近距離傳輸脈沖信號(hào)設(shè)計(jì)

摘要：對(duì)于脈沖信號(hào)傳輸一百米左右距離的情況，首先用傳輸線理論分析了信號(hào)的傳輸特性，計(jì)算了信號(hào)傳輸?shù)难訒r(shí)、衰減和反射；然后采用RS-485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)及在傳輸終端接匹配電阻的電路來(lái)傳輸脈沖信號(hào)，一方面提高了信號(hào)傳輸速率和傳輸距離，另一方面消除了信號(hào)因反射引起的畸變和失真，增強(qiáng)了信號(hào)的傳輸可靠性；最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了傳輸電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)傳輸可靠性高，具有很大的實(shí)用和推廣價(jià)值。

前言：對(duì)脈沖信號(hào)傳輸幾十米或者上百米距離的情況，根據(jù)高速電路設(shè)計(jì)理論引入了長(zhǎng)線傳輸?shù)母拍睿?duì)脈沖信號(hào)的傳輸特性進(jìn)行了分析。為了保證脈沖信號(hào)傳輸?shù)耐暾圆捎昧?a href="http://ttokpm.com/tags/rs/" target="_blank">RS-485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)及跨接匹配電阻的電路方案，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明這里提出的方案切實(shí)可行且性能優(yōu)越。另外該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，對(duì)于近距離脈沖信號(hào)和高頻率數(shù)字信號(hào)的傳輸有很大參考和使用價(jià)值。

　　1 傳輸線理論

　　1.1 長(zhǎng)線傳輸定義

　　一般情況下脈沖信號(hào)的邊沿諧波頻率高于自身頻率，其快速變化的上升/下降沿會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)非預(yù)期的結(jié)果。由高速電路設(shè)計(jì)理論定義可知，如果脈沖信號(hào)傳輸長(zhǎng)度大于信號(hào)上升或下降沿時(shí)間對(duì)應(yīng)有效長(zhǎng)度的1/6時(shí)，就可認(rèn)為信號(hào)的傳輸為長(zhǎng)線傳輸。脈沖信號(hào)在長(zhǎng)線傳輸中會(huì)出現(xiàn)明顯傳輸延遲、衰減和振蕩等影響信號(hào)完整性的問(wèn)題，這就需要用傳輸線理論來(lái)分析。

　　1.2 脈沖信號(hào)的傳輸特性

　　傳輸線理論為分布參數(shù)電路理論，線上所有位置都由分布電阻R、分布電容C、分布電感L 和分布電導(dǎo)G 構(gòu)成。

　　這些分布參數(shù)就決定了脈沖信號(hào)長(zhǎng)線傳輸?shù)膫鬏斕匦浴?/p>

　　信號(hào)傳輸線的特性阻抗由傳輸線上入射電壓與入射電流之比來(lái)表示，一般表達(dá)式為：

?

　　信號(hào)的傳輸延遲由傳輸線分布參數(shù)中的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容來(lái)決定，單位長(zhǎng)度傳輸線上的傳輸延遲d T 表示為：

?

　　脈沖信號(hào)在傳輸線上的整體傳輸情況如圖1 所示，其中S Z 為源端阻抗， 0 Z 為傳輸線阻抗， L Z 為負(fù)載阻抗。

圖1 脈沖信號(hào)在傳輸線的特點(diǎn)

　　圖1 中（ ） X H w 表示信號(hào)通過(guò)傳輸線的衰減函數(shù)； A（w）和1R （w）表示傳輸線源端的輸入接收函數(shù)和反射函數(shù)；T（w）和2R （w）表示傳輸線終端的傳輸函數(shù)和反射函數(shù)，表達(dá)式分別如下：

?

　　由以上表達(dá)式可知如果傳輸線特性阻抗與源端阻抗和終端負(fù)載不匹配時(shí)，傳輸信號(hào)會(huì)在阻抗不連續(xù)處產(chǎn)生反射，反射信號(hào)會(huì)在終端和源端往返多次，直至衰減為零。信號(hào)的疊加就引起了傳輸信號(hào)的失真和振鈴。

　　1.3 傳輸線分布參數(shù)的計(jì)算

　　綜上可知信號(hào)的傳輸特性主要由傳輸線分布參數(shù)來(lái)決定，只要確定了傳輸線的分部參數(shù)及源端和終端阻抗值，根據(jù)式（1-7）就能計(jì)算出信號(hào)的傳輸特性值。以雙絞線為例，其特性參數(shù)的計(jì)算可按如以下公式計(jì)算：

　　式中d 表示傳輸線導(dǎo)體的線徑，s 表示兩線的線間距， r e 表示有效相對(duì)介電常數(shù)。對(duì)其余類(lèi)型傳輸線分布參數(shù)的計(jì)算可以參閱文獻(xiàn)[5-6]計(jì)算得到。

　　2 脈沖信號(hào)傳輸方案及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

　　當(dāng)脈沖信號(hào)傳輸較遠(yuǎn)距離的時(shí)候，為保證信號(hào)的傳輸速率及傳輸可靠性，采用了RS-485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)來(lái)驅(qū)動(dòng)、接收信號(hào)。

