“The Twist”指雙絞線，Alexander Graham Bell於1881年申請該項專利。而該項技術一直沿用到今天
，原因是它提供了諸多便利。此外，隨著現場可編程門陣列(FPGA)器件處理能力的逐漸強大，結合電路仿真及濾波器設計軟件，使得雙絞線在數據通信領域的應用也越來越普遍。

FPGA為設計工程師提供了強大
、靈活的控製能力，特別是那些無法獲取專用集成電路(ASIC)的小批量設計項目
，可以利用FPGA實現設計；許多大批量生產的產品，在項目設計初期也利用FPGA進行原型開發，並定製芯片之前對新功能進行測試。FPGA的強大之處在於複雜的數字處理功能，而一些模擬信號則會受限於數字噪聲的幹擾。需要外部提供模擬放大，以及失調、濾波和信號處理，確保FPGA滿足係統的整體需求。

本文討論了如何將雙絞線與低通濾波器相結合

，抑製射頻幹擾(RFI)和電磁幹擾(EMI)。我們還介紹了如何利用高精度電阻排設計定製化差分放大器
，消除信號幹擾並改善FPGA係統的性能。在我們選擇頻響特性時

，利用高精度電阻設置增益和共模抑製比。

雙絞線的重要性

雙絞線對數據通信有著重大意義
，能夠大幅降低串擾

、RFI和EMI。

互聯網和計算機的普及帶動了雙絞線應用的普及
，許多人誤以為雙絞線是項新發明
，實際情況並非如此。圖1所示是Alexander Graham Bell早在1881年就已申請的專利副本，他描述了多對雙絞線之間的相互影響。
Bell先生指出：多個電路通過兩條線連接——一yi條tiao直zhi通tong線xian和he一yi條tiao返fan回hui線xian，構gou成cheng一yi個ge金jin屬shu線xian導dao電dian回hui路lu。當dang金jin屬shu線xian導dao電dian回hui路lu置zhi於yu其qi它ta電dian路lu附fu近jin時shi，如ru果guo周zhou邊bian電dian路lu在zai兩liang條tiao線xian上shang感gan應ying信xin號hao不bu同tong
，則ze金jin屬shu線xian所suo連lian接jie的de電dian話hua及ji其qi它ta電dian氣qi設she備bei就jiu會hui感gan應ying幹gan擾rao信xin號hao；顯xian而er易yi見jian，如ru果guo在zai直zhi通tong線xian和he返fan回hui線xian上shang產chan生sheng相xiang同tong影ying響xiang，則ze其qi中zhong一yi條tiao導dao線xian產chan生sheng的de電dian流liu將jiang抵di消xiao另ling一yi條tiao導dao線xian產chan生sheng的de電dian流liu。如ru果guo兩liang條tiao導dao線xian與yu幹gan擾rao電dian流liu的de感gan應ying關guan係xi相xiang同tong，或huo將jiang兩liang條tiao導dao線xian置zhi於yu與yu上shang述shu電dian路lu相xiang同tong的de距ju離li(確保其它條件完全相同)
，則可避免幹擾。
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這些經過125年曆史驗證的真理
，為現代的差分信號原理奠定了基礎。圖2所示，導線A的電流所產生的磁場會在導線B中產生所不期望的電流。

圖中導線之間的電容表示雜散分布電容，當增大串擾信號的頻率時
，電容耦合將更為明顯。圖3中
，我們觀察到Bell先生提出的“抵消”效(xiao)應(ying)。當(dang)在(zai)雙(shuang)絞(jiao)線(xian)兩(liang)側(ce)施(shi)加(jia)相(xiang)等(deng)的(de)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)時(shi)，幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)將(jiang)被(bei)抵(di)消(xiao)。射(she)頻(pin)環(huan)境(jing)下(xia)

，雜(za)散(san)電(dian)容(rong)會(hui)耦(ou)合(he)導(dao)線(xian)之(zhi)間(jian)的(de)能(neng)量(liang)。同(tong)理(li)，由(you)於(yu)雙(shuang)絞(jiao)線(xian)的(de)幹(gan)擾(rao)相(xiang)等(deng)、方向相反
，RFI趨於抵消。以差分形式接收雙絞線信號將增強“抵消”效應。

