這里沒有“一文讀懂某某的”文章，挑了幾個有關電纜的問題討論或爭論。

也許就當是賣一根編碼器電纜的廣告吧。

 

下面會有很多內容可能會和網(wǎng)上的、或者某些技術論壇上的某些專家、或者某些大品牌的技術支持講的有所不同。

 

自動化行業(yè)里某些人對編碼器的重視程度還很不夠，更別說對一根編碼器信號電纜了，“雙絞屏蔽”“越粗越好”“接地接地再接地，看見空的就接地”看似有多簡單?但這些模糊甚至有錯誤的對電纜的理解，問題是到了現(xiàn)場干擾的出現(xiàn)，往往就是從一根簡單的電纜和接法就理解錯了開始的。

 

 

其實編碼器信號電纜技術含量頗高，其中包含了物理學基礎和材料學知識等，越是基礎的東西離物理學原理越近，需要理解原理結合基礎原理和實驗室試驗及現(xiàn)場實踐驗證，而不再是只靠產(chǎn)品說明書手冊了。德國海德漢編碼器對于信號電纜一直有嚴格指定的要求。而我無法在這里一次給出標準答案，我沒有足夠的實驗室條件，只有從電磁波信號原理推演。只是依據(jù)十二年前向一家外企電纜廠家定制做過一根編碼器電纜。這家外企電纜廠原來就有電纜，但我按照對海德漢電纜的理解提出了針對編碼器的專門定制要求，看中的是他們有實驗室條件，可以測試和提供我要求的參數(shù)，實驗參數(shù)固定化。這根電纜我們已經(jīng)用了12年，大大小小的項目也做了不少，也有很多知情的同行用過并得到了認可，而這家外企轉向進入工控領域，做起了機器人電纜也很成功，。

 

所謂知己知彼百戰(zhàn)不殆，在本文我們討論的是：我們需要先了解編碼器信號是什么樣的信號，電纜有什么特性，干擾可能是從哪里來，才能根據(jù)現(xiàn)場錯雜的干擾環(huán)境分析出對策。我這里挑了行業(yè)里關于編碼器信號電纜認識比較模糊甚至有些錯誤的十個問題，拋磚引玉提供業(yè)內真正是在現(xiàn)場實踐者來參考與討論，也歡迎留言爭論。

 

一，編碼器信號是什么?

根據(jù)我前面文章介紹，編碼器信號有很多種類。這里只講用的最多的增量脈沖信號和數(shù)字串行信號（SSI等信號）,電子開關頻率800KHz以下的。其他的總線信號的電纜、單電纜技術的電纜和工業(yè)以太網(wǎng)的電纜不在此文討論。（我也還沒搞懂呢）

 

這里講的編碼器信號是方波。但是，電纜線的傳導電特性是以電磁波的計算并設計的。方波并不是單一頻率的電磁波，按傅立葉分解，方波是有很多種頻率的電磁波的疊加組合，下圖演示的是方波最少有N=19個不同頻率的電磁波合成的。（N=1代表只有一種頻率的電磁波）。

 

所以，編碼器電纜線上傳輸?shù)男盘?，是一組從較低頻率的電磁波到較高頻率的電磁波的組合。

 

電磁波的頻率特性：

 

極低頻 ELF 3KHZ以下

 

甚低頻 VLF 3-30KHZ

 

低 頻 LF 30-300KHZ

 

中 頻 MF 300-3MHZ

 

高 頻 HF 3-30MHZ

 

甚高頻 VHF 30-300MHZ(電視1---12頻道)

 

特高頻 UHF 300-3GHZ(電視13頻道以上)

 

超高頻 SHF 3G-30GHZ

 

光也是電磁波。高頻率的電磁波很多特性就是我們熟悉的光的特性。

 

