Связь сигналов: Понимание AC-помех в телефонных кабелях

Детали и материалы

• 6-вольтовый аккумулятор
• Конденсатор 0,22 мкФ (Radio Shack #272-1070 или аналогичный)
• Конденсатор 0,047 мкФ (Radio Shack #272-134 или аналогичный)
• Малый хоббийный мотор постоянного магнита (Radio Shack #273-223 или аналогичный)
• Аудиодетектор с наушниками
• Несколько футов телефонного кабеля (Radio Shack #278-872) — подойдет любой неэкранированный многожильный кабель; более тонкие жилы (≈24 AWG) усиливают эффект.

Телефонный кабель широко доступен в строительных магазинах. Любой неэкранированный многожильный кабель подойдет, но чем тоньше жилы, тем ярче проявляется связь.

Перекрестные ссылки

• Lessons In Electric Circuits, Volume 2, chapter 7: «Mixed‑Frequency AC Signals»
• Lessons In Electric Circuits, Volume 2, chapter 8: «Filters»

Цели обучения

• Продемонстрировать, как сигналы переменного тока могут быть связаны, в то время как постоянный ток блокируется от измерительного прибора
• Показать, как возникает паразитная связь в кабелях
• Выявить практические техники снижения межпроводной связи

Схема

Иллюстрация

Инструкции

1. Подключите мотор к аккумулятору, используя две из четырех жил телефонного кабеля. Мотор должен работать нормально.
2. Подключите аудиодетектор к клеммам мотора, вставив конденсатор 0,047 мкФ последовательно, как показано:

3. Вы должны услышать жужжание или визг в наушниках — это шум переменного тока, генерируемый щетками, зацепляющими коллектор.

Последовательный конденсатор работает как высокочастотный фильтр, пропуская только переменную составляющую к детектору и блокируя постоянную. Осциллографы используют тот же принцип для AC-связи: конденсатор включается последовательно с зондом.

4. Теоретически, клеммы мотора должны видеть чистый постоянный ток, потому что они напрямую параллельны аккумулятору. Однако внутреннее сопротивление аккумулятора и сопротивление жил кабеля создают провалы напряжения, когда мотор потребляет импульсы тока. Эти провалы проявляются как шум переменного тока на клеммах мотора:

5. Для проверки измерьте напряжение шума прямо на клеммах аккумулятора с аудиодетектором. Чем меньше сопротивление между точками, тем ниже обнаруженный шум:

6. Можно также измерить шум вдоль одной жилы телефонного кабеля, подключив детектор между ее двумя концами. Шум возникает от импульсов тока, текущих через сопротивление этой жилы:

7. Далее исследуйте, как шум переменного тока связывается с соседними жилами. Измерьте напряжение между одной клеммой мотора и неиспользуемой жилой кабеля. Никакой последовательный конденсатор не нужен, потому что постоянного тока между этими точками нет:

Обнаруженное напряжение обусловлено паразитной емкостью между соседними жилами, которая обеспечивает путь для переменного тока, хотя заряд не течет через конденсатор сам по себе.

Паразитная связь может загрязнять сигналы, передаваемые по неиспользуемой жиле, особенно если этот сигнал чувствителен к индуцированному шуму.

Поскольку емкостная связь сильнее на более высоких частотах, шум переменного тока на более высоких частотах будет связан сильнее.

Для снижения шума на постоянном токе добавьте больший конденсатор параллельно двум жилам. Конденсатор 0,22 мкФ служит деカップлирующим конденсатором, представляя низкое сопротивление для переменного тока, оставляя постоянный ток неизменным:

7. Другая эффективная стратегия — избегать общего проводника между цепями. Измерьте шум между двумя неиспользуемыми жилами; он должен быть намного ниже, потому что паразитная емкость связывает почти идентичные шумовые напряжения с обеими жилами, компенсируя их при взятии разности: