Обзор и исследование методов согласования длинных линий при передаче цифровых данных

 

Когда в схеме необходимы согласующие резисторы? В двух случаях: если линия передачи длинная — для подавления отражений, и если линия передачи короткая — для подавления резонансов (“звона”). [4, с. 325]

 

2.2 Согласование на стороне нагрузки

При использовании схемы согласования линий передачи на стороне нагрузки выходы всех логических элементов подключаются к сигнальным линиям непосредственно, а согласующие резисторы стоят на выходах сигнальных линий (рис. 2.2.1). Линия передачи, согласованная на стороне нагрузки, обладает следующими свойствами:

1. На вход линии с выхода источника поступает сигнал полной амплитуды.

2. Все отражения подавляются согласующим резистором.

3. Напряжение сигнала на входе приемника соответствует напряжению на выходе передатчика.

 

Рисунок 2.2.1 Расчет времени нарастания переходной характеристики цепи передачи сигнала с случае согласования линии на стороне нагрузки

 

Рассмотрим схему, приведенную на рис. 2.2.1. Левая часть— передающая цепь, включает в себя логический элемент, к выходу которого подключена линия передачи, согласованная на дальнем конце с помощью согласующего резистора. Эквивалентный выходной импеданс этой цепи в схеме замещения с источником напряжения равен импедансу параллельного соединения волнового сопротивления линии Z0 и сопротивления согласующего резистора, также равного Z0. В результате для кратковременных процессов импеданс передающей цепи составляет Z0/2 Ом.

Правая часть схемы — приемная цепь, включает в себя только логический элемент, на вход которого поступает сигнал. Входной импеданс приемника представлен на схеме, приведенной на рис. 2.2.1, эквивалентной емкостью C.

В результате эквивалентная схема представляет собой простой RC- фильтр, для которого постоянная времени, как известно, составляет:

Постоянная времени RC-цепи = C*Z0/2   (8)

Воспользовавшись формулой для времени нарастания переходной характеристики RC-фильтра, получаем:

Tterm=2,2 C*Z0/2 = 1,1 Z0C     (9)

Таким образом, длительность фронта нарастания сигнала на входе приемника – в точке B:

TB = (T2tern + T21)1/2       (10)

Если по отношению к длине фронта сигнала сигнальная линия является длинной линией передачи, ее выходной импеданс фактически составляет Z0. По мере уменьшения длины линии передачи до величины, сопоставимой с длиной фронта сигнала, ее выходной импеданс, измеренный в точке B, уменьшается. В конце концов, когда линия передачи становится очень короткой, выходной импеданс передающей цепи в точке B становится в точности равен выходному импедансу источника сигнала и длительность фронта сигнала в точке приема B уменьшается.

На рис. 2.2.2 показана широко применяемая схема согласования сигнальной линии передачи, называемая составной согласующей нагрузкой. В этой схеме фиксации уровня сигнала эквивалентное сопротивление параллельного соединения сопротивлений R1 и R2 выбирается равным волновому сопротивлению Z0 линии передачи A. Отношение R1/R2определяет отношение требуемых выходных токов высокого и низкого уровня.

 

Рисунок 2.2.2 Схема фиксации уровня с использованием составной согласующей нагрузки

 

При равенстве сопротивлений R1 и R2, требуемые выходные токи высокого и низкого уровня одинаковы. Такой вариант схемы подходит для быстродействующей КМОП-логики (HCMOS).

При R2> R1, требуемый выходной ток низкого уровня превышает требуемый выходной ток высокого уровня.

Выбор сопротивлений R1 и R2 удобнее всего выполнять графически. Этот выбор определяется тремя граничными условиями.

1. Эквивалентное сопротивление параллельного соединения сопротивлений R1 и R2 должно быть равно Z0.

2. Требуемый выходной ток высокого уровня не должен превосходить максимально допустимый ток высокого уровня IOH max.

3. Требуемый выходной ток низкого уровня не должен превосходить максимально допустимый ток низкого уровня IOLmax.

 

Рисунок 2.2.3 Диаграмма для выбора сопротивлений составной нагрузки с учетом заданных граничных условий

 

Все три граничных условия, изображенных на рис. 2.2.3, рассчитаны для элемента И-НЕ серии 74НС11000. Выходные напряжения и максимально допустимые токи соответствуют максимальному напряжению питания +5,5 В (обычно это соответствует наихудшему случаю). На графике проведены 2 прямых граничного условия 1: для волнового сопротивления 65 Ом и 100 Ом.

