Принципы согласования линии передачи с нагрузкой. Проблема согласования нагрузки с линией передачи
Линия называется идеально согласованной с нагрузкой , если в ней отсутствуют отраженные волны. Однако при передаче по цепи СВЧ сигналов, занимающих определенную полосу частот обеспечить идеальное согласование линии с нагрузкой во всей требуемой полосе частот практически невозможно. Поэтому при проектировании задают допустимый уровень рассогласования в требуемой полосе частот , Этот уровень определяют величиной Гдоп или КБВдоп так, чтобы при выполнялось соотношение или . Линии, в которых выполняются эти неравенства, называются согласованными с нагрузкой. Интервал частот Δf называют полосой согласования. Иногда говорят об относительной полосе согласования Δf отн=Δf / f 0, где f 0 = (f1+f2)/2.Эту величину можно вычислять в процентах: Δf отн %= Δf отн 100%.
Параметры Гдоп и КБВдоп зависят от назначения и условий работы линии. Например, в линии передачи, соединяющей радиовещательный длинноволновый передатчик с передающей антенной, стараются обеспечить симметричную относительно несущей частоты амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) коэффициента отражения в полосе Δf отн%=10% при КБВдоп≈0,8...0,9.. Нарушение этих требований приводит к недопустимым нелинейным искажениям передаваемого сигнала. В спутниковых системах связи, работающих в сантиметровом диапазоне волн, высокая степень согласования (КБВдоп≈0,95) необходима для обеспечения электромагнитной совместимости одновременно работающих стволов (каналов).
Рис. 3.14. Схема согласования произвольной нагрузки Z нс линией
Рассмотрим схему согласования произвольной нагрузки Z нс линией (рис. 3.14). Согласующее устройство должно устранить отраженную от нагрузки волну. Эту задачу можно решить двумя способами: либо поглотить отраженную волну в согласующем устройстве (при этом падающая волна должна проходить через устройство без заметного затухания), либо погасить (компенсировать) волну, отраженную от нагрузки, волной, отраженной от согласующего устройства. Во втором случае нужно, чтобы амплитуды волн напряжений, отраженных от нагрузки и от согласующего устройства, были равны, а их фазы отличались на π .Первый метод согласования основан на применении либо мостовых схем, либо невзаимных ферритовых устройств: вентилей или циркуляторов.
Отметим, что поглощение вентилем отраженной волны не зависит от характера нагрузки, вызвавшей эту волну. Поэтому создание вентилей и циркуляторов, работающих в широкой полосе частот, решает задачу широкополосного согласования произвольных нагрузок. Недостатком согласования с помощью вентилей и циркуляторов является более низкий КПД по сравнению с согласующими схемами, использующими второй метод согласования, что связано с тем, что мощность, переносимая отраженной волной, полностью рассеивается в вентиле. Согласующие устройства, основанные на методе компенсации, состоят из реактивных элементов и при соответствующем выполнении практически не вносят потерь. При этом отраженная от нагрузки волна не поглощается, а отражается согласующим устройством обратно к нагрузке, где переносимая ею мощность частично поступает в нагрузку, а частично опять отражается в сторону согласующего устройства. В результате подобных многократных отражений вся мощность, переносимая падающей волной по линии, поступает в нагрузку.
Различают согласующие схемы, обеспечивающие узкополосное и широкополосное согласование нагрузки с линией передачи.
Cтраница 1
Согласование линии по входу (RH p) обеспечивает отсутствие отражения обратной волны от начала линии и тем самым формирование однократного импульса.
Согласования линии не требуется, если ее длина меньше четверти длины волны. В этом случае емкость отклоняющих пластин входит в емкость настроенного контура. Катушки связи и контуров должны быть рассчитаны в соответствии с теорией трансформаторной связи.
Согласование линии как на выходе, так и на входе улучшает стабильность работы катодного повторителя. При нарушении по какой-либо причине согласования на конце линии в ней возникает отраженная от нагрузки волна. Этот эффект дополняется появлением вторичных отражений, если линия не согласована с источником сигнала. Поэтому, если можно ожидать (в процессе эксплуатации усилителя) нарушений согласования на выходе линии, то в этом случае желательно согласовать линию также на ее входе.
