这篇文章的类似版本出现在2003年4月17日的EDN杂志上。

共模信号定义

当参考本地共模或地时，共模信号出现在2线电缆的两条线上，同相且幅度相等。显然，如果其中一条线路连接到本地共模信号，则不能存在共模信号。从技术上讲，共模电压是从平衡电路的每个导体到本地地或共模电压矢量和的一半。这些信号可能来自以下一个或多个来源:

• R信号相等地耦合到两条线路上，

• 在驱动电路中产生的信号的偏移量，或者

• 发射和接收位置之间的地差。

关于这些基本条件的进一步细节将在后面的部分中介绍。然而，在研究这些细节之前，了解不同的电缆配置、信号接地惯例和屏蔽接地做法是有用的。

通用数据传输系统

任何数据传输系统的主要目的是将数据从一个位置发送到另一个位置，无论是在单个盒子或外壳内，在外壳内的盒子之间，在建筑物或限定区域内的外壳之间，还是在建筑物之间。图1说明了RS-485信号的情况，其中建筑物由不同的电源电路供电。

将电力线用户的中性线连接到电源输入点的接地棒上，将电力线中性线确定为安全接地。从这一点开始，一根裸露的或绿色绝缘的电线将安全地线连接到整个房地的所有电源插座和已安装的设备。工业机箱框架在机箱的电源输入点与安全接地结合，在那里它成为框架接地。

电路通常在一个或多个点连接到机箱，但每个机箱一个接地点是最好的。在某些情况下，公共电路可能与机架接地隔离。从机器绕组到机箱的安全地线中流过的漏电流，或者更常见的是，由于配电系统中交流一次或二次中性电流而在地与地之间流过的漏电流，会在中性点和机架接地之间产生电位差。

地差从几伏特到几十伏特不等。在单相或三相y型配电系统中发现最大的差动，其中流过大地的中性电流部分可占流过一次电路的总中性电流的10%至70%。接地点之间的电压测量通常为0.2V(RMS)至5V(RMS)，并且(很少)在广泛分离的地面之间高达65V(RMS)。

电缆和噪音

电缆中出现噪声信号有几个原因:附近电场的电容耦合(E);局部磁场的感应耦合(M);空间r0信号的电磁耦合;耦合信号以附加信号的形式与线路串联在一起(图2)。表2列出了电缆中潜在噪声源的类型和来源。双绞线对耦合信号的截距相等，因此入射信号只表现为共模信号。如果从每条线连接到本地共线的阻抗相同，则称双绞线是平衡的。

电路和屏蔽接地

单线接地回线:信号线通过地(架)回路在源地和负载处接地线。电路共用地也必须连接到地(框架)地。

单线屏蔽信号电流总是在屏蔽上进行，因此在源和负载上都必须有与公共电路的连接。各种情况下的屏蔽接地连接方式如表3所示。

两线平行每根导体都携带等量的信号电流，但方向相反。表4列出各种条件下的线路接地连接。

非屏蔽双绞线任何驱动或接收电路都可能包括与本地公共地或机架地的连接，但将传输线本身连接到机架地是不必要的，也是不可取的。差分模式或平衡信号源(如无屏蔽的RS-422和RS-485数据传输电路)将数据信号传输到远端位置，源和负载电路都参考本地地或公共地。变压器耦合应用包括10/100 Base-T以太网电缆。

屏蔽双绞线:将任何屏蔽对的屏蔽层接地，将屏蔽层截获的任何不需要的信号或噪声接地。典型的屏蔽材料(铜和铝)对内部导体屏蔽电容耦合或电磁耦合的信号，但不能屏蔽电感耦合的信号。

对于任何承载平衡信号的屏蔽对，您应该在一端(通常是接收端)将屏蔽连接到地。如果发送地携带的噪声信号与接收地不同，则两端的屏蔽层接地会使电流沿屏蔽层流动。如果两个接地点之间没有明显的电位差，则两端接地是可以接受的。该配置包括屏蔽RS-422和RS-485数据传输电路。RS-485应用指南规定将屏蔽层直接或通过电缆屏蔽层一端或两端的易熔电阻连接到接地。

Signal-Mode定义

电缆上传输的电信号可以分为正常模式、差分模式和共模式。

• 一个正常模式信号是出现在一对导线之间的任何类型(除共模外)，或出现在参考(或通过)大地、机箱或屏蔽的单线上的任何类型。正常模式信号在平衡或不平衡传输路径的两根导线之间读取。(对于平衡的2线路径，在静态或无信号条件下，两条线相对于电路公共电压水平相同，一条线被驱动为正，而另一条线被驱动为负，驱动量相等。)

