Обзор и исследование методов согласования длинных линий при передаче цифровых данных

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет

Факультет радиофизики и компьютерных технологий

Кафедра информатики и компьютерных систем

 

 

 

 

 

Курсовая работа

Обзор и исследование методов согласования длинных линий при передаче цифровых данных

 

 

 

 

 

Заведеева Дмитрия Владимировича

студента 3 курса специальности

«физическая электроника»

Научный руководитель:

старший преподаватель 
Д. Г. Терешко

 

 

 

 

 

Минск 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Целью данной курсовой работы исследование методов согласования длинных линий, т.к. это играет очень важную роль  на сегодняшнем этапе развития. Согласование активно используется в современной технике в силу того, что рабочие частоты возрастают с каждым днем и проблема согласования все больше обостряется.

При проектировании электронных устройств очень важно принимать во внимание линейные размеры линий передачи данных, физические размеры полупроводниковых устройств. На искажения сигнала оказывают влияние множества сторонних факторов: длинна кабеля, тип кабеля и разъемов (коннекторов), разводка контактов в разъемах, физические размеры полупроводниковых элементов. А при проводимых измерениях также нужно учитывать и погрешности, вызванные инородным вмешательством. Когда появляются существенные искажения сигнала возникает необходимость рассчитать и проверить волновое сопротивление  цепи, а также задержку распространения сигнала.

Среда передачи данных может включать как кабельные, так и беспроводные технологии. В данной курсовой работе мы рассмотрим передачу данных по проводам.

Для проведения эксперимента была собрана установка: макетная плата генератора прямоугольных импульсов, осциллограф, источник питания, компьютер. Измерения проводились для коаксиального  кабеля и экранированной витой пары.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1 Понятие о длинных линиях

 

 

В электротехнике нередки ситуации, когда электрическую цепь нельзя рассматривать традиционным образом, полагая, что емкость сосредоточена в одной точке цепи (конденсаторе), индуктивность – в другой (катушке) и т.д. Электрические линии, в которых емкость и индуктивность должны рассматриваться как величины, распределенные непрерывно, называют линиями с распределенными параметрами. При этом, очевидно, ток и напряжение непрерывно изменяются при переходе от одной точки линии к другой. Иногда подобные линии называют длинными линиями.

Характерной особенностью длинных линий является проявление интерференции двух волн, распространяющихся навстречу друг другу. Одна из этих волн создается подключенным к линии генератором электромагнитных колебаний, и называется падающей. Другая волна называется отражённой, и возникает из-за отражения падающей волны от нагрузки, подключенной к противоположному концу линии. Все разнообразие процессов, происходящих в длинной линии, определяется амплитудно-фазовыми соотношениями между падающей и отраженной волнами. [7, стр. ]

И все же, некоторые источники указывают, что под длинной линией передачи следует понимать такую линию, размеры которой существенно превышают длину волны в линии — *. Другие источники указывают, что длинной линией уже можно именовать любую линию передачи, длина которой > 0,1*. Скорее всего, данное определение ближе к истине. Длина колебания * связана с частотой простой зависимостью:

(1)

Например, для частоты 50 МГц *= 6 м. Физически это означает, что любая линия длиной свыше 60 см уже будет являться длинной линией. Для частоты 1 ГГц *= 30 см, а длинной линией будет считаться отрезок свыше 3 см.

Характерной особенностью длинных линий является проявление интерференции двух волн, распространяющихся навстречу друг другу. Одна из этих волн создается подключенным к линии генератором электромагнитных колебаний, и называется падающей. Другая волна называется отражённой, и возникает из-за отражения падающей волны от нагрузки, подключенной к противоположному концу линии. Все разнообразие процессов, происходящих в длинной линии, определяется амплитудно-фазовыми соотношениями между падающей и отраженной волнами.

В качестве модели длинной линии рассмотрим цепь, включающую источник напряжения, двухпроводную линию и импеданс нагрузки Zн (рис. 1.1.1).

Рисунок 1.1.1 Модель нагруженной длинной линии

 

1.2 Телеграфные уравнения

 

Бесконечно малый участок линии протяженностью dx можно представить в виде эквивалентной электрической схемы, приведенной на рис. 1.2.1 Двухпроводная линия обладает индуктивностью L, активным сопротивлением R, межпроводной емкостью C и проводимостью утечки через изоляцию G – эти величины, отнесенные к единице длины линии, представлены на схеме (рис. 1.2.1). Следует подчеркнуть, что рассматриваются погонные величины (на это указывает индекс х), размерность которых отличается от привычной размерности электрических величин: погонное сопротивление [Rx] = Ом/м, погонная емкость [Cx] = Ф/м и т.д.

