Efecto de la capacitancia del cable en la transmisión de señales de voltaje analógico de baja frecuencia

Cuanto más baja sea la frecuencia, generalmente hay menos problemas, pero hay una excepción notable; eso es cuando se usa un cable 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 imagen .

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

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

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

Fuente de imagen .

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

Fíjese en 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 tono local mínimo. No se desea el efecto local: es el audio que puede escuchar en el auricular cuando habla por el micrófono; es necesario que sea bajo en la telefonía; de lo contrario, puede convertirse en una molestia y algunas propiedades de señalización se reducen (los tonos de marcación DTMF pueden malinterpretarse, por ejemplo). ).

si las frecuencias a lo largo del cable serán bajas, puede haber un problema con la conducción de una carga capacitiva

Por lo general, no, a menos que su aplicación sea de telefonía, pero, por supuesto, si su controlador es débil, debe usar un búfer. Lo importante de la señalización por cable es que tiene una buena resiliencia al ruido y, por lo general, se utiliza un cable STP cuando se tiene una señal de excitación con impedancia equilibrada.

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

Algunas buenas respuestas ya, así que iré en una dirección diferente.

Con respecto al envío de una frecuencia baja. (<150Hz) señal de voltaje analógico con cable CAT6 STP

Como dices que es un cable para un sensor, no estamos hablando de telefonía o transmisión bidireccional. Entonces, a 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 capacitancia . A 100pF/m para 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 lo suficientemente alta, creará un paso bajo RC con la capacitancia 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 impedancia más baja , y debería poder entregar 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, aunque el cable solo transmita frecuencias muy bajas y no tenga 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 necesite pensar en ello y calcular un valor de resistencia para una amortiguación adecuada.

Si el cable es impulsado por un amplificador operacional, puede volverse inestable, ya que a los amplificadores operacionales generalmente no les gustan las cargas capacitivas. Nuevamente, 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 al voltaje de CC en el cable multiplicado por la variación de la capacitancia. En otras palabras:

$q = Cv$implica que$\partial q = C \partial v + v \partial C$, ¡no olvides tus derivadas 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, es un problema mucho menor. Si es de alta impedancia (como electrodos de ECG o micrófono de escenario), entonces se justifica un poco más de precaución.

En la vida real, un cable CAT6 tendría que ser bastante largo (medido en kilómetros) para que la capacitancia sea perceptible a 150 Hz 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, los amplificadores operacionales y configuraciones similares) son sensibles a las cargas capacitivas, por lo que si conduce unos pocos kilómetros de cable, podría ver problemas de estabilidad en rangos que incluyen 150 Hz. Un búfer, suponiendo que no tenga problemas para impulsar una carga capacitiva, presentaría (presumiblemente) una carga resistiva en la primera etapa del amplificador, resolviendo el problema de estabilidad.

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

Pero considera esto

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}