屏蔽电缆两端接地的噪声抑制效果

1、 7 从共模抑制比分析实验结果为了帮助比较实验结果，计算电缆 B E F 和 G在四个源（a-d）的情况下的共模抑制比，以及3个试验情况下的共模抑制比。结果如图 5a-d所示。由于这些结果中包含了测量设备本身一定的共模抑制比，因此电缆本身产生的差模噪声更小一些。但这恰好说明了这里的数据能够代表现实中的共模抑制比。为了计算电缆屏蔽与平行地导体结合的效果，计算了有平行地导体时的实验情况（实验装置ii），并与没有平行地导体的情况（实验装置i）进行了比较。 图7a给出了分别用实验装置i)-iii).进行实验，源(a) 情况下的共模抑制比。在试验i)中，典型的屏蔽电阻为W0.5左右，

2、当5A电流流过时，在负载端，屏蔽层与平衡导体之间产生约2.5V的共模电压。在试验ii)中，屏蔽层与平行地导体的并联电阻为W0.08左右，当5A电流流过时，屏蔽层与平衡导体之间产生约0.4V的共模电压。  图5a 源a的电缆共模抑制比 图5a 中所示的共模抑制比通常比其他源端接(见图 5b-c)情况下所获得的共模抑制比低。这是因为在源端搭接屏蔽层时，会在负载端的屏蔽层与导体之间产生最大的共模电压，这个共模电压被音频测量设备的有限共模抑制比转换为差模噪声。图5a-d 给出了在电缆F上，用特殊设计的仪器放大器（在50Hz处的共模抑制比为118dB，高于典型的专业音频设备）进行的几个额外试验

3、。这些试验表现了1023dB的共模抑制比提高。这说明，这些试验中所测量的是电缆和测量设备一起总的共模抑制，而不是电缆本身的共模抑制比。 图5a表明，电缆两端端接时的共模抑制比与负载端没有端接的共模抑制比相同。但是，当增加了平行地导体后，共模抑制比改善了1020dB。 需要注意的是，故意做成平衡性较差的电缆(G)，在试验i)和试验ii)中，仅比其他种类的电缆稍差一点。这是因为源a)的阻抗很低，从而避免了较大的不平衡电容所产生的不良影响。图5a中所示的电缆(G)比其他电缆表现出更好的性能可能是由于电缆的不平衡电容产生的差模噪声某种程度上抵消了测量设备的有限共模抑制比产生的差模噪

4、声。  图5b 源b的电缆共模抑制比 图5b 是针对源 b)分别用实验装置 i)-iii)进行实验的共模抑制比结果。由于源是完全悬浮的，而负载具有一定的共模阻抗，屏蔽层与信号导体之间的大部分共模电压出现在源端，负载端的共模电压比源a)的情况下（图5a）的小得多。. 由于作用在负载端的测量设备上的共模电压较小(通常为20 - 400mV)，因此图5b 所示的共模抑制比普遍高于图5a所示的结果。屏蔽层两端端接的实验 (i)具有最差的共模抑制比。采用了平行地导体的实验(ii)比实验i)改善了13dB，而比实验iii)改善了3 dB和14dB。   &

5、#160;图5c 源c的电缆共模抑制比 图5c 分析了悬浮的200W 差模源(c)的情况下的试验，这种情况模拟了典型的麦克风。由于源阻抗不是0，信号导体中的非平衡噪声电流在差模噪声注入的效应上比源a)或源b)的场合更强。有意做得平衡性较差的电缆G，不论是否有屏蔽电流，比其它电缆的表现差得多。 电缆G的最坏结果是当屏蔽层在负载端没有端接的情况下得出的。当屏蔽层在两端端接时，特别是当有平行地导体时，电缆G的共模抑制比改善较大。这个结果说明，将质量很差的电缆屏蔽层两端接地能够改善共模噪声的抑制。   图5d 源d的电缆共模抑制比 图5d是悬浮75W差模的试验结

