共模按捺目标。电 路规划人员可便当挑选运算扩大器，依据详细运用量身定制频率呼应特性，改进前端滤波。
定论
尽管Alexander Graham Bell很早就论述了双绞线原理，至今咱们依然能够经过互联网或无线电听到Chubby Checker和“双绞线”，假如Bell知道双绞线、电路规划、仿真东西以及FPGA对现代科学奉献，他一定会感到吃惊。 正确挑选双绞线和低通滤波器，即可下降EMI和RFI，进步数据通讯的可靠性。
