工业互连电缆信号完整性及其抗干扰技术研究

论文摘要

随着信息技术的高速发展和应用推广,现代大工业生产向着高频、高速、高灵敏度、高集成度、高可靠性方向发展,工业系统中互连电缆的信号完整性和电磁兼容性问题日趋严重。这些问题的出现给电气工程师设计工控系统和现场布线带来了更大的挑战,本文以传输线理论为基础,以电磁兼容机理为主线,对工业互连电缆信号完整性及其抗干扰技术进行了研究。首先,在大量查阅国内外有关文献的基础上,提出了工业互连电缆中存在的信号完整性问题,并介绍了其研究现状。其次,将传输线理论运用到工业局域网,详细阐述了工业互连电缆的信号完整性问题,即:反射、串扰及屏蔽电缆接地不当引起的共模/差模干扰问题。再次,研究了解决反射问题的方法——阻抗匹配法,并对常用的终端阻抗匹配效果进行了仿真分析。建立串扰耦合模型,用MATLAB编制相应的串扰仿真程序进行仿真,分析串扰耦合电压与电缆结构参数的关系,得出串扰电压的大小随电缆长度和电缆距参考面高度的增大而增大,随大地电导率的增加而减小。讨论了双绞线抗电磁干扰原理以及EMI滤波器对共模/差模干扰的抑制能力,并对EMI滤波器工作应遵循的最大阻抗失配原理进行了仿真分析,给出了正确的工程使用方法。另外,根据仿真模型,自制了互连电缆信号完整性测试装置,测试不同端接情况下的终端反射电压,及信号源幅值大小对串扰耦合电压的影响,从实验波形和数据变化趋势看,基本上与仿真结果达到了较好的一致性,验证了理论分析的正确性。最后,在上述理论仿真分析和实验基础上,得出了工业互连电缆信号完整性抗干扰措施:通过阻抗匹配法减小信号反射和通过合理的电缆布线减小串扰。这些结论的得出,对电气工程师更好的解决互连电缆信号完整性问题有一定的参考作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 论文研究内容
• 第二章 工业互连电缆信号完整性基本理论
• 2.1 工业互连电缆的传输线理论
• 2.2 工业互连电缆的反射及传输线参数
• 2.2.1 工业互连电缆的特性阻抗
• 2.2.2 工业互连电缆的延迟时间
• 2.2.3 工业互连电缆的反射系数
• 2.3 工业互连电缆的串扰
• 2.3.1 串扰耦合机理
• 2.3.2 串扰的形成
• 2.4 共模和差模传导干扰
• 2.5 本章小结
• 第三章 互连电缆信号完整性仿真分析及实验研究
• 3.1 信号反射及其匹配技术
• 3.1.1 反射形成机理
• 3.1.2 反弹图
• 3.1.3 终端匹配技术
• 3.1.4 反射及终端匹配技术的仿真分析
• 3.2 信号串扰及仿真
• 3.3 共模和差模传导干扰及抑制
• 3.3.1 双绞线对共模/差模干扰的抑制作用
• 3.3.2 EMI 滤波器对共模/差模干扰的抑制作用
• 3.4 互连电缆信号反射的实验研究
• 3.4.1 实验装置
• 3.4.2 实验研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 互连电缆信号完整性抗干扰技术
• 4.1 减少反射、串扰方法
• 4.2 工业屏蔽电缆的合理接地
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介