Согласование линии на фиксированной частоте решается довольно просто. Для согласования нагрузки с линией применяют устройства, трансформирующие сопротивление нагрузки в активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии. В качестве таких устройств используют реактивные элементы, не вызывающие дополнительных потерь.
Если согласование линии нарушено, то в средней части изображения импульса виден выброс (рис. 3 - 13i), появившийся в результате отражения. Непосредственно измеренная величина импульса не должна превышать 1 5 мм. Не должно быть также понижения или повышения плоской вершины импульса за средним выбросом.
Физически согласование линии означает, что такая линия рассеивает всю падающую СВЧ-мощность, не создавая отраженных волн. Другими словами, в согласованной передающей линии КСВ равен единице. В спектрометре ЭПР согласованная нагрузка включается в одно из плеч двойного Г - моСта (фиг. Это облегчает согласование всего волноводного тракта.
При согласовании линии передачи учитывается так называемое волновое сопротивление коаксиального кабеля. В основном применяют 75 - и 50-омные кабели. Это означает, что на концах таких кабелей должны быть подключены согласующие резисторы с сопротивлением 50 или 75 Ом. Емкость такой линии не учитывается, а считается только погонная задержка распространения сигналов по кабелю.
При проверке согласования линии задержки, состоящей из 24 секций и задерживающей сигнал примерно на 0 2 мксек, контрольный сигнал подается на вход У осциллографа. Rs - Если согласование линии нарушено, то средней части изображения импульса виден выброс (рис. 10 - 5), появившийся в результате отражения.
Идеальным условием согласования линии задержки является равенство выходного сопротивления источника сигнала сопротивлению линии на всех частотах. Основная задача каскадов, расположенных на входе и выходе линии задержки, создать условия согласования, максимально приближающиеся к идеальным. Кроме того, иногда возникает необходимость корректировать в этих каскадах искажения, вызванные затуханием и нелинейностью фазовой характеристики линии задержки. При выборе конкретных схемных решений нужно учитывать, что наилучшим является то решение, которое при прочих равных условиях обеспечивает наибольшее значение коэффициента усиления по напряжению.
Для чего нужно согласование линии или волновода с нагрузкой.
Так как условие согласования линии с нагрузкой состоит в том, что последняя должна иметь чисто активный характер и быть равной волновому сопротивлению линии, то можно соединить две линии, не создавая в месте соединения отражений энергии, если их волновые сопротивления одинаковы.
Мы рассмотрели методы узкополосного и широкополосного согласования линии с нагрузкой, сводящиеся к внесению в линию реактивных элементов, компенсирующих отражения от нагрузки. Эти методы применяются в том случае, когда нагрузка представляет собой узкополосную резонансную систему.
Идеально согласованный узел. Считаем, что плечо узла идеально согласовано, если т. е. отсутствует отражение от узла в данном плече. Если идеально согласованы все плечи, то считаем, что узел в целом идеально согласован. Эти определения аналогичны понятию об идеально согласованной линии, введенном в 8.9, и относятся к согласованию на минимум отражения. Другой критерий согласования - на максимум выходной активной мощности за редкими исключениями сводится к первому.
Задача согласования линий и узлов формулируется следующим образом. Пусть имеется линия и нагрузка (которая может быть одним из плеч узла либо источником мощности). Сопротивление нагрузки в общем случае комплексно, меняется с частотой и не равно характеристическому сопротивлению линии, поэтому (рис. 14.5а).
Характеристическое сопротивление линии практически активно, возможные изменения его с частотой отнесем условно к нагрузке; нормированные сопротивления поэтому Необходимо рассчитать согласующее
устройство, включаемое между линией и нагрузкой, таким образом, чтобы в рабочей полосе частот -модуль коэффициента отражения на входе согласующего устройства не превышал допустимого значения: Здесь и нижняя и верхняя частоты полосы согласования.