　　2.1 RS-485 總線標(biāo)準(zhǔn)

　　RS-485 標(biāo)準(zhǔn)是基于單對(duì)平衡線的多點(diǎn)、雙向通信鏈路，提供了高噪聲抑制、高傳輸速率、長(zhǎng)傳輸距離、寬共模范圍和低成本的傳輸平臺(tái)[7]。該方案采用符合RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的MAX485 芯片來(lái)搭建驅(qū)動(dòng)、接收電路，將其中一塊芯片固定為發(fā)送，另一芯片固定為接收，兩芯片對(duì)應(yīng)的發(fā)送和接收端口用等長(zhǎng)的雙絞線連接。

　　2.2 脈沖信號(hào)的傳輸特性分析

　　脈沖信號(hào)在雙絞線上的傳輸特性由其傳輸線分布參數(shù)及驅(qū)動(dòng)芯片輸出阻抗和接收芯片輸入阻抗來(lái)決定的。

　　實(shí)際測(cè)得所用雙絞線的線徑d 為0.05 cm，s 為0.096 cm，r e 取介于線路絕緣體介電常數(shù)和空氣介電常數(shù)（1.00）之間的常數(shù)2.5。由式（9-11）計(jì)算得雙絞線的特性阻抗，每英寸的分布電感和分布電容為：

　　又可知MAX485 芯片驅(qū)動(dòng)輸出電阻約為50 Ω，接收端輸入電阻大于12 kΩ。由公式（1-7）可以計(jì)算出傳輸線單位傳輸延遲d T 、傳輸線衰減函數(shù)H 及傳輸線源端和終端函數(shù)值A(chǔ) 、T 、1 R 和2 R 分別為：

　　取傳輸雙絞線長(zhǎng)度為65 m，脈沖信號(hào)幅度為+4 V?？梢杂?jì)算得到信號(hào)通過(guò)雙絞線的延時(shí)為325.65 ns；信號(hào)到達(dá)接收端的幅度為4× AHT = 5.02 V ；產(chǎn)生的反射信號(hào)經(jīng)衰減傳輸?shù)竭_(dá)源端的幅值為22 4× AH R = 2.36 V。信號(hào)在源端還會(huì)繼續(xù)反射，如此反復(fù)直至衰減為零。用示波器直接測(cè)MAX485驅(qū)動(dòng)芯片輸出與接收芯片輸入口的波形如圖2 所示。

圖2 無(wú)端接時(shí)發(fā)送與接收芯片A 口的波形

　　其中時(shí)間軸檔位為每格2 us，信號(hào)幅度檔位為每格2 V。

　　可以讀出輸入脈沖信號(hào)幅度是+4 V,信號(hào)的傳輸延時(shí)約320 ns,接收端脈沖信號(hào)正向幅度為+5.3 V，負(fù)向幅度為-1.8 V。綜上可知用示波器測(cè)得結(jié)果與理論分析基本一致。

　　當(dāng)在接收端跨接100 Ω 電阻時(shí)，雙絞線終端負(fù)載就近似為100 Ω，與傳輸雙絞線的特性阻抗相匹配。此時(shí)可以計(jì)算得2 R ≈ 0 ,T ≈ 1 ,其余參數(shù)同上。保持傳輸雙絞線距離和傳輸信號(hào)幅度不變，可以算得脈沖信號(hào)的傳輸延時(shí)為325.65 ns，接收端信號(hào)幅值為2.668 V，終端不產(chǎn)生反射信號(hào)。用示波器測(cè)發(fā)送芯片輸出與接收芯片輸入的波形如圖3（a）所示，輸入信號(hào)幅度+4 V，接收端信號(hào)延時(shí)約318 ns，幅度為+2.74 V；圖3（b）為脈沖信號(hào)在電路發(fā)送端與接收端的信號(hào)波形，信號(hào)的傳輸延時(shí)為400 ns，其中在傳輸線上延時(shí)約320 ns，發(fā)送和接收芯片內(nèi)部分別延時(shí)約40 ns，發(fā)送端和接收端脈沖信號(hào)幅度和脈寬保持一致。

（a） 發(fā)送與接收芯片A 口的波形

（b） 發(fā)送與接收端信號(hào)的波形

圖3 雙絞線終端接100 Ω 電阻時(shí)波形

　　綜上可知對(duì)于脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)線傳輸，用輸線理論進(jìn)行分析是完全正確的。對(duì)脈沖信號(hào)在長(zhǎng)線傳輸中產(chǎn)生的畸變和振蕩，可以通過(guò)在傳輸線源端串接電阻或在終端并接匹配電阻的方法來(lái)消除傳輸信號(hào)在傳輸線兩端的反射。

　　當(dāng)收發(fā)兩端距離較遠(yuǎn)或通訊速率較高時(shí)，還需要在傳輸線兩端接偏置電阻，用來(lái)將傳輸線上無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)的電平置0 電平，降低由于干擾或信號(hào)反射引起的接收端誤操作。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　實(shí)驗(yàn)證明采用MAX-485 芯片組成的傳輸電路可以有效消除信號(hào)在傳輸中的衰減和干擾，通過(guò)端接匹配電阻可以很好的保持信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和完整性。