電磁波通過不同介質界面時，會發(fā)生折射、反射、繞射、散射及吸收等等。電磁波在導體介質中傳播，既有沿導線方向的傳播，也有沿導線直徑方向的傳播，并在導線的外徑表面發(fā)生“折射”而輻射出另一個介質去（類似光遇見了水面,可以是進入另一個導體介質,也可能是空間輻射），和“反射”回導線介質的繼續(xù)傳播（類似于光線在水面反射）。各種波長反復的“反射”波雜亂了后形成了“散射”（類似于霧氣），導體內的雜質吸收了電磁波能量發(fā)熱形成了波的“吸收”（類似于電磁灶微波爐原理）。電磁波既有在導體內的傳播，也有離開導體界面向外輻射的傳播。電磁波頻率低時，主要借由有形的導電體傳遞。原因是在低頻的電振蕩中，磁電之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒有足夠的能量輻射出去；電磁波頻率高時逐漸增加了向外輻射的比例，在高頻率的電磁振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能全部返回原振蕩電路，于是電能、磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去，不需要介質也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。

 

較高頻率的電磁波在到達導體界面時，一部分折射離開導體輻射出去了，另一部分又像碰到鏡面反射回導體，這一部分反射回來的高頻電磁波與下一波向外移動的電磁波疊加，形成了集中在導體表面的移動的結果，因此，高頻率的電磁波有沿導體表面移動的“集膚效應”和離開導體表面的“輻射效應”。較高頻率的電磁波也較容易被導體雜質吸收而迅速衰減。

 

當較高頻率的電磁波導體表面是尖銳的界面時，因為尖端的外形特征反射后仍然可能是向外的，而增加了多次輻射的機會，這種在表面移動的波就更容易向外輻射出去，而反射回來的波就很少了，這就是高頻電磁波的尖端輻射效應。這也是高頻電波發(fā)射的天線原理。

 

LC高頻振蕩電路，是指用電感L、電容C組成選頻網(wǎng)絡的振蕩電路，用于產(chǎn)生高頻正弦波信號。電感L的兩種極端是螺旋的線圈甚至一長段金屬導線，電容的兩種極端是兩個不接觸的金屬導體板或者一個尖銳的發(fā)散的金屬尖端與大地構成了一個電容C。其中,一個尖銳發(fā)散的金屬尖端與大地更容易形成一個振蕩發(fā)射的天線，在一定的能量、頻率和電路開放形態(tài)下，LC高頻振蕩電路將電磁波發(fā)射到空間（發(fā)射天線），或者接收來自空間的電磁波（接收天線）。

 

小結：電磁波是一種能量，是正弦移動的波，高頻信號走導線表面?zhèn)鲗В哳l信號有向空間輻射的比例，當金屬有一長段導線與尖銳的尖角的情況下，高頻信號在尖端更容易輻射，或者接收外部高頻電磁波（干擾）。

 

二，編碼器信號頻率是什么？

我們常講的編碼器信號頻率，是方波的頻率，也稱為電子開關頻率（從0到1的開關特性）。但是在電纜線上傳導的應以電磁波頻率計算，也就是說類似19個以上頻譜電磁波構成的電磁波頻率，每一個電磁波頻率與方波頻率有一個倍數(shù)系數(shù)關系，即使方波頻率不高，但是信號上仍然有部分高頻電磁波成分，這個在較長距離傳輸中，或者在高頻干擾中會顯現(xiàn)出來。

 

數(shù)字方波信號的上升沿下降沿遵循電磁波的高頻特性，而平緩的高電平低電平遵循電磁波的低頻特性。數(shù)字信號的頻率并不等同于其電磁波頻率，其中有更高頻率的高頻電磁波存在。如果我們的數(shù)字信號僅僅在300KHz以下，由于方波有陡直的上升沿和下降沿，所以仍然有很多高頻電磁波在其中，這也是各種電磁干擾的發(fā)生與接收主要問題所在。而任何一次的開關電壓，從低電平陡直上升到高電平，同樣也是一次各種頻率電磁波的浪涌組合。

 

三，編碼器電纜的電特性是什么？

既然編碼器電纜上傳導的是各種頻率的電磁波，那就不是以直流（或者低頻率）的電流電壓歐姆定律來計算，而是交流信號電磁波的電容與電感。且前面介紹過了，較高頻率的頻譜電磁波有沿著金屬導體表面?zhèn)鞑サ奶匦浴?/div>