Линия граничного условия 1, соответствующая волновому сопротивлению 100 Ом, проходит через область значений, удовлетворяющих обоим граничным условиям для выходного тока, — через точку (Y1 = 0,05, Y2 = 0,05). Это соответствует сопротивлениямR1 = 200 Ом и R2 = 200 Ом.

Линия граничного условия 1, соответствующая волновому сопротивлению65 Ом, проходит за пределами области допустимых значений выходного тока. Для этого волнового сопротивления допустимой комбинации сопротивлений составной согласующей нагрузки не существует. Микросхема 74НС11000 не может обеспечить нормальный режим формирования сигнала при работе на согласованную линию передачи волновым сопротивлением 65 Ом.

Иногда используют схему согласования с одним согласующим резистором, подключенным к напряжению смещения, предназначенного исключительно для согласования по току потребления. Описанная выше методика расчета составной согласующей нагрузки пригодна также для выбора согласующего напряжения.

Сначала рассчитывается схема согласования с использованием составной согласующей нагрузки. Затем она преобразуется в эквивалентную схему с источником напряжения. Эквивалентный выходной импеданс источника напряжения имеет единственное значение — Z0. Напряжение эквивалентного источника напряжения определяется по формуле:

    (11)

Значение, полученное по этой формуле, и есть необходимое согласующее напряжение, которое подается на согласующую нагрузку.[3, с. 325-332]

 

 

2.3 Согласование на стороне источника

 

 

При согласовании на стороне источника выход формирователя сигнала подключается к входу линии передачи через последовательное согласующее сопротивление. Сумма сопротивления последовательного согласующего резистора и выходного импеданса источника сигнала должна быть равна волновому сопротивлению линии передачи Z0. При выполнении этого условия коэффициент отражения сигнала от ближнего конца линии будет равен нулю (рис. 2.3.1).

Линия передачи, согласованная на стороне источника, обладает следующими свойствами.

1. Половина напряжения сигнала, передаваемого с выхода источника сигнала на вход линии передачи, падает на последовательном согласующем сопротивлении.
2. Напряжение сигнала на входе линии передачи уменьшается вдвое по сравнению с напряжением сигнала на выходе источника сигнала в режиме холостого хода.
3. Коэффициент отражения от дальнего конца линии (разомкнутой на выходе)равен +1. Амплитуда отраженного сигнала, равная амплитуде падающего сигнала, вдвое меньше по сравнению с амплитудой сигнала на выходе источника сигнала. Вследствие наложения падающего и отраженного сигналов, сигнал на выходе линии передачи возрастает до исходной амплитуды сигнала на выходе источника.
4. Отраженный сигнал (половинной амплитуды) возвращается на вход линии передачи и поглощается последовательной согласующей нагрузкой на стороне источника.
5. После возврата сигнала, отраженного от дальнего конца линии, к источнику, выходной ток источника сигнала падает до нуля и остается на этом уровне до появления на выходе источника следующего фронта сигнала. В высоко скоростных схемах передачи следующий фронт сигнала появляется до того, как сигнал, отраженный от дальнего конца линии, возвратится к источнику.[4, с. 336]

Рисунок 2.3.2 Линия передачи согласованная на стороне источника

 

 

2.4 Длительность фронта нарастания сигнала на выходе цепи передачи в случае линии, согласованной на стороне источника

 

 

В любой точке линии передачи входное сопротивление ее участка, подключенного к выходу источника сигнала, равно Z0. Таким образом, при емкостной нагрузке на выходе линии переходная характеристика цепи передачи соответствует переходной характеристике RC-фильтра нижних частот с постоянной времени, равной:

 

Постоянная времени RC-фильтра = Z0C,   (12)

 

Воспользовавшись формулой для времени нарастания переходной характеристики RC-фильтра, получаем:

 

T10−90 = 2,2Z0C,      (13)

 

Это время нарастания вдвое превышает время нарастания переходной характеристики цепи передачи сигнала в случае линии, согласованной на стороне нагрузки, при таком же волновом сопротивлении линии и такой же емкостной нагрузке.[4, с. 338]

 

2.5 Выбор согласующих резисторов. Точность соблюдения сопротивления согласующих резисторов

 

 

Согласующий резистор предназначен для ослабления или полного подавления отражений в линии передачи. Он сможет выполнять эту функцию только в том случае, если его сопротивления будет в точности равно волновому сопротивлению линии передачи.

