专用信号电缆 | 编码器数据传输抗干扰利器
电影「无间道」的开场
一首蔡琴的
「被遗忘的时光」
响起。
被遗忘的时光 蔡琴 - 民歌蔡琴
刘德华在音响店试弄一部胆机，梁朝伟给他用了条什么土炮线，俩人一起听着《被遗忘的时光》，华仔觉得不爽，果断换了根信号线上去，结果人声突然感觉近了好多，音也不散了，那被遗忘的时光，那十年的故事仿佛就在眼前了，两人都听呆了。
话说，那根信号线真的有这么神奇吗？
真的！喜欢玩弄音响的发烧友都知道，真正优质的音响信号线就是专门为高频到低频信号设计的，它让那个声音没有了杂音，如此的真实，仿佛就在眼前。
编码器信号大多为数字化的方波信号，其中就有包含着很多高频率电磁波的传导（对此仍有疑问可以回看『干扰是咋回事』一文）。我们从专业电缆厂家订制的优质编码器信号专用电缆，其既需要有对外部可能的干扰信号的屏蔽设计考虑，也需要有对自身传输信号的信号延迟、反射波、散射波干扰与串音的设计防备，这就需要对信号传递的高频（信号的波形）到低频（信号的能量）都有很好的规划，以确保编码器信号的长距离传输与信号抗干扰。
多股合编的 0.079 毫米超细软铜线
对于高分辨率、高速、长距离传输的编码器、光栅尺、伺服电机的高频脉冲信号，电缆内芯线的选择极其重要，同时对于信号的高频热损、高频响应、干扰串音、长距离衰减延迟均有特别的设计要求。
而这其中第一选择就是选用多股超细高纯无氧铜的芯线合编。请注意，编码器信号是包含大量高频成分的，因此评价和比较信号电缆线看的不再是低频电流常用的总截面积平方数大小，而是高频的多股超细高纯镀铜线。
抗高频热损：
优质高纯度的铜材，确保电磁波散射高频热损最小，传导最佳。
超细线的高频响应：
优质的高纯度铜材料，用以拉伸加工成 0.079mm 线径的极细软铜线，长距离不易被拉断，然后每 30 股组合为 1 根信号芯线，确保高频信号径向反射效应损耗最小；同时，高频信号特有的集肤效应，使得电磁波大都在导线表面传播，多股超细芯线的表面传输比最高，而且可获得极佳的高频响应特性。
长距离的低衰减、延迟，反射波重合
超细多股的芯线及对绞的构造，使得电磁波聚集在导线表面传输，其传播中的表面螺旋距离及反射距离较短，至接收端的总螺旋距离及反射距离相对更短，反射波与原始波的叠加几乎可以重合在一起，保证了极佳的高频响应特性，极小的高频热损，保证信号衰减、延迟最小;
工作直流电源线须特别加粗（105 股，达到 0.5mm2），以保证长距离电源压降损耗的减小；
信号延迟时间参数：约 7ns/m（德国海德汉专用编码器电缆的此项参数为 6ns/m）
散射与反射波：
双绞配对抗串音
信号电缆线不仅仅要对抗外部干扰和自身传输中的反射与散射波，还需防止同一个信号电缆上的其它相位信号的串音干扰。
因此，信号电缆为每一对配对信号回路芯线设计了双对绞，对绞节距合理设置并相互错开，确保串音干扰最小。配对信号是互为 180° 反相的信号。例如：编码器的 A+ 与 A-，B+ 与 B-。
互为 180° 反相的信号，在经过电磁波的傅立叶变换的分解分析后，所有分解频率的电磁波均互为反相，在外部看电磁场变化贡献几乎为零，这不仅仅使这对配对信号不会有相互串音，也能将对其它相位的传输信号串音干扰降到最低。
双绞的节距设计，取决于信号频率段的选择及实验，以保证螺旋磁场影响最小，百米延迟时间最少。
高密超细的屏蔽层
防止外部高频串入，提升抗干扰特性。
以高遮密度的网状铜线覆包电缆的屏蔽构造，细密而高导通率、高响应频率的屏蔽镀锡铜线，以最大的吸收与最快的传导而遮蔽、过滤外部对信号的干扰，以确保传输信号的干扰最小。
电缆品质特性设计
耐弯曲、耐油性、耐高温、长寿命。
细而柔软多股的铜线不易折断或刺破外被，优质的外被材料耐弯曲、耐油性、耐高温，UL2464（80℃.300V）VW-ISC，以确保电缆的长寿命。
环保出口标准 RoHS
优质的原材加工，选择无掺加回收材料的高纯度无氧铜，严格的内心外皮选材检验，以确保符合环境标准 RoHS（镉<100ppm，铅<1000ppm，等），产品出口欧美日的必备标准。
产品举例：
型号：F600K0206
芯线数：8 芯
线材构造：
3 对信号（ 2 x 0.15 mm2）（ 每芯 30 股 x 0.079mm 线径）
1 对电源（ 2 x 0.5 mm2）（ 每芯 7 x 15 股 x 0.079mm 线径）
高密度镀锡软铜线外屏蔽层
工作温度：
-10 ~ 80 ℃（绕曲）
-40 ~ 80 ℃（固定）
延迟时间：约 7ns/m
传导距离：200米
外径：8.6 mm
型号：F600K0208
芯线数：10 芯
线材构造：
4 对信号（ 2 x 0.15 mm2）（ 每芯 30 股 x 0.079mm 线径）
1 对电源（ 2 x 0.5 mm2）（ 每芯 7 x 15 股 x 0.079mm 线径）
高密度镀锡软铜线外屏蔽层
工作温度：
-10 ~ 80 ℃（绕曲）
-40 ~ 80 ℃（固定）
延迟时间：约 7ns/m