6、果，这个结果介于图5b和图5c之间。特别是对于较差的电缆G的场合，这个特征更明显，而对于其它电缆，源的差模阻抗的影响并不是太明显。 从图5a-d的结果，我们可以得出结论，将屏蔽层在两端搭接所得到的共模抑制比与通常的将屏蔽层仅在源端端接到机箱上的共模抑制比相同，但是平行地导体通常能够改善共模抑制比。一些人可能会提出异议，上述的结果表明，由于两端接地情况下的音频性能可能不如通过谨慎的单端接地获得的性能好，因此两端接地可能并不是一个好的方法。但是，这是一个肤浅的认识，因为他忽略了电缆与实际系统之间的相互作用。 实际的系统和装置对于他们的地电位差有一定的源阻抗，因此不是我们上面的实

7、验室条件下的理想电压源或电流源。在实际系统中，将屏蔽层两端接地，或者安装平行地导体能够减小设备之间的地电位差，因此能够减小地线噪声的影响。对于实际的地环路，需要应用戴维宁等效源电压和阻抗的知识来预测屏蔽层两端接地是否能够提供较好的结果。关于这方面的内容，在第9节详细讨论，在那里将看到，对于实际的专业音响系统，将屏蔽层两端接地能够轻而易举地获得预期的高音响性能。 8 Analysis of cable equivalent circuit 在上述详细的实验中获得的结果使我们能够描述一个平衡电缆的低频等效电路，这个等效电路中考虑了所有导致共模噪声转换成差模噪声的因素，无论共模噪

8、声是由屏蔽电压导致的还是由屏蔽电流导致的。图8是平衡电缆在50/60Hz频率下的等效电路，同时给出了源和负载的等效电路。  电缆的源具有差模阻抗ZSDM，并且电缆每个“引脚”对于电路的地线（电位参考点）有阻抗ZSCM1 和 ZSCM2 ，这两个阻抗在任何实际的具有一定共模抑制比的平衡电路中几乎相等。在实际中，这些参数与图8中没有画出的差模和共模电压或电流源有关。电缆的负载有类似的等效电路，差模阻抗ZLDM，共模阻抗 ZLCM1 和 ZLCM2 （在实际中几乎相等）。  平衡电缆本身在导体和屏蔽中具有串联电阻。只有屏蔽层的电阻与这些实验相关，因为在对于确定的50/6

9、0Hz电压，这个阻抗限制了屏蔽层中的电流。而在这样低的频率下，屏蔽层或导体的漏电感很小，其影响可以忽略（见第10节）。杂散电容   两根信号导体之间，以及导体与屏蔽层之间都存在电容。由于源端较低的差模阻抗ZSDM，以及实验中的频率较低（0Hz），导体间的电容在这些实验中的作用不明显。但是，由于在平衡系统中共模阻抗较高，即使在50/60Hz这样的低频，两根信号导体与屏蔽层之间的电容值和是否相同（平衡性）也十分重要。导体1的源端共模阻抗ZSCM1和导体与屏蔽层之间的电容，对于源端发出的噪声而言，构成一个低通滤波器；导体2也是同样的情况。只要这两个低通滤波器具有相同的时间常数，源

10、端产生的任何共模噪声不能在负载端的有用信号中产生差模噪声。 当信号导体与电缆屏蔽层之间存在共模电压时，导体与屏蔽层之间的杂散电容会导致注入电流。如果注入的电流是相等的，并且源和负载端的共模阻抗也相等，电缆屏蔽层上的共模电压就不会在有用信号中产生差模噪声。 由于在专业音响设备中，源端和负载端的共模阻抗是精确匹配的，信号导体与屏蔽层之间的杂散电容的平衡性很重要。这种杂散电容的匹配称为平衡电缆的电容平衡性，这是一个非常重要的参数，因为它决定了电缆中的共模噪声转化成差模噪声的数量。 实际中，很少有电缆的电容平衡性能够在1%以内，大部分在1% 6%之间。因此，只要源端的差模

