這里沒(méi)有“一文讀懂某某的”文章，挑了幾個(gè)有關(guān)電纜的問(wèn)題討論或爭(zhēng)論。

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

自動(dòng)化行業(yè)里某些人對(duì)編碼器的重視程度還很不夠，更別說(shuō)對(duì)一根編碼器信號(hào)電纜了，“雙絞屏蔽”“越粗越好”“接地接地再接地，看見(jiàn)空的就接地”看似有多簡(jiǎn)單?但這些模糊甚至有錯(cuò)誤的對(duì)電纜的理解，問(wèn)題是到了現(xiàn)場(chǎng)干擾的出現(xiàn)，往往就是從一根簡(jiǎn)單的電纜和接法就理解錯(cuò)了開(kāi)始的。

其實(shí)編碼器信號(hào)電纜技術(shù)含量頗高，其中包含了物理學(xué)基礎(chǔ)和材料學(xué)知識(shí)等，越是基礎(chǔ)的東西離物理學(xué)原理越近，需要理解原理結(jié)合基礎(chǔ)原理和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證，而不再是只靠產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)手冊(cè)了。德國(guó)海德漢編碼器對(duì)于信號(hào)電纜一直有嚴(yán)格指定的要求。而我無(wú)法在這里一次給出標(biāo)準(zhǔn)答案，我沒(méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)室條件，只有從電磁波信號(hào)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(guò)一根編碼器電纜。這家外企電纜廠原來(lái)就有電纜，但我按照對(duì)海德漢電纜的理解提出了針對(duì)編碼器的專門(mén)定制要求，看中的是他們有實(shí)驗(yàn)室條件，可以測(cè)試和提供我要求的參數(shù)，實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目也做了不少，也有很多知情的同行用過(guò)并得到了認(rèn)可，而這家外企轉(zhuǎn)向進(jìn)入工控領(lǐng)域，做起了機(jī)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(hào)是什么樣的信號(hào)，電纜有什么特性，干擾可能是從哪里來(lái)，才能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)雜的干擾環(huán)境分析出對(duì)策。我這里挑了行業(yè)里關(guān)于編碼器信號(hào)電纜認(rèn)識(shí)比較模糊甚至有些錯(cuò)誤的十個(gè)問(wèn)題，拋磚引玉提供業(yè)內(nèi)真正是在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐者來(lái)參考與討論，也歡迎留言爭(zhēng)論。

一、編碼器信號(hào)是什么?

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

 

這里講的編碼器信號(hào)是方波。但是，電纜線的傳導(dǎo)電特性是以電磁波的計(jì)算并設(shè)計(jì)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(gè)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?hào)，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(guò)不同介質(zhì)界面時(shí)，會(huì)發(fā)生折射、反射、繞射、散射及吸收等等。電磁波在導(dǎo)體介質(zhì)中傳播，既有沿導(dǎo)線方向的傳播，也有沿導(dǎo)線直徑方向的傳播，并在導(dǎo)線的外徑表面發(fā)生“折射”而輻射出另一個(gè)介質(zhì)去（類似光遇見(jiàn)了水面,可以是進(jìn)入另一個(gè)導(dǎo)體介質(zhì),也可能是空間輻射），和“反射”回導(dǎo)線介質(zhì)的繼續(xù)傳播（類似于光線在水面反射）。各種波長(zhǎng)反復(fù)的“反射”波雜亂了后形成了“散射”（類似于霧氣），導(dǎo)體內(nèi)的雜質(zhì)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(dǎo)體內(nèi)的傳播，也有離開(kāi)導(dǎo)體界面向外輻射的傳播。電磁波頻率低時(shí)，主要借由有形的導(dǎo)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(méi)有足夠的能量輻射出去；電磁波頻率高時(shí)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(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去，不需要介質(zhì)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(dá)導(dǎo)體界面時(shí)，一部分折射離開(kāi)導(dǎo)體輻射出去了，另一部分又像碰到鏡面反射回導(dǎo)體，這一部分反射回來(lái)的高頻電磁波與下一波向外移動(dòng)的電磁波疊加，形成了集中在導(dǎo)體表面的移動(dòng)的結(jié)果，因此，高頻率的電磁波有沿導(dǎo)體表面移動(dòng)的“集膚效應(yīng)”和離開(kāi)導(dǎo)體表面的“輻射效應(yīng)”。較高頻率的電磁波也較容易被導(dǎo)體雜質(zhì)吸收而迅速衰減。

 

當(dāng)較高頻率的電磁波導(dǎo)體表面是尖銳的界面時(shí)，因?yàn)榧舛说耐庑翁卣鞣瓷浜笕匀豢赡苁窍蛲獾?，而增加了多次輻射的機(jī)會(huì)，這種在表面移動(dòng)的波就更容易向外輻射出去，而反射回來(lái)的波就很少了，這就是高頻電磁波的尖端輻射效應(yīng)。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(luò)的振蕩電路，用于產(chǎn)生高頻正弦波信號(hào)。電感L的兩種極端是螺旋的線圈甚至一長(zhǎng)段金屬導(dǎo)線，電容的兩種極端是兩個(gè)不接觸的金屬導(dǎo)體板或者一個(gè)尖銳的發(fā)散的金屬尖端與大地構(gòu)成了一個(gè)電容C。其中,一個(gè)尖銳發(fā)散的金屬尖端與大地更容易形成一個(gè)振蕩發(fā)射的天線，在一定的能量、頻率和電路開(kāi)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(lái)自空間的電磁波（接收天線）。

 

小結(jié)：電磁波是一種能量，是正弦移動(dòng)的波，高頻信號(hào)走導(dǎo)線表面?zhèn)鲗?dǎo)，高頻信號(hào)有向空間輻射的比例，當(dāng)金屬有一長(zhǎng)段導(dǎo)線與尖銳的尖角的情況下，高頻信號(hào)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(hào)頻率是什么？

我們常講的編碼器信號(hào)頻率，是方波的頻率，也稱為電子開(kāi)關(guān)頻率（從0到1的開(kāi)關(guān)特性）。但是在電纜線上傳導(dǎo)的應(yīng)以電磁波頻率計(jì)算，也就是說(shuō)類似19個(gè)以上頻譜電磁波構(gòu)成的電磁波頻率，每一個(gè)電磁波頻率與方波頻率有一個(gè)倍數(shù)系數(shù)關(guān)系，即使方波頻率不高，但是信號(hào)上仍然有部分高頻電磁波成分，這個(gè)在較長(zhǎng)距離傳輸中，或者在高頻干擾中會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。

數(shù)字方波信號(hào)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(hào)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(hào)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(wèn)題所在。而任何一次的開(kāi)關(guān)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(dǎo)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(lái)計(jì)算，而是交流信號(hào)電磁波的電容與電感。且前面介紹過(guò)了，較高頻率的頻譜電磁波有沿著金屬導(dǎo)體表面?zhèn)鞑サ奶匦浴?/div>