• 一个差模信号在未接地的电缆配置中，在一对导线上出现差异。

• 一个共模信号在未连接到接地、屏蔽或本地共线的2线电缆的两条线上同样出现(相对于本地共线)。通常，但不总是，这是一个不需要的信号，应该被接收电路拒绝。共模电压(V(CM))在数学上表示为两个信号电压相对于本地地或共模的平均值:
  
  

  
  

图3显示了一个3V差模信号叠加在2.5V共模信号上。直流偏置是典型的单电源差模数据发射机。共模电压可以是交流电压、直流电压，也可以是交直流混合电压。(图3是最简单的情况，直流共模电压没有交流分量。)

当电缆很长时(如RS-485数据电缆)，发出信号的公共或接地可能与接收位置的电势不同。RS-485规范要求将驱动电路直接或通过100欧姆电阻连接到机架接地。结果如图4所示。

共模信号可以假定共模电压等于地电位差、驱动器偏置电压和发射机与接收机之间的信号路径上产生的任何纵向耦合噪声电压的矢量和:

共模信号的起源

图4中共模电压的三个源分别表示为e(GD)、e(LC)和e(OS):

• E(OS)通常是由单电源驱动的差模驱动引入的直流偏置，如图3所示。

• e(GD)是噪声信号，表示发射点和接收点地电位差。它通常是一个交流信号，包含电力线频率的基频和可能的几个谐波。

• e(LC)是一种纵向耦合噪声信号，由于来自外部源的电容、电磁或电感耦合，在两条传输线上均匀出现。

最小化共模信号

E(OS)可以非常小，甚至为零，通过从平衡电源操作差动模式驱动器。相比之下，e(GD)只能通过在发射和接收位置之间保持相对较短的距离来最小化。e(LC)可以通过使用屏蔽双绞线来最小化:电缆内引入的噪声在两根紧密绞合的导线上平均产生。否则，由于线相对于干扰场的不对称性，将出现正模信号。

载荷也必须是对称的;双绞线两端的电阻性和容性负载阻抗必须匹配。只有使用磁屏蔽才能阻止电感耦合信号。(注意，任何携带信号电流的导线都是磁场的来源。)

抑制共模信号

接收电路必须拒绝共模信号(V(CM))。当接收电路是无源的(耳机或扬声器)，变压器耦合，隔离和电池供电，或者以任何方式不参考传输电路(电容或电阻连接)时，这种抑制很容易实现。这里提到的配置本质上不受共模信号的影响，但是参考发射电路的接收电路必须设计成接受提供给它们的全范围V(CM)。所有这些设计都涉及具有高共模抑制(CMR)的差分接收器。如果V(CM)的振幅相对较低，单独使用高cmr接收器可能就足够了。

高cmr接收机是如何工作的

所有高cmr接收器采用某种形式的差分对，或由三个放大器组成的传统仪表放大器，如图5所示。每个放大器在有限的共模电压下接受差分输入，可接受的V(CM)限制在略低于电源电压。这种电路可以处理和数字信号。

如果要使V(CM)超过接收机的共模范围，则必须采用额外的隔离。大多数这样的电路采用变压器耦合隔离电源，加上以下任何一种:

• 光耦合电路

• 电容耦合差分电路

• 电感耦合电路

• 电阻耦合差分电路

图6中所示的所有技术都可以在存在高V(CM)值的情况下耦合信号穿过隔离屏障。每个都取决于使用隔离电源，通常是变压器耦合的。隔离电压限值由变压器和所选隔离类型决定。隔离到2500V或更高是实用的变压器，光学和电容耦合技术;电阻耦合通常限制在50V到100V的范围内。

电阻耦合涉及通过电阻衰减器传输数据，该衰减器会衰减数据和共模信号。因此，电阻隔离受到接收电路可容纳的V(CM)分数的限制，同时可靠地检测原始数据信号的一小部分。

在图6中，各种隔离驱动器以不同的方式处理对隔离电源的需求。今天的电感耦合器件没有提供电源，因此需要外部隔离电源。一些电容耦合器件包括变压器驱动器，但它们需要外部变压器。Maxim的MAX3157和MAX3250驱动器包含隔离电源，需要外部，低轮廓，陶瓷电荷泵电容器。然而，MAX1480和MAX1480E系列的成员包含完全隔离的电源，包括变压器。

因此，一旦已知入侵共模信号的来源和大小，您就可以智能地选择电缆类型和隔离技术。你只需要测量或计算干扰信号的幅值，然后选择你的元件来满足系统的整体要求。

参考电路

这是明尼苏达州公用事业委员会1995年对48家公用事业公司的调查

文档化的信息很难发现。引用的数字是通过与加拿大不列颠哥伦比亚省卑诗水电公司的工程师私下交流获得的。

TIA/EIA电信系统公告TSB89, TIA/EIA-485- a应用指南，电信工业协会，1998年6月

TIA/EIA-485- a，用于平衡数字多点系统的发电机和接收机的电气特性，电信工业协会，1998年3月3日。