Efecto de la capacitancia del cable a la transmisión de señal de voltaje analógico de baja frecuencia

Cuanto más baja es la frecuencia con la que va, generalmente hay menos problemas pero, hay una excepción notable; eso es cuando un cable se utiliza para telefonía bidireccional (más adelante).

Un cable es una línea de transmisión y tiene cuatro parámetros notables: -

• Capacitancia por unidad de longitud
• Inductancia por unidad de longitud
• Resistencia por unidad de longitud
• Conductancia por unidad de longitud

Estos cuatro parámetros se utilizan en el análisis de línea t para predecir la impedancia característica del cable: -

Fuente de la imagen .

Esta fórmula se modifica para RF asumiendo que jwL es mucho mayor que R y que jwC es mucho mayor que G: -

$$ Z_0 = \ sqrt {\ dfrac {L} {C}} $$

Por lo general, para 250 nH por metro y 100 pF por metro, Z0 es de 50 ohmios (¡haz las cuentas!).

A medida que la frecuencia disminuye, la impedancia característica toma una nueva forma: -

Fuente de la imagen .

En la mitad del audio, los dos parámetros que dominan son R y C, por lo que Z0 se convierte en: -

$$ \ sqrt {\ dfrac {R} {j \ omega C}} $$

Observe la línea de puntos en el gráfico: esto es a 600 ohmios y es la impedancia nominal utilizada por los teléfonos para obtener lo que se conoce como efecto local mínimo. El tono lateral no se necesita, es el audio que puede escuchar en el auricular cuando habla por el micrófono. Esto se necesita para que la telefonía sea baja. De lo contrario, se puede convertir en una molestia y algunas propiedades de señalización se reducen (los tonos de marcación DTMF se pueden malinterpretar, por ejemplo). ).

  

si las frecuencias por el cable serán bajas, puede haber un problema   con ello conduciendo una carga capacitiva

No suele ser, a menos que su aplicación sea de telefonía, pero, por supuesto, si su controlador es débil, debe usar un búfer. Lo importante con la señalización a través del cable es que tiene una buena resistencia al ruido y, por lo general, usa el cable STP cuando tiene una señal de variador de impedancia balanceada.

Por lo tanto, si su controlador es "débil", su impedancia puede ser impredecible y todo su sistema se vuelve susceptible al ruido externo.

Algunas respuestas bonitas ya, por lo que iré en una dirección diferente.

  

Respecto al envío de una baja frecuencia. (< 150Hz) señal de voltaje analógica con cable STP CAT6

Ya que dice que esto es un cable para un sensor, no estamos hablando de telefonía o transmisión bidireccional. Por lo tanto, en estas frecuencias muy bajas, a menos que su cable tenga una longitud de 1 km, no tendrá que preocuparse por los efectos de la línea de transmisión y, por lo tanto, solo hay un parámetro interesante para modelar su cable: su capacidad . A 100pF / m por 100m, usemos C = 10nF.

La salida de su sensor también tendrá una impedancia de salida . Esto es importante.

Si la impedancia de salida del sensor es resistiva y suficientemente alta, se creará un RC lowpass con la capacidad del cable. Por ejemplo, si su sensor tiene una impedancia de salida de 1MegOhm, entonces con C = 10nF tendrá un paso bajo con una esquina a 15Hz, por lo que su frecuencia de interés de 150Hz será bastante atenuada. En este caso, necesitará un búfer o un amplificador para conducir el cable desde una menor impedancia , y debería poder suministrar suficiente corriente de salida para impulsar la capacitancia del cable a la frecuencia de interés.

Si la impedancia de salida del sensor es reactiva, por ejemplo, es una captación magnética, la capacitancia del cable puede crear un pico de resonancia en alguna frecuencia. Si el sensor es capacitivo (como un piezo), la inductancia del cable puede crear una resonancia LC. Por eso, incluso si el cable solo transmite frecuencias muy bajas y no tiene que preocuparse por los efectos de la línea de transmisión, es una buena idea agregar una resistencia igual a la impedancia característica del cable en serie para amortiguar cualquier resonancia. Si su sensor tiene una impedancia muy reactiva, tal vez deba pensarlo y calcular el valor de resistencia para una amortiguación adecuada.

Si el cable es impulsado por un cable, puede volverse inestable, ya que a los módulos generalmente no les gustan las cargas capacitivas. De nuevo, agregue una resistencia de terminación en serie igual a la impedancia del cable.

Un efecto "sorpresa" de la capacitancia del cable es que también tiende a variar cuando el cable está doblado, o alguien lo pisa, lo que creará una carga proporcional a la tensión de CC en el cable multiplicada por la variación de capacitancia. En otras palabras:

\ $ q = Cv \ $ implica que \ $ \ partial q = C \ partial v + v \ partial C \ $, ¡no olvide sus derivados parciales! ;)

También hay tribo-electricidad. Si un cable largo es impulsado por una alta impedancia, puede convertirse en un buen micrófono. El voltaje resultante es proporcional a la impedancia del controlador, por lo que si su controlador tiene una impedancia baja, el problema es mucho menor. Si es de alta impedancia (como electrodos de ECG o micrófono de escenario), se requiere un poco más de precaución.

En la vida real, un cable CAT6 tendría que ser bastante largo (medida en kilómetros) para que la capacitancia se haga perceptible a 150Hz en la mayoría de los casos. Las frecuencias más altas mostrarán el mismo efecto con menos cable, por lo que no me queda claro por qué su fuente mencionó las bajas frecuencias en particular. Sin embargo, es cierto que algunos amplificadores (en particular, amplificadores operacionales y configuraciones similares) son sensibles a las cargas capacitivas, por lo que si está manejando unos pocos kilómetros de cable, podría ver problemas de estabilidad en rangos que incluyen 150 Hz. Un búfer, asumiendo que no tiene problemas para conducir una carga capacitiva, presentaría (supuestamente) una carga resistiva a la primera etapa del amplificador, resolviendo el problema de estabilidad.

Un búfer no necesariamente "solucionará" esto, porque las cargas capacitivas alterarán varios búferes, dependiendo de la fase y los comportamientos de ganancia.

Pero considera esto

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}