11、阻抗是有限的，并且负载端的共模阻抗较高，源端或屏蔽层上的50/60Hz共模电压就能够在有用信号中产生差模噪声，从而降低音频信号的质量。电容非平衡性在本研究中非常重要，这就是为什么设计了电缆G来有意形成一种很差的电容平衡性，达到24%。电缆G模拟了一种专业音响系统中谁也不愿意使用的电缆，但是要认识到这种很差的电缆确实存在于一些陈旧系统中（尽管他们是双绞的）。 杂散互感这种参数存在于两根导体与屏蔽层之间，由于其不平衡性，与电容不平衡性一样，会导致共模噪声转化成差模噪声。但是，我们发现（通过另外的更灵敏的实验），屏蔽层与两根导体之间的互感耦合与电缆屏蔽层的局部电感基本相同，大约每米1

12、81;H。 由于两根导体在屏蔽层中的长度相同，因此他们与屏蔽层之间的互感几乎相同。在实验中，没有测到由于互感产生的差模噪声。唯一检测到的由互感导致的结果是平衡导体与屏蔽层之间的共模电压，其数值与屏蔽层的电阻产生的相比很小。例如，对于典型电缆，当屏蔽层上流过5A电流时，互感耦合的电压大约为43mV，而由于屏蔽层电阻产生的电压为2.5V，大约是前者的50倍。因此，我们得出结论，电缆内的互感由于很小，并且平衡性较好，因此对于共模抑制比的影响很小。John Watkinson 在1996年，他写的关于屏蔽层两端接地导致地环路电流并不会给平衡系统中的信号带来危害的文章时，就已经认识到这一点。当

13、对电缆进行连接或维护而导致屏蔽层的360°覆盖被破坏是时，互电感的非平衡性会增加。但是，实际测量结果表明，这种增加也很小的。 屏蔽层电阻    当电流流过屏蔽层时，屏蔽层的电阻在屏蔽层的两端之间产生电位差。这导致屏蔽层与信号导体之间的共模电压，这个共模电压通过杂散电容向平衡导体注入电流。杂散电容的不一致性产生差模噪声（幅度取决于源和负载的阻抗）。 对于仅在单端端接的屏蔽层而言，屏蔽层与导体之间的任何电压在电缆的整个长度上都是相等的。但是电缆屏蔽层在两端端接时，从内导体看到的屏蔽层上的电压沿着电缆发生变化。需要记住的是，图8中所示的集中

14、在一起的杂散电容和屏蔽层电阻实际是均匀分布在电缆上的。对于负载端同样的屏蔽层电压，通过杂散电容注入到导体上的电流，在屏蔽层两端接地的电缆上的幅度只有屏蔽层负载端没有接地的电缆的幅度的一般。这种屏蔽层两端接地带来的好处仅在图7c和图7d所示的电缆G的实验结果上能够看出，在其它实验中，电缆中发生的共模-差模转换被测量仪器上发生的共模-差模转换效应所掩盖。 电缆端头处的互感图8中还给出了电缆端头的互感，在本实验中，这种互感被尽量减小了，这样他们的影响可以忽略不计。但是，如果考虑传统的端接音频电缆屏蔽层的方法，例如，在XLR连接器上，通过小辫将屏蔽层连接到触点1，然后再通过小辫连接到设备内部

15、，这种情况下，由于连接的非对称性，以及屏蔽层小辫与两根导体相对位置不同，两个导体与屏蔽层之间的互感必然不同。 我们所做的实验表明，当在触点1所连接的屏蔽层上流过50Hz电流时，由于不同的互感，每安培电流在XLR连接器中的触点2和触点3之间产生的差模电压不会超过1mV。XLR中的触点的长度是50mm，较长的导体会增加互感的差异，有关内容在第11节讨论。采用文献3中推荐的安装方法来达到电磁兼容性的专业音响制造商和集成商发现，屏蔽层的小辫必须尽量短，并且直接搭接到机箱/机柜/机架上，才能够获得更好的电磁兼容性。这个结果表明，良好的电感平衡也是必要的。在第11节中也能看到，这样也能防止地环路

16、电流流进音频电路而降低音频质量。 当使用XLR连接器时，能够改进屏蔽层的端接。大部分XLR电缆连接器提供了与外壳连接的焊片，这允许用较短的导线连接到触点1，从而连接到电缆屏蔽层。一个实际的问题是，电缆上连接器外壳与机箱上的连接器外壳之间的接触，这种接触通常不很可靠，或者仅在一点接触（对于电磁兼容十分不利），安装在机箱上的连接器的与机箱之间的接触也会由于喷漆或氧化而接触不良，可能仅通过两个固定螺钉来导通。 一些厂商开始提供改进的XLR连接器，例如图9所示的美国Neutrik公司()制造的“数字XLR”，能够为屏蔽层提供360°端接方式。  在电缆

17、两端采用360°射频屏蔽层端接技术能获得最佳电磁兼容性，特别是在无线麦克风、手机和无线局域网工作的频率上。这种技术不用小辫或连接器的触点连接屏蔽层，因此互感平衡性很好。在英国，型号为NC3FXCC的“数字”连接器的阴头，当采购量为1000只时，价格为2.5英镑，而传统的NC3FX的价格为1.32英镑。型号为NC3MXCC的“数字”连接器的阳头，当采购量为1000只时，价格为1.56英镑。而传统的NC3MX的价格为1.1英镑。采用“数字XLR”所增加的成本与在触点1和外壳之间连接一只射频电容的成本相当，但是电磁兼容性好得多。 Neutrik 强调他们的“数字XLR”适用于数字

18、专业音响信号，但是这种产品也特别适用于控制地环路和为模拟专业音响提供良好的抗干扰特性。遗憾的是， Neutrik 没有适合于机箱360o 射频搭接的产品，但是他们制造的B系列部件具有一些圆形机箱搭接簧片（选件E具有更多的接触点，因此更适合于高频），B系列的一些阴头也有一些外壳接触簧片。用这些机箱连接器和“数字”电缆连接器应该能够获得最佳的电磁兼容性能。 Relevance to unbalanced cables     对于使用屏蔽层作为信号回流导体的电缆，从图8中去掉一根信号导体和对应的源端和负载端电阻，就得到了50Hz/60Hz频率处的等

19、效电路。屏蔽层与内部导体之间的电容和互感耦合，以及屏蔽层上的电压，都以差模的形式作用在信号上（不象前面的共模），这种情况下计算外界干扰的影响比较容易，因为不用考虑由于平衡电缆的非平衡因素导致的共模-差模转换，以及源端电路和负载端电路的共模抑制比。屏蔽层与内部导体之间的互感与电缆的局部电感相当，大约每米1mH。这个互感在信号上产生的串联噪声电压通常不受源或负载端阻抗的影响，除非当这些阻抗小于10倍的屏蔽层电阻时。电缆屏蔽层与信号导体之间的电容在一般电缆技术规格说明书内能够查到，屏蔽层上的电压通过这个电容在信号导体上产生电流。这个电流对信号的影响随着源端和负载端并联阻抗的增加而增加。通过互感产生噪

20、声电压滞后于屏蔽层上的电流90°，而通过电容产生的噪声电流超前屏蔽层与导体之间的电压90°。由于大部分电压驱动的非平衡电缆的源端阻抗小于100W，因此电容耦合的影响小于互感耦合的影响，而互感耦合的影响又小于屏蔽层上的电流产生的电压的影响（记住，现在的屏蔽层是信号的回流路径，因此屏蔽层上的电压串联在信号电压上）。对于一根30米长的电缆，当屏蔽层上流过1A电流时，在50Hz频率互感耦合产生的噪声电压大约为10mV，而典型的屏蔽层电阻为0.5W，由此产生的电压为 0.5V。 由此容易发现，平衡信号传输技术（又称为差分驱动），由于不使用电缆屏蔽层作为电流回流线，

21、对于低电平信号具有非常好的噪声抑制特性，能够使模拟信号具有较高的信噪比。这就是为什么这些技术几十年来一直应用在专业音响和数据通信中（RS485）。但是，如果不进行采用平衡电缆的重新设计，将电缆的屏蔽层与其它电缆的屏蔽层并联起来，或者安装平行地导体，能够减小屏蔽层电流，从而减小噪声。-font-family: Symbol">°覆盖被破坏是时，互电感的非平衡性会增加。但是，实际测量结果表明，这种增加也很小的。  屏蔽层电阻    当电流流过屏蔽层时，屏蔽层的电阻在屏蔽层的两端之间产生电位差。这导致屏蔽层与信号导体之间的共模电压，这

