第17节 信号耦合 (修订中)
[TOC]
零件和材料
- 6伏电池
- 一个电容，0.22 µF（Radio Shack 目录 #272-1070 或同等产品）
- 一个电容，0.047 µF（Radio Shack 目录 #272-134 或同等产品）
- 小型“爱好”电机，永磁型（Radio Shack 目录 # 273-223 或同等产品）
- 带耳机的音频检测器
- 电话线的长度，几英尺长（Radio Shack 目录号 278-872）
电话线也可从五金店购买。任何非屏蔽多芯电缆都足以用于该实验。具有细导体的电缆（电话电缆通常为 24 规格）会产生更明显的效果。
交叉引用
电路课程，第 2 卷，第 7 章：“混合频率交流信号 (opens new window)”
电路课程，第 2 卷，第 8 章：“滤波器 (opens new window)”
学习目标
- 了解如何将交流信号“耦合”和阻断直流信号到测量仪器
- 了解电缆中的杂散耦合是如何发生的
- 确定最小化电缆间耦合的技术
原理图，示意图
插图
指示
使用电话线的四根导线中的两根将电机连接到电池。电机应该按预期运行。现在，将音频信号检测器连接到电机端子上，串联 0.047 µF电容器 (opens new window)，如下所示：
您应该能够在耳机中听到“嗡嗡声”或“呜呜声”，这表示当电刷与旋转的换向器条接触和断开时电机产生的交流“噪声”电压。
串联电容器的作用是充当[高通滤波器](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating- 示波器 (opens new window)提供“交流耦合”功能的方式，用于在没有任何直流偏置电压的情况下测量信号的交流内容：一个电容器与一个测试探头串联。
理想情况下，人们只期望电机端子处的纯直流电压，因为电机直接与电池并联连接。由于电机的端子与电池的各个端子在电气上是共用的，而电池的本质是保持恒定的直流电压，所以电机端子上应该只出现直流电压，对吧？
好吧，由于电池内部和沿导体长度的电阻，电机汲取的电流脉冲会在电机端子处产生振荡电压“下降”，从而导致检测器听到交流“噪声”：
使用音频检测器直接测量电池上的“噪声”电压。由于交流噪声是通过沿杂散电阻的脉动电压降在该电路中产生的，因此我们测量的电阻 (opens new window)越小，我们应该检测到的噪声电压越小：
您还可以通过将音频检测器连接在单根电缆导体的两端之间来测量沿任一向电机供电的电话电缆导体所下降的噪声电压。此处检测到的噪声源自通过导线电阻的电流脉冲：
既然我们已经确定了交流噪声是如何在这个电路中产生和分布的，那么让我们来探讨一下它是如何_耦合_到电缆中的相邻电线的。使用音频检测器测量电机端子之一与电话电缆中未使用的电线之一之间的电压。 (opens new window)本练习中不需要 0.047 µF 电容器，因为这些点之间没有直流电压可供检测器检测：
此处检测到的噪声电压是由于相邻电缆导体之间的杂散电容在电线之间形成了交流电流“路径”。请记住，实际上没有电流流[过](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating- 交流 (opens new window)提供了某种途径。
如果我们尝试在其中一根未使用的电线和电机的公共点之间传导电压信号，该信号将被来自电机的噪声电压污染。这可能是非常有害的，具体取决于两个电路之间耦合了多少噪声以及一个电路对另一个电路的噪声有多敏感。
由于该电路中的主要耦合现象本质上是电容性的，因此高频噪声电压比低频噪声电压更强烈地耦合。
如果附加信号是直流信号，其中没有预期的交流，我们可以通过在直流信号的导体上连接一个相对较大的电容器“去耦”交流噪声来减轻耦合噪声的问题。为此目的使用 0.22 µF 电容，如图所示：
_去耦电容_实际上是对任何交流噪声电压的短路，而根本不影响这两点之间的直流电压信号。只要去耦电容值显著大于电缆导体之间的杂散“耦合”电容，交流噪声电压就会保持在最低水平。
另一种最小化电缆中耦合噪声的方法是避免两个电路共用一个公共导体。举例来说，将音频检测器连接在两条未使用的电线之间并收听噪声信号：
在任意两根未使用的导体之间检测到的噪声应该远低于在一根未使用的导体和电机电路中使用的一根导体之间检测到的噪声。噪声大幅降低的原因是电缆导体之间的杂散电容 (opens new window)倾向于以大致相等的比例将_相同_的噪声电压耦合到_两个_未使用的导体。
_因此，当测量这两个导体之间_的电压时，检测器只能“看到”两个大致相同的噪声信号之间的差异。
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