也可以利用屏蔽導體將雙絞線包裹起來，起到靜電屏蔽作用。屏蔽增大了雜散電容

，作用相當於低通濾波器
，進一步衰減RF幹gan擾rao。導dao線xian的de阻zu性xing和he感gan性xing為wei串chuan聯lian元yuan件jian，分fen散san電dian容rong對dui地di形xing成cheng低di通tong濾lv波bo器qi。當dang通tong信xin鏈lian路lu僅jin傳chuan輸shu低di頻pin信xin號hao時shi，例li如ru電dian話hua音yin頻pin或huo其qi它ta窄zhai帶dai信xin號hao，這zhe一yi特te性xing有you助zhu於yu改gai善shan傳chuan輸shu效xiao果guo。

利用低通濾波器降低RFI

舉例說明，溫度測量的速度可能受限於被測對象的物理質量。家用加熱器可能隻需要每隔一、兩分鍾測量一次溫度。由於空氣、牆壁、地板和天花板的質量比較大，溫度變化非常緩慢。所以，每秒鍾測量數百萬次溫度對加熱器的溫度測量或溫度控製毫無意義。

我們轉向室外，室外產生的RFI可能進入室內。以我家為例，我家距離一座50,000W AM電台大約1英裏。不幸的是，電話線拾取了電台的1.37MHz信xin號hao。信xin號hao在zai電dian話hua中zhong經jing過guo檢jian波bo
，恢hui複fu出chu電dian台tai的de音yin頻pin信xin號hao。每mei每mei聽ting到dao這zhe個ge幹gan擾rao信xin號hao會hui讓rang人ren難nan以yi忍ren受shou
，這zhe一yi幹gan擾rao嚴yan重zhong影ying響xiang了le電dian話hua的de調tiao製zhi解jie調tiao器qi。電dian台tai播bo音yin室shi與yu發fa射she機ji和he天tian線xian相xiang鄰lin，係xi統tong維wei護hu比bi較jiao方fang便bian。按an道dao理li說shuo，工gong程cheng師shi比bi較jiao擅shan長chang消xiao除chu音yin頻pin和he電dian話hua係xi統tong的de1.37MHz信號
，於是我們通過“噪雜”的電話提出維修申請
，並詢問了他們使用的是什麼低通濾波器。
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采用圖4非常簡單的濾波器即可獲得不錯的效果，為什麼
？原因在於物理學：我們希望線路上保留什麼
，抑製什麼？本例中，我們正常的電話信號為300Hz至3kHz
，要抑製的信號是1.37MHz


，頻率相差450倍。利用Nuhertz的FilterFree軟件，我們製作了一個巴特沃斯響應濾波器並繪製了其響應特性(圖5)。濾波器在3kHz以下基本平坦，在1.37MHz時衰減超過135dB。135dB相當於衰減了560萬倍。電台使用了濾波器後，有效解決了這一問題，不再幹擾電話線。
對於音頻信號
，3kHz時衰減小於0.5dB
，而對電台的RFI幹擾則衰減44dB，或150倍。實際上
，我們也利用了電話線的電阻和電感串聯元件，隻是增加了一個小的接地電容
，對電台的RFI做進一步的衰減。

現在，我們重新考慮工廠的溫度測量係統，其中導線有數百英尺長，相當於一個無線電天線，因此，受RFI影響的幾率非常大。如果在規定的時間周期內，溫度測量數據保持一致，可以在檢測線路中串聯一個低通濾波器
，以消除RFI。那如何通過雙絞線接收信號？當然要采用差分信號，確保幹擾信號彼此抵消
，圖7所示為此類電路。
圖7所示的電路配置也稱為儀表放大器，市場上可以找到多種完全集成的方案，MAX5426高精度電阻網絡為設計人員提供了控製放大器參數的便利條件。高精度電阻允許以數字方式選擇差分增益：1

、2、4或8，精度可選擇0.5%至0.025%。電阻的精確匹配確保獲得79dB以上的共模抑製指標。電路設計人員可方便選擇運算放大器，根據具體應用量身定製頻率響應特性
，改善前端濾波。

結論

雖然Alexander Graham Bell很早就闡述了雙絞線原理
，至今我們仍然可以通過互聯網或無線電聽到Chubby Checker和“雙絞線”
，如果Bell知道雙絞線
、電路設計、仿真工具以及FPGA對現代科學貢獻
，他一定會感到吃驚。正確選擇雙絞線和低通濾波器
，即可降低EMI和RFI，提高數據通信的可靠性。

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