Рисунок 1.2.1 Эквивалентная схема бесконечно малого отрезка длинной линии

 

Падение напряжения dU на участке dx обусловлено протеканием тока через последовательно включенные элементы L и R, изменение на участке dx тока I, протекающего в положительном направлении оси x, обусловлено его ответвлением в параллельные элементы C и G. Эти соображения позволяют записать балансные уравнения:

 

(2)

 

Система (2) получила название телеграфных уравнений; эти уравнения являются базовыми для анализа распространения сигналов в линиях. [1]

Телеграфные уравнения в форме (2) являются математической моделью реальной линии, в которой происходит диссипация энергии на активных элементах R и G.

 

 

1.3 Волновое сопротивление

 

 

Рассмотрим первое телеграфное уравнение. Для расчетов будем полагать источник волн синусоидальным:

(3) 

Прибегая к использованию уравнения бегущей волны

U(x,t) = U0ei(wt-kx)      (4)

находим

(5)

Сравнивая (3) и (5), получаем iwLI = ikU. Это соотношение позволяет найти связь между током и напряжением в длинной линии:

 

(6)

Величина носит название волнового сопротивления. Анализируя размерность, легко убедиться, что [] = Ом, как и активного сопротивления. Соотношение  (6) внешне совпадает с законом Ома, волновое сопротивление является действительной величиной и не зависит от частоты. На этом аналогия между волновым и омическим сопротивлением заканчивается.[1, с. 14]

Волновое сопротивление определяет прохождение волны через концы линии (отражение) и входное сопротивление длинной линии.

Существует стандартный ряд волновых сопротивлений для кабелей и других линий: Ω = 50; 75; 100; (125); 150 Ом (значение в скобках не является общепринятым). Использование стандартных значений Ω упрощает согласование линий с измерительными и другими устройствами.

Рисунок 1.2.2 Схематическое устройство и волновое сопротивление некоторых линий. С – скорость света, μ-магнитная проницаемость, ε – диэлектрическая проницаемость

 

На рис. 1.2.2 приведены соотношения для расчета волнового сопротивления некоторых линий, наиболее часто встречающихся на практике. Расчетные соотношения даны для систем СИ и CGS.

В коаксиальном кабеле одним проводником является центральная жила, второй проводник представляет собой соосную металлическую оплетку, между жилой и оплеткой находится цилиндрический слой диэлектрика.

Двухпроводная линия передачи (фидер) характеризуется двумя геометрическими размерами – расстоянием между центрами круглых проводников и диаметром последних (оба провода имеют одинаковый диаметр).

Полосовая (полосковая) линия образована двумя параллельными плоскостями шириной l, расположенными на расстоянии h друг от друга.

Волновое сопротивление линий зависит от соотношения геометрических размеров, а также от магнитных и диэлектрических свойств среды, разделяющей проводники. Магнитная проницаемость диэлектриков μ ≈ 1, поэтому их различия обусловлены в основном диэлектрическими свойствами.

Для справки следует отметить, что волновое сопротивление печатной платы составляет 50—150 Ом, для витой пары Ω = 100—120 Ом, для телефонного провода Ω ~ 300 Ом, свободное пространство (вакуум) имеет волновое сопротивление Ω = 120π = 377 Ом.

 

1.4 Отражение волн. Коэффициент отражения

 

 

Волновому движению независимо от его природы присущи общие явления: отражение, преломление, интерференция волн и др. Рассмотрим отражение электрических волн в длинной линии.

Отражение волн характеризует величина, называемая коэффициентом отражения. Коэффициент отражения по напряжению rU определим как отношение напряжения в отраженной волне к напряжению в прямой волне. Пользуясь этим определением получим

     (7)

где * – волновое сопротивление, ZH- сопротивление нагрузки

Из данного соотношения следует:

1. ZН →∞ (правый конец линии разомкнут — режим «холостого хода»). Из соотношения (7) получаем  rU = 1, прямая и отраженная волны имеют равные амплитуды и совпадают по фазе. Суперпозиция прямой и отраженной волн дает стоячую волну, напряжение в пучностях которой составляет 2Uпр.

Рисунок 1.4.1. Отражение в линии при холостом ходе, коротком замыкании и согласовании с нагрузкой.

