Auswirkung der Kabelkapazität auf die Übertragung von analogen Spannungssignalen mit niedriger Frequenz

Je niedriger die Frequenz ist, desto weniger Probleme gibt es im Allgemeinen, aber es gibt eine bemerkenswerte Ausnahme; das heißt, wenn ein Kabel für die Zwei-Wege-Telefonie verwendet wird (mehr später).

Ein Kabel ist eine Übertragungsleitung und hat vier bemerkenswerte Parameter: -

• Kapazität pro Längeneinheit
• Induktivität pro Längeneinheit
• Widerstand pro Längeneinheit
• Leitwert pro Längeneinheit

Diese vier Parameter werden in der T-Leitungsanalyse verwendet, um die charakteristische Impedanz des Kabels vorherzusagen: -

Bildquelle .

Diese Formel wird dann für RF modifiziert, indem angenommen wird, dass jwL viel größer als R ist und dass jwC viel größer als G ist: -

Für 250 nH pro Meter und 100 pF pro Meter ist Z0 also typischerweise 50 Ohm (rechnen Sie nach!).

Mit sinkender Frequenz nimmt der Wellenwiderstand eine neue Form an: -

Bildquelle .

Bei mittlerem Audio sind die beiden dominierenden Parameter R und C, daher wird Z0 zu: -

Beachten Sie die gepunktete Linie in der Grafik – diese liegt bei 600 Ohm und ist die Nennimpedanz, die von Telefonen verwendet wird, um das zu erreichen, was als minimaler Rückhörton bekannt ist. Nebengeräusche sind nicht erwünscht - es ist das Audio, das Sie im Ohrhörer hören, wenn Sie in das Mikrofon sprechen - dies ist erforderlich, um bei der Telefonie leise zu sein, sonst kann es störend werden und einige Signalisierungseigenschaften werden reduziert (DTMF-Wähltöne können beispielsweise falsch interpretiert werden ).

Wenn die Frequenzen im Kabel niedrig sind, kann es ein Problem damit geben, dass es eine kapazitive Last antreibt

Normalerweise nicht, es sei denn, Ihre Anwendung ist Telefonie, aber wenn Ihr Treiber schwach ist, sollten Sie natürlich einen Puffer verwenden. Das Wichtige bei der Signalübertragung über Kabel ist, dass es eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Rauschen aufweist, und Sie verwenden im Allgemeinen STP-Kabel, wenn Sie ein Treibersignal mit ausgeglichener Impedanz haben.

Wenn Ihr Treiber also "schwach" ist, kann seine Impedanz unvorhersehbar sein und Ihr gesamtes System wird anfällig für externes Rauschen.

Einige nette Antworten schon, also werde ich in eine andere Richtung gehen.

In Bezug auf das Senden einer niedrigen Frequenz. (<150Hz) analoges Spannungssignal mit CAT6 STP Kabel

Da Sie sagen, das ist ein Kabel für einen Sensor, sprechen wir nicht von Telefonie oder bidirektionaler Übertragung. Bei diesen sehr niedrigen Frequenzen müssen Sie sich also keine Gedanken über Übertragungsleitungseffekte machen, es sei denn, Ihr Kabel ist etwa 1 km lang, und daher gibt es nur einen interessanten Parameter zum Modellieren Ihres Kabels: seine Kapazität . Bei 100pF/m für 100m verwenden wir C=10nF.

Der Ausgang Ihres Sensors hat auch eine Ausgangsimpedanz . Das ist wichtig.

Wenn die Ausgangsimpedanz des Sensors resistiv und hoch genug ist, erzeugt er mit der Kabelkapazität einen RC-Tiefpass . Wenn Ihr Sensor beispielsweise eine Ausgangsimpedanz von 1 Megaohm hat, haben Sie mit C = 10 nF einen Tiefpass mit einer Ecke bei 15 Hz, sodass Ihre interessierende 150-Hz-Frequenz ziemlich gedämpft wird. In diesem Fall benötigen Sie einen Puffer oder Verstärker, um das Kabel von einer niedrigeren Impedanz zu treiben , und er sollte in der Lage sein, genügend Ausgangsstrom zu liefern, um die Kabelkapazität bei der interessierenden Frequenz zu treiben.

Wenn die Ausgangsimpedanz des Sensors reaktiv ist, z. B. bei einem magnetischen Aufnehmer, kann die Kapazität des Kabels bei einer bestimmten Frequenz eine Resonanzspitze erzeugen. Wenn der Sensor kapazitiv ist (wie ein Piezo), kann die Kabelinduktivität eine LC-Resonanz erzeugen. Selbst wenn das Kabel nur sehr niedrige Frequenzen überträgt und Sie sich keine Gedanken über Übertragungsleitungseffekte machen müssen, ist es daher eine gute Idee, einen Widerstand gleich der charakteristischen Impedanz des Kabels in Reihe zu schalten, um jegliche Resonanz zu dämpfen. Wenn Ihr Sensor eine sehr reaktive Impedanz hat, müssen Sie vielleicht darüber nachdenken und einen Widerstandswert für die richtige Dämpfung berechnen.

Wenn das Kabel von einem Operationsverstärker angesteuert wird, kann es instabil werden, da Operationsverstärker im Allgemeinen keine kapazitiven Lasten mögen. Fügen Sie erneut einen Reihenabschlusswiderstand hinzu, der der Impedanz des Kabels entspricht.

Ein "überraschender" Effekt der Kabelkapazität besteht darin, dass sie auch dazu neigt, sich zu ändern, wenn das Kabel gebogen wird oder jemand darauf tritt, wodurch eine Ladung erzeugt wird, die proportional zur Gleichspannung am Kabel multipliziert mit der Kapazitätsänderung ist. Mit anderen Worten:

$q = Cv$impliziert, dass$\partial q = C \partial v + v \partial C$, vergiss deine partiellen Ableitungen nicht! ;)

Es gibt auch Tribo-Elektrizität. Wenn ein langes Kabel von einer hohen Impedanz angetrieben wird, kann es ein ziemlich gutes Mikrofon werden. Die resultierende Spannung ist proportional zur Impedanz des Treibers. Wenn Ihr Treiber also eine niedrige Impedanz hat, ist dies ein viel geringeres Problem. Wenn es sich um eine hohe Impedanz handelt (wie EKG-Elektroden oder Bühnenmikrofone), ist etwas mehr Vorsicht geboten.

Im wirklichen Leben müsste ein CAT6-Kabel ziemlich lang sein (gemessen in Kilometern), damit sich die Kapazität in den meisten Fällen bei 150 Hz bemerkbar macht. Höhere Frequenzen zeigen den gleichen Effekt mit weniger Kabel, daher ist mir unklar, warum Ihre Quelle insbesondere niedrige Frequenzen erwähnt. Es stimmt jedoch, dass einige Verstärker (insbesondere Operationsverstärker und ähnliche Konfigurationen) empfindlich auf kapazitive Lasten reagieren. Wenn Sie also ein paar Kilometer Kabel fahren, können Stabilitätsprobleme in Bereichen einschließlich 150 Hz auftreten. Ein Puffer, vorausgesetzt, er hat kein Problem damit, eine kapazitive Last zu treiben, würde (vermutlich) selbst eine ohmsche Last für die erste Verstärkerstufe darstellen und das Stabilitätsproblem lösen.

Ein Puffer wird dies nicht unbedingt "reparieren", da kapazitive Lasten je nach Phasen- und Verstärkungsverhalten verschiedene Puffer stören.

Aber bedenken Sie dies

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}