Если крайне важно передать сигнал без искажений, тогда вполне оправданно согласование линии передачи на обоих концах. В этом случае уровень сигнала на входе приемника неизбежно оказывается вдвое меньше, но обеспечивается превосходное подавление отражений. Отраженный сигнал должен испытать два отражения — от выхода и от входа линии, прежде чем попадет на вход приемника.

Таким образом, относительный уровень помехи на входе приемника будет равен квадрату коэффициента отражения. В этом случае требуемая точность согласования сопротивления согласующей нагрузки с волновым сопротивлением линии передачи оказывается намного ниже. Этот способ широко используется в СВЧ-схемах для выравнивания амплитудно-частотной характеристики в широком диапазоне частот. В цифровой электронике согласование линий передачи на обоих концах используется в сочетании с приемниками, способными распознавать входные сигналы пониженного уровня.[4, с. 345]

 

 

 

 

 

 

 

3.1 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Любое соединение можно рассматривать как длинную линию. Тем не менее, характерные эффекты не всегда наблюдаются. Именно поэтому есть несколько определений, какую же линию считать длинной. Следует понимать, что сигналу требуется время для того, чтобы пройти от одного до другого конца кабеля. В этом вся соль.

В медном проводе сигнал передается со скоростью около 2/3 скорости света, около 2·108 м/с. Это значит, каждые 20 см кабеля дадут 1 нс задержки. Эти цифры позволяют оценить, насколько можно удлинять линию, прежде чем начнутся неприятности.

Когда вы передаете по кабелю переменный сигнал, при определенной частоте возникнет такая ситуация, что входное напряжение уже сменило фазу, а до выхода сигнал еще не дошел. На самом деле, проблемы начнутся задолго до того, как в кабеле начнет укладываться целый период сигнала.

Линия связи искажает передаваемые сигналы из-за того, что ее физические параметры отличаются от идеальных. Так, например, провода всегда представляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузки. При этом линии могут иметь паразитные резонансы на одной или нескольких частотах входящих в спектр передаваемых сигналов.

При передаче импульсных сигналов, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму, а на фронтах и спадах импульсов появляются паразитные колебания с частотами паразитных резонансов линии. В длинной, несогласованной линии эти частоты могут быть порядка единиц, десятков мегагерц. Вследствие этого на приемном конце линии сигналы могут плохо распознаваться.

Рисунок 3.1.1 Яркий пример несогласованной линии связи

Избавиться от этого можно путем согласования линии на входе и выходе. В идеально согласованной линии меняется только амплитуда сигнала и не меняется её форма. Все это можно посмотреть на частотах уже всего порядка единиц килогерц и линий связи порядка метров и с помощью осциллографа с полосой 10 МГц искажения уже явно видно.

Простой способ определения волнового сопротивления коаксиального кабеля или симметричной линии. Для этого требуется сделать генератор меандра на цифровых микросхемах серии К155, К555, K1533 или К1554 и подключить осциллограф. Принципиальная схема генератора, его частота и стабильность никакой роли не играют. Важно только, чтобы фронты выходного сигнала прямоугольной формы были возможно круче да нагрузочная способность применяемой микросхемы была побольше.

Измерения производятся следующим образом. К выходу цифрового генератора через разделительный конденсатор емкостью 0,1 - 1,0 мкф подключается измеряемая линия произвольной длины. Если это коаксиальный кабель, то оплетка соединяется с общим проводом питания. На дальний конец линии припаивается нагрузка - переменный резистор, выполненный реостатом. Сопротивление этого резистора может быть в пределах 300 Ом ... 1 кОм. Осциллографом контролируется форма сигнала.

Рисунок 3.1.2 Пример длинной линии согласованной на нагрузке

Сперва мы скорее всего увидим осциллограмму лишь отдаленно напоминающую меандр. Изменяя величину сопротивления переменного резистора, следует добиться того, чтобы форма сигнала была максимально прямоугольной, без выбросов и завалов на фронтах. Амплитуда сигнала при манипуляциях с нагрузкой тоже будет меняться, но это не важно - важна только форма сигнала.

Теперь остается только отпаять переменный резистор и измерить его сопротивление с помощью обычного омметра. Полученное значение будет равно искомому волновому сопротивлению измеряемой линии.

Измерительная установка

 

Для проведения эксперимента я использовал:

• Коаксиальный кабель: 13-, 40-, 92-, 154-, 308- сантиметровой длины;
• 20-тиметровый  экранированный кабель витая пара;
• Генератор релаксационного типа;
• Осциллограф;
• Источник питания;
• Макетную плату.