 

2. ZН →0 (режим короткого замыкания). Согласно (7), rU = -1, т.е. прямая и отраженная волны имеют равные амплитуды и сдвиг по фазе на π. Суперпозиция прямой и отраженной волн приводит к взаимной компенсации напряжений, всюду в линии U = 0.
3. ZH =*. Выражение (7) дает rU = 0, отраженная волна отсутствует, следовательно, вся мощность передается нагрузке. Такой режим отвечает взаимному согласованию линии и нагрузки.

Несогласованность линии и нагрузки приводит к появлению отраженных волн, число которых быстро увеличивается из-за многократных отражений от концов линии. Размножение и наложение переотраженных сигналов ведет к их хаотизации и создает шум, мешающий регистрации полезного сигнала.

Источниками отраженных волн являются не только концы линии, но и любые неоднородности, например, локальные изменения геометрии линии или свойств диэлектрика. Локальную неоднородность линии можно представить в виде сосредоточенного элемента с импедансом Z, включенного в линию с волновым сопротивлением Ω (рис. 1.4.2). В точке включения Z возникает отраженная волна, коэффициенты отражения по напряжению равны rU1=Z/(Z+2Ω) и rU2= -Ω/(Ω+2Z) для схемы с последовательным и параллельным замещением Z соответственно.

 

Рисунок 1.4.2 Эквивалентные схемы линии с локальной неоднородностью.

Отражения в линии аналогичны явлениям, которые наблюдаются и для других волновых процессов, например, в оптике и акустике. Свет рассеивается на неоднородностях среды (вспомним пылинки в луче света). При попадании световой волны на границу раздела двух прозрачных сред в общем случае возникают отраженная и проходящая волны, условием согласования является равенство коэффициентов преломления двух сред. [1]

 

1.5 Соединительные кабели

 

В качестве соединительных кабелей используются в основном два типа электрических проводников — витая пара и коаксиальный кабель. Витой парой называется кабель, в котором изолированная пара проводников скручена с небольшим числом витков на единицу длины. Скручивание проводов уменьшает электрические помехи извне при распространении сигналов по кабелю, а экранированные витые пары еще более увеличивают степень помехозащищенности сигналов.

Электрическая цепь на основе витой пары может быть сбалансированной и несбалансированной. Преимущество сбалансированной цепи в том, что она менее чувствительна к внешним возмущениям; наоборот, эта цепь излучает меньшую энергию, поскольку электромагнитные поля отдельных проводников компенсируют друг друга, так как имеют одинаковую интенсивность, но противоположную полярность. С другой стороны, сбалансированная линия является таковой только тогда, когда она правильно смонтирована и обслуживается. Несбалансированная витая пара значительно более чувствительна к возмущениям, чем сбалансированная, но не требует почти никаких усилий для установки и эксплуатации. Четырехпарный кабель еще менее чувствителен к помехам индуктивного характера.

Коаксиальные кабели содержат электрический проводник, изолированный пластиковой оболочкой, которая окружена проводящим плетеным экраном. Благодаря такой геометрии коаксиальный кабель существенно не сбалансирован. Экран заземлен и предотвращает рассеивание энергии с центрального проводника, которое на высоких частотах является весьма заметным возмущающим фактором. И наоборот, экран предохраняет центральный проводник от влияния внешних возмущений. Коаксиальные кабели различаются по величине их распределенного импеданса: обычные значения — 50 Ом и 75 Ом.

Стремление снизить помехи от рассеянных на неоднородностях волнах диктует высокие требования к технологии изготовления, в частности, коаксиальных кабелей. Коаксиальный кабель отличается от одножильного экранированного провода постоянством параметров. Важно помнить, что неоднородности кабеля могут возникать из-за небрежных действий экспериментатора (удары, сгибы, некачественная пайка).

 

 

 

 

 

 

 

2.1 СОГЛАСОВАНИЕ ЦЕПЕЙ

 

 

Сигналы, вырабатываемые датчиками, обычно имеют весьма низкий уровень, поэтому для дальнейшей передачи их необходимо обработать и усилить. Уровни сигнала и импедансы выхода датчика, кабеля и входа компьютера должны соответствовать друг другу. Обработка сигнала для достижения указанного соответствия называется согласованием сигнала.

 

Согласование линии передачи заключается в подавлении отражённых от нагрузки волн. В согласованном режиме мощность, поступающая в нагрузку от генератора, который в свою очередь, должен быть согласован с линией, достигает максимального значения. Если нагрузка не согласована с линией, то это приводит к ряду нежелательных эффектов: изменяются частота и мощность генератора из−за эффекта затягивания, уменьшается предельное значение передаваемой мощности, уменьшается мощность, поступающая в нагрузку, увеличиваются потери в линии передачи.[3]