22、个共模电压通过杂散电容向平衡导体注入电流。杂散电容的不一致性产生差模噪声（幅度取决于源和负载的阻抗）。 对于仅在单端端接的屏蔽层而言，屏蔽层与导体之间的任何电压在电缆的整个长度上都是相等的。但是电缆屏蔽层在两端端接时，从内导体看到的屏蔽层上的电压沿着电缆发生变化。需要记住的是，图8中所示的集中在一起的杂散电容和屏蔽层电阻实际是均匀分布在电缆上的。对于负载端同样的屏蔽层电压，通过杂散电容注入到导体上的电流，在屏蔽层两端接地的电缆上的幅度只有屏蔽层负载端没有接地的电缆的幅度的一般。这种屏蔽层两端接地带来的好处仅在图7c和图7d所示的电缆G的实验结果上能够看出，在其它实验中，电缆中发生的共

23、模-差模转换被测量仪器上发生的共模-差模转换效应所掩盖。 电缆端头处的互感图8中还给出了电缆端头的互感，在本实验中，这种互感被尽量减小了，这样他们的影响可以忽略不计。但是，如果考虑传统的端接音频电缆屏蔽层的方法，例如，在XLR连接器上，通过小辫将屏蔽层连接到触点1，然后再通过小辫连接到设备内部，这种情况下，由于连接的非对称性，以及屏蔽层小辫与两根导体相对位置不同，两个导体与屏蔽层之间的互感必然不同。 我们所做的实验表明，当在触点1所连接的屏蔽层上流过50Hz电流时，由于不同的互感，每安培电流在XLR连接器中的触点2和触点3之间产生的差模电压不会超过1mV。XLR中的触点的长

24、度是50mm，较长的导体会增加互感的差异，有关内容在第11节讨论。采用文献3中推荐的安装方法来达到电磁兼容性的专业音响制造商和集成商发现，屏蔽层的小辫必须尽量短，并且直接搭接到机箱/机柜/机架上，才能够获得更好的电磁兼容性。这个结果表明，良好的电感平衡也是必要的。在第11节中也能看到，这样也能防止地环路电流流进音频电路而降低音频质量。 当使用XLR连接器时，能够改进屏蔽层的端接。大部分XLR电缆连接器提供了与外壳连接的焊片，这允许用较短的导线连接到触点1，从而连接到电缆屏蔽层。一个实际的问题是，电缆上连接器外壳与机箱上的连接器外壳之间的接触，这种接触通常不很可靠，或者仅在一点接触（对

25、于电磁兼容十分不利），安装在机箱上的连接器的与机箱之间的接触也会由于喷漆或氧化而接触不良，可能仅通过两个固定螺钉来导通。 一些厂商开始提供改进的XLR连接器，例如图9所示的美国Neutrik公司()制造的“数字XLR”，能够为屏蔽层提供360°端接方式。  在电缆两端采用360°射频屏蔽层端接技术能获得最佳电磁兼容性，特别是在无线麦克风、手机和无线局域网工作的频率上。这种技术不用小辫或连接器的触点连接屏蔽层，因此互感平衡性很好。在英国，型号为NC3FXCC的“数字”连接器的阴头，当采购量为1000只时，价格为2.5英镑，而传统的NC3FX的价格

26、为1.32英镑。型号为NC3MXCC的“数字”连接器的阳头，当采购量为1000只时，价格为1.56英镑。而传统的NC3MX的价格为1.1英镑。采用“数字XLR”所增加的成本与在触点1和外壳之间连接一只射频电容的成本相当，但是电磁兼容性好得多。 Neutrik 强调他们的“数字XLR”适用于数字专业音响信号，但是这种产品也特别适用于控制地环路和为模拟专业音响提供良好的抗干扰特性。遗憾的是， Neutrik 没有适合于机箱360o 射频搭接的产品，但是他们制造的B系列部件具有一些圆形机箱搭接簧片（选件E具有更多的接触点，因此更适合于高频），B系列的一些阴头也有一些外壳接触簧片。用这些机箱连接器和“数字”电缆连接器应该能够获得最佳的电磁