传导距离：200 米
外径：8.9 mm
典型应用:
光栅尺、增量编码器信号：
工作电源 Up，0V = 2 x 0.5 mm2
信号 sin/cos 或差分 5V（ A+，A- ）、（ B+，B- )、（ Z+，Z-） = 3 x 2 x 0.15 mm2
绝对值 SSI 或 EnDat：
工作电源 Up，0V = 2 x 0.5 mm2
信号（ Data+，Data- ）、（ Clock+，Clock- ）、（ A+，A- ）、（B+，B- ）= 4 x 2 x 0.15 mm2
实验：信号波形对比
针对上述介绍的内容，我们用编码器信号电缆（ F600K0208 ）完成了如下实验比对：
编码器放大电路对比：（ 2个同为一家品牌编码器的不同电路 ）
普通电路编码器，简称 P 编码器，信号标准为 24V 推挽 1024 线；
GI58N 增量编码器，信号标准为 5～30V 推挽（ HTL-G6 含反相信号 ）1024线。
电缆线对比：（ 2个同为一家编码器品牌厂家的定制电缆）
较为普通的 8 芯双绞屏蔽电缆，简称 P 电缆；
编码器信号专用定制电缆（F600K0208），8 芯双绞屏蔽，简称 F 电缆。
转速对比：变频电机调速：
225 RPM，1024 线信号频率为 3.8 KHz；
1250 RPM，1024 线信号频率为 21 KHz。
双踪示波器，A、B、Z三线模式（ 24V 电源，信号对 0V ）
对比组实验数据与示波器图像：
P 编码器的低速、高速，电缆 1 米与 200 米 P 电缆对比组
1. 1 米电缆 | 较低速
从图中可以看出信号毛刺为高次谐波干扰，（远大于 300 KHz，因用 A、B、Z 三线式测试，干扰波无法消除），编码器电路已对变频干扰做了抑制设计，但是无法消除极高次谐波。而一般情况下接收端都有不超过 1MHz 的接收频率设定，因此这类高次谐波会被过滤而不会有干扰影响。
2. 1 米电缆 | 较高速（ 21KHz ）
在较高速的频率下，我们已经能够看到编码器的 A 相信号对 B 相信号的串音。
3. P 编码器 | 200 米 P 电缆 | 较低速：
根据示波器图像，可以看到反射波叠加与串音干扰明显，每个方波高电平的一半高一半低，此为反射波与串音（ 90° 相位差的另一个信号串入）的叠加，脉冲信号用国产小型 PLC 计数对比，脉冲信号已计数不准。
4. P 编码器 | 200 米 P 电缆 | 较高速（ 21KHz ）
从示波器图中可以看到，因底部信号大于 0.7 V，高于信号 “0” 的标准，接收器已无法准确计数，即 P 电缆（普通双绞屏蔽电缆）不可远传达到 200 米。同时，在较高速 21KHz 时，P 编码器信号失真严重，完全不可计数。
200 米电缆远距离传输实验，是为了让信号失真可以看得更加明显。
P 编码器的 200 米专用 F 电缆的较低速与较高速对比组
1. 200 米 F 电缆 | 较低速：
2. P 编码器 200 米 | F 电缆 | 较高速 21KHz
从上面 2 张示波器图中可以看出，F 电缆相较普通双绞屏蔽电缆，能明显改善信号失真，且底部基本在0.7V 以下，但在较高速时仍然有失真。
GI58N 编码器（ HTL-G6 信号 ）的 7 米电缆与 200 米专用 F 电缆的较低速与较高速对比组：
1. GI58N 编码器 | 7 米电缆 | 较高速 21KHz 原始信号
2. GI58N 编码器 | +200 米远传专用 F 电缆 | 较低速
从以上 2 张示波器图中看出，信号几乎没有失真与衰减，小型 PLC 计数对比完全正常。
3. GI58N 编码器 | +200 米远传专用 F 电缆 | 较高速 21KHz
因频率加快，信号经 200 米远传后，信号略有失真，但反射波叠加与串音很小，方波图形仍然清晰可辨，底部小于 0.7V，信号质量符合增量脉冲接收端要求，接收器计数准确。
由此可以看到 HTL-G6 增量编码器信号配合远传专用编码器信号电缆，在 1250RPM 及 21KHz 频率情况下，信号仍然可在远传达 200 米做到信号可用不失真。
结论
编码器信号在传输过程中，不仅可能受到来自于外部的干扰，信号传输本身也会相互影响形成内部自干扰，生变出“杂音”。
含有反相信号的 HTL-G6 信号，配合专门定制设计的编码器信号专用电缆（ F600K0208 ），长距离信号传输的失真很小，可远传达 200 米。
近期，我和大家分享了编码器抗干扰系列：《干扰是咋回事》、《增量编码器的信号干扰问题》、《实战 | 编码器抗干扰选型及设计》，以及本篇《专用信号电缆》，今天先暂告一个段落了。
这些对干扰的简单涂画，是我多年（编码器）产品设计、制造和应用实战的经验小结，欢迎越来越多的同行大咖和业内高手也能加入讨论。
泡一杯茶
听一首歌
再次享受一下无杂音的
蔡琴的
「被遗忘的时光」
听好歌就要用好线。
作者：@Q
图文：mcrazy
以上内容由上海精浦提供，仅代表作者本人观点，如有吻合，纯属巧合。