Предположим, что потери в согласующем устройстве пренебрежимо малы. Для удобства рассмотрения разобьем его на две части: узел компенсации, преобразующий комплексную нагрузку в активную практически независящую от частоты; и переход, трансформирующий сопротивление в равное характеристическому сопротивлению линии (рис. 14.56). Существуют принципиальные физические ограничения возможности идеальной реализации каждого из этих преобразований в полосе частот.
Если коэффициент отражения от перехода, а от узла компенсации (оба коэффициента приведены к одному сечению), то отражение от согласующего устройства если оба слагаемых малы. Так как фазы указанных коэффициентов меняются независимо, заданная норма на коэффициент отражения распределяется обычно между двумя узлами:
Узел компенсации представляет собой соединение реактивностей, которые на высоких радиочастотах реализуются с помощью отрезков линий, реактивных элементов типа штырей, диафрагм и т. п. Однако схема с идеальной широкополосной компенсацией невозможна. Например, если нагрузка представляет собой параллельное соединение (активное на нулевой частоте), простейшая схема узла компенсации - параллельно включенная индуктивность создает параллельный резонансный контур, имеющий чисто активное сопротивление на одной частоте в середине рабочей полосы. Дополнительные реактивные элементы создают сложную резонансную систему с более широкой полосой частот, но худшим согласованием в пределах этой полосы. Теоретически доказано , что при любой схеме узла компенсации не может быть нарушено неравенство:
где зависит от характера нагрузки. Например, для шунта и для последовательной цепочки, для резонатора
Из ф-лы (14.32) вытекает, что коэффициент отражения не может быть равен нулю в какой-либо конечной полосе частот, так как тогда интеграл обращается в бесконечность. В оптимальном случае в рабочей полосе частот, и вне этой полосы (рис. 14.6). Тогда
В узкой полосе частот коэффициент отражения можно сделать меньшим, чем в широкой. Широкополосные согласующие цепи неизбежно обладают свойствами частотного фильтра. Не следует стремиться к тому, чтобы на одной или нескольких частотах Это существенно увеличивает на других частотах в рабочей полосе.
Практически нецелесообразны сложные схемы узлов компенсации, содержащие более пяти элементов.
Кроме того, неизбежны определенные изменения в рабочей полосе частот. Считая, что в этой полосе и не отклоняется существенно от указанного значения, можно определить по ф-ле (14.33), заменив ее правую часть на
Схемы узлов компенсации многообразны и выбираются в соответствии с характером нагрузки, полосой частот и конкретными особенностями работы.
Переход (трансформатор сопротивлений) представляет собой участок неоднородной линии передачи, характеристическое сопротивление которой меняется по длине от до плавно, либо скачками. Принцип работы всех согласующих переходов один и тот же. От несогласованной нагрузки возникает отраженная волна. Элементы согласующего устройства создают дополнительные отраженные волны, которые компенсируют первоначальную.
Переход конечной длины трансформирует сопротивления лишь приближенно (даже если сопротивления на его концах неизменны). Задачей расчета является отыскание оптимальных переходов наименьшей длины, обеспечивающих коэффициент отражения в заданной полосе частот при известном перепаде сопротивлений Если длина перехода ограничена, то для существует некоторый минимальный предел.
На сравнительно низких частотах согласование осуществляется также электрическими цепями с сосредоточенными параметрами: мостовыми, -образными четырехполюсниками, трансформаторами с индуктивной связью (см. теорию линейных электрических цепей). Заметим, что для них также существуют физические ограничения, препятствующие идеальному преобразованию сопротивлений в полосе частот.
УЗКОПОЛОСНОЕ СОГЛАСОВАНИЕ
В узкополосном согласующем устройстве, как правило, сочетаются компенсация реактивности нагрузки и трансформация сопротивлений. Если согласовать линию с нагрузкой на одной лишь частоте, то обычно в полосе частот не менее 1-2% коэффициент отражения от согласующего устройства будет незначителен. Такое согласование достигается наиболее простыми средствами и в ряде
случаев удовлетворяет практическим потребностям. Рассмотрим несколько простейших способов согласования комплексных сопротивлений.
Согласование реактивным шлейфом. Шлейф - короткозамкнутый или разомкнутый на конце отрезок линии, подключаемый параллельно основной линии с заданной нагрузкой (рис. 14.7), в том сечении В, где ее нормированная проводимость имеет единичную активную составляющую. Входная проводимость реактивного шлейфа, нормированная по компенсирует реактивную проводимость в линии. Поэтому суммарная проводимость в сечении что
Рис. 14.8 (см. скан)
соответствует идеальному согласованию на расчетной частоте (расстояние между сечениями ничтожно мало). Этот способ разработан В. В. Татариновым в 1929 г. Расчет согласования по методу Татаринова рассмотрим на следующем примере.
Пример. Линия с ? нагружена на сопротивление Ом, частоте Рассчитать согласующий короткозамкнутый шлейф с длиной не более Определить коэффициент отражения от устройства а частоте
Для решения воспользуемся круговой диаграммой сопротивления и проводимостей, изображенной на рис. 14.8. Нормированное сопротивление нагрузки (точка Перейдем к нормированным проводимостям, для чего отыщем центрально-симметричную точку Движение плоскости отсчета вдоль линии без потерь как известно, соответствует перемещению точки на диаграмме до кругу. Так как шлейф имеет и замкнут на конце, его входная проводимость индуктивна. Проводимость линии сечении В должна иметь емкостный характер, поэтому минуя на диаграмме точку В, остановимся в точке ,По кольцевой шкале определим Нормированную проводимость шлейфа отнесем к его характеристической проводимости: Отметив на диаграмме точки найдем Присоединив шлейф в сечении В, получим т. е. придем в центр диаграммы.
При росте частоты на на столько же увеличивается электрическая длина отрезков линий: Выполнив на круговой диаграмме аналогичные построения (точки получим на входе устройства что соответствует Итак, согласование с достигается всего в -процентной полосе частот.
Полоса частот увеличивается с уменьшением электрической длины отрезков Поэтому их стремятся сделать как можно более короткими.
На двухпроводных антенных фидерах легко осуществить конструкцию шлейфа, перемещающегося вдоль линии. Для коаксиальных линий и волноводов такой способ согласования трудно реализовать. По этому принципу выполняются лишь нерегулируемые согласующие устройства (например, диафрагмы на рис. 14.18).
Согласование тремя неподвижными реактивностями. Для коаксиальных линий используются неподвижные короткозамкнутые шлейфы, в волноводной технике - емкостные штыри или диафрагмы. Покажем, что тремя реактивностями произвольной величины, но одного знака, расположенными в фиксированных точках линии с интервалом можно согласовать линию при произвольных значениях нагрузки.
Пусть согласование осуществляется емкостными штырями (рис. 14.9а). Приведем проводимость нагрузки к сечению А, где находится первый штырь. Нормированная проводимость в этом случае будет представлена произвольной точкой А «ли А на диаграмме рис. 14.96. Разделим плоскость диаграммы на две части криволинейной границей, состоящей из полуокружности ,и центрально симметричной к лей полуокружности в верхней части диаграммы. Пусть точка А находится слева от этой границы. Тогда емкостным штырем А с положительной реактивной проводимостью можно увеличить мнимую часть проводимости, т. е. перейти от точки А к точке лежащей на
границе. Переход в сечеиие В эквивалентен повороту на в плоскости диаграммы. Точка В также находится на границе, а проводимость Вводя емкостной штырь, легко свести проводимость к значению и перейти тем самым в центр диаграммы. Таким образом, согласование достигнуто штырями а штырь С должен быть выведен из волновода.
В другом случае проводимость в сечении А соответствует точке А справа от границы, тогда штырь А не вводится. Точка В для сечения В находится слева от границы и согласование производится штырями аналогично предыдущему.
Рис. 14.9 (см. скан)
Итак, согласование всегда возможно. Если фаза проводимости нагрузки меняется в ограниченных пределах (точка А всегда слева от границы), для согласования достаточно двух штырей. Если ограничена возможная величина то проводимость настраивающих штырей также ограничена; иапример, при достаточно, чтобы
Четвертьволновый трансформатор (рис. 14.10а) представляет собой отрезок линии передачи длиной с иным
характеристичёским сопротивлением чем у основного тракта (индекс с для характеристических сопротивлений здесь и далее опускаем). Он включается в линию последовательно и предназначен для согласования только активных сопротивлений. Поэтому, если нагрузка является комплексной, между ней и трансформатором включают дополнительный отрезок линии такой длины чтобы его входное сопротивление было чисто активным По круговой диаграмме легко установить величины
Рис. 14.10 (см. скан)
Перейдем к определению характеристического сопротивления трансформатора Нормированное по сопротивление в сечении Нормированное входное сопротивление четвертьволнового отрезка линии без потерь равно обратной величине нормированного сопротивления ее нагрузки [это легко установить из круговой диаграммы или ф-лы (8.57) при поэтому в сечении Для согласования тракта необходимо, чтобы Отсюда следует, что или
Характеристическое сопротивление трансформатора должно быть равно среднему геометрическому от сопротивлений на его концах.
На практике чаще всего длинные линии используются для передачи мощности от генератора к нагрузке. Для этого предпочтительным является режим бегущей волны. С целью обеспечения указанного режима необходимо, чтобы сопротивление нагрузки Zн = Rн + jХн удовлетворяло двум условиям: активная часть нагрузки Rн должна равняться волновому сопротивлению линии
а реактивная часть нагрузки Хн должна равняться нулю:
Если сопротивление нагрузки удовлетворяет условиям (2.1), (2.2), то говорят, что линия согласована с нагрузкой.
Цели согласования
Общий принцип согласования комплексных сопротивлений состоит в том, что в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента. Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:
увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;
увеличение электрической прочности линии;
увеличение КПД линии;
устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.
В режиме смешанных волн в линии происходит чередование максимумов и минимумов напряжения. В местах максимумов напряжения облегчаются условия для электрического пробоя. Устранение отраженной волны приводит к уменьшению напряжения в максимуме. Поэтому по такой линии можно передать большую мощность или увеличить ее электрическую прочность.
Влияние согласования на КПД линии рассмотрено выше (см. с. 30) и проиллюстрировано на рис. 1.21. Установлено, что КПД тем выше, чем лучше согласована линия с нагрузкой, т.е. чем меньше модуль коэффициента отражения |Г|.
Отраженная от нагрузки волна направляется в генератор и может существенно повлиять на режим его работы. Например, недостаточное согласование генератора с линией передачи может привести к изменению частоты генерируемых колебаний, уменьшению выходной мощности генератора или к полному срыву процесса генерации. Требования к Kсв на выходе генератора в значительной степени определяются типом этого генератора.
До сих пор мы рассматривали только длинные кабели. Однако особенность длинной линии в том, что ее волновое сопротивление не зависит от длины. Переводя на человеческий язык: даже используя короткий кабель, нельзя расслабляться.Уберем 20-метровый кабель, заменим его полуметровым куском и измерим задержку распространения сигнала:
Рисунок 12. Задержка распространения в 2,3-метровой линии (сверху - вход, снизу - выход)
Ожидаемая задержка в кабеле длиной 4×0,5 м должна быть примерно 10 нс, но измерения показывают значение, далекое от расчетного. Этому есть несколько объяснений:
- провода щупов имеют разную длину: 1.6 нс ошибки;
- разъемы подсоединены к плате проводам длиной 15 см: два раза по 0,75 нс;
- фиолетовый провод от драйвера к кабелю (рис. 5, слева) имеет длину 10 см: еще 0,5 нс ошибки;
- скорость сигнала в кабеле меньше, чем 2/3 скорости света. В соответствии со спецификацией на кабель, около 0,64·с: 4% ошибки;
- витая пара имеет большую электрическую длину, чем сам кабель, из-за того, что проводники идут по спирали: количественная разница неизвестна.
Что произойдет, если передать по этой не-очень-длинной линии сигнал частотой 100 кГц?
Рисунок 13. Кабель 2,3 м, сигнал 100 кГц, сильноточное питание линии.
Ответ: если не согласовать кабель, будет много высокочастотного «звона».
Как видно из рисунка 13 (справа вверху), на выходе появляется много шума после каждого фронта. Этот шум - не что иное, как сигнал, который гуляет по кабелю туда-сюда, многократно отражаясь от его концов.
2,3-метровый кабель имеет то же волновое сопротивление, что и 80-метровый. Звон практически исчезает, если подключить сопротивление 100 Ом, это означает, что энергия, поступившая в кабель, свободно из него выходит.
Повторение эксперимента на более высокой частоте позволяет лучше понять причину «звона»:
Рисунок 14. Кабель 2,3 м, сигнал 1 МГц, сильноточное питание линии.
Верхний ряд: нетерминированная линия, слева - вход, справа - выход.
Нижний ряд: терминированная линия, слева - вход, справа - выход
В нетерминированной линии возникают резонансные колебания. Верхняя правая осциллограмма на рисунке 14 это показывает. В данном случае ни один из концов линии не согласован. Энергия, поступившая в кабель, отражается от его конца, движется обратно к началу и отражается снова. Это приводит к возникновению резонансной волны в кабеле. Эта волна будет существовать, пока вся ее энергия не рассеется благодаря затуханию в кабеле.
Частота резонанса, согласно рисунку 14, составляет примерно 20 МГц. Причина того, что частота именно такая, заключается в длине кабеля. Задержка распространения сигнала, как было измерено раньше, 12,7 нс. Период резонансных колебаний - 50 нс, то есть почти ровно в 4 раза больше, плюс-минус погрешность измерений.
Частота резонанса соответствует длине волны сигнала (обозначается буквой «лямбда»: λ). Можете представить себе этот «звон» как стоячую волну в кабеле (стоячая волна - суперпозиция двух встречно направленных бегущих волн. - Прим. перев. ) . Когда вы возбуждаете колебательную систему, она будет резонировать на частоте, где длина волны соответствует длине кабеля. Для резонанса нужна длина 1/4 λ или более высокий обертон. Полезный совет: не позволяйте вашим линиям вот так «звенеть», это может повредить схему.
Выходное напряжение при правильном согласовании (рис. 14, внизу справа) составляет «нормальные» 5 В. В отличие от 80-метрового кабеля, тут сопротивление линии постоянному току очень мало (около 0,86 Ом). Таким образом, эффект делителя напряжения, заметный на длинном кабеле, здесь выражен не так сильно. Тем не менее, входной и выходной проводники земли, по-прежнему, не одна и та же точка, и нужно избегать их соединения.
Восстановление сигнала
Послать сигнал в кабель - это только полдела, нужно еще выходной сигнал превратить обратно во что-нибудь понятное. Вот три основных проблемы с сигналом после прохождения через длинную линию:- безобразные фронты сигнала;
- нарушение баланса сигнала;
- смещение уровня земли.
Вторая часть чуть более сложная. Баланс сигнала в цифровой технике имеет отношение к тому, что будет интерпретироваться как «0», а что - как «1». Логическим уровням соответствуют свои диапазоны напряжений, и они достаточно строгие и зависят от типа логики (КМОП, ТТЛ, ТТЛШ и т.д.). Эксперимент с 80-метровым кабелем показал, что амплитуда выходного напряжения значительно снижается. Все логические уровни пропорционально снижены делителем напряжения, и они больше не соответствуют стандартам для применяемых микросхем. Триггер Шмитта сможет корректно восстановить сигнал на приемном конце, только если уровни будут строго заданы. Если есть отклонения, они будут проявляться в изменении скважности принимаемого сигнала.
Третья проблема, как было сказано ранее, связана с тем, что земля источника и земля приемника - не одна и та же точка. Для 80-метрового кабеля это, чаще всего, не представляет собой проблемы, так как на каждй стороне кабеля имеется свой независимый источник питания. Однако, при использовании более коротких кабелей часто применяется общий источник питания, и, следовательно, общая земля.
Уже было сказано, что объединение земляных проводников - это Неприятная Штука™ , когда речь идет о длинных линиях. Вы должны убедиться, что цепи питания развязаны на две отдельные области, как по «горячим» проводникам, так и по земляным (*) . Обратите внимание, что вам нужно развязать источники питания только для восстановления сигнала с длинной линии. У вас вполне может быть одна глобальная земля, но вы должны иметь дело с локальными земляными проводниками, предназначенными для линий передачи данных.
(*): Могут быть исключения, если вы четко представляете себе, что вы делаете. Это относится к продвинутому уровню мастерства, так что спросите совета у вашего знакомого радио-гуру.
Рисунок 15. Восстановление сигнала с использованием триггера Шмитта и раздельных областей питания
Замечание: в схеме на рисунке 15 использовано два инвертора только затем, чтобы сохранить фазу сигнала.
Сигнал на выходе из кабеля нужно «приподнять», чтобы он соответствовал уровням напряжений для «0» и «1». Это делается путем подстройки резистора Rterm так, чтобы напряжение смещения на выходе кабеля находилось где-то посередине между порогов триггера Шмитта. Пороговые напряжения для 74HC14 при питании от 5 В равны: V T+ = 2,4 В, V T- = 1,4 В.
Будет логично настроить делитель на смещение 1,9 В (посередине между порогами), но это должно быть подтверждено экспериментально. Терминатор при настройке 1,9 В имеет составное сопротивление 82 Ом, это немного меньше необходимых ста ом, но все еще приемлемо. Сопротивление источника питания переменному току очень мало, поэтому можно считать верхний и нижний выводы делителя соединенными между собой по переменному току. С точки зрения сигнала на конце кабеля, верхнее и нижнее плечи делителя включены параллельно . Смещению 1,9 В соответствуют сопротивления плеч: 217 Ом - на проводник питания и 133 Ом - на землю.
Рисунок 16. Восстановление сигнала с использованием смещения уровней не искажает скважность импульсов
Возвращаемся ко второму пункту, балансировке сигнала. Рисунок 16 (вверху справа) показывает, что происходит на несогласованной линии. Длительность импульса от источника, 251,4 нс, не равна длительности на выходе триггера Шмитта. Выходной импульс длиннее на 40 нс или почти на 16%. Если вы соединяете несколько линий передачи каскадно, то всего через несколько каскадов от сигнала ничего не останется (то есть коэффициент заполнения достигнет 100% и паузы между импульсами исчезнут. - Прим. перев. ) .
Важно заметить, что изменения скважности сильно зависят от частоты сигнала и длины линии. Небольшое изменение частоты может иметь значительное влияние, в то время как другие изменения могут быть незаметны. То, что проблема не видна, не всегда является признаком отсутствия проблемы.
Добавление терминатора со смещением (рис. 16 внизу справа) приводит к идеальному совпадению длительностей импульсов. Для восстановления скважности настроен уровень смещения 1,81 В (вместо теоретического 1,9 В). Возможно, это связано с небольшим отклонением сопротивлений от номинала.
В реальной жизни вы бы провели несколько испытаний конструкции, а затем пересчитали все значения, чтобы убедиться, что они корректны. Никому не нужны подстроечные резисторы в окончательном варианте конструкции, да они обычно и не требуются. Большинство схем, если они должным образом продуманы, нормально работают с отклонениями в пределах нескольких процентов.
Резонансные эффекты
Отражения в длинной линии могут создать значительные проблемы, если длина волны входного сигнала кратна длине кабеля. На рисунке 17 показаны осциллограммы сигналов для набора частот, для которых 80-метровый кабель составляет 1/8 λ, 1/4 λ, 1/2 λ, 3/4 λ и 1 λ.Как было сказано выше, первый резонанс наступает при режиме 1/4 λ. Однако, стоячая волна возникает, если в линии укладывается любое целое число четвертьволн. На конце кабеля будет пучность волны, если в линии укладывается нечетное число четвертьволн (1/4 λ, 3/4 λ...), и узел волны - если четное (1/2 λ, 1 λ...). (Здесь речь идет об узлах и пучностях напряжения. Волна тока сдвинута на 1/4 λ относительно волны напряжения, то есть пучности напряжения соответствует узел тока и наоборот. - Прим. перев. )
Проблема возникает при наличии пучности напряжения на конце кабеля. Выходное напряжение является суперпозицией входного и напряжения резонансной волны. Амплитуда напряжения волны сильно зависит от добротности (Q) кабеля. Добротность, в свою очередь, определяется сопротивлением, емкостью и индуктивностью линии. При высоких значениях добротности (Q>1) напряжение в пучности стоячей волны может значительно превышать входное напряжение.
В области высокомощных радиосигналов известны случаи повреждения кабеля резонансной волной. Напряжение в пучностях достигало таких значений, что пробивало изоляцию кабеля.
Рисунок 17. Резонансные эффекты на различных частотах. Слева - нетерминированная линия, справа - терминированная. Верхний канал осциллографа - выход линии, нижний - восстановленный сигнал
Частоту резонансной волны, для которой длина линии равна λ, можно найти на основании величины задержки передачи. Измеренная задержка составляет 402 нс, что дает частоту около 2,5 МГц. На рисунке 17 (нижний ряд) показана эта самая частота, в пределах погрешности.
Следует отметить, что линия становится «прозрачной», когда ее длина кратна длине волны (то есть входное сопротивление линии будет равно сопротивлению нагрузки, и не будет зависеть от волнового сопротивления самой линии. - Прим. перев. ) . В этом случае емкостная и индуктивная составляющие компенсируют друг друга.
Глядя на рисунок 17 можно сказать, что восстановление сигнала работает исключительно надежно. Тем не менее, не следует ждать, что ваше оборудование долго проживет, если оно вынуждено справляться с высоким напряжением на выходе кабеля.
Согласование на входе линии
Длинные линии по своей природе симметричны. С точки зрения согласования это означает: то, что было сказано насчет выхода линии, так же справедливо и для входа. Правильное согласование линии заключается в следующем:- выходное сопротивление источника равно волновому сопротивлению линии;
- волновое сопротивление постоянно по всей длине линии;
- сопротивление нагрузки (терминатора) равно волновому сопротивлению.
Рисунок 18. Схема сильноточного питания линии с последовательным согласованием
Источник сигнала (буферы 74HC04) обладает очень низким выходным сопротивленим (меньше 5 Ом). 100-омный последовательно включенный резистор Rterm согласовывает сопротивление источника с волновым сопротивлением линии.
Рисунок 19. Последовательное согласование на входе линии
Когда сигнал направлен в кабель, он отражается от выхода и движется обратно к началу линии. Так как вход правильно согласован, вся энергия покидает кабель без переотражения. На рисунке 19 видно, что отражение накладывается на полезный сигнал только в точке IN_SIG и нигде больше.
В кабеле не возникает резонанса, так как нет условий для многократного переотражения сигнала. Таким образом, выходное напряжение всегда стабильно.
Основное преимущество этой схемы в ее простоте. Второе преимущество состоит в том, что снижается потребление энергии. Драйвер всегда нагружен на сопротивление 100 Ом, которое ограничивает пиковый ток величиной 50 мА (при 5 В). Тем не менее, снижение мощности также является недостатком, так как не позволяет быстро «раскачать» емкость кабеля. Это означает, что полоса пропускания линии будет ограничена.
Другой недостаток данной схемы заключается в том, что драйвер линии должен иметь низкое выходное сопротивление и справляться с отраженным сигналом. На практике могут потребоваться защитные диоды для ограничения перенапряжений.
Несколько заметок по поводу описанного решения:
- сопротивление нагрузки должно быть намного больше волнового сопротивления линии. Это важно, так как отражение сигнала вызывается искусственно. При использовании триггера Шмитта (рис 18) это не вызывает трудностей. Слишком низкое сопротивление нагрузки (но все еще выше волнового сопротивления) влияет на требуемое значение согласующего резистора;
- вы можете устанавливать баланс сигнала на выходе кабеля с помощью высокоомного делителя;
- в этой установке не решены вопросы разводки земли, как обсуждалось раньше, и вы должны решать их отдельно;
- установка не застрахована от проблем, возникающих вблизи резонансных частот.
Двустороннее согласование
Как следует из теории, и как было описано в предыдущем параграфе, линия должна быть согласована и в начале, и в конце. Почему бы так и не сделать?Дополнительное сопротивление делает восстановление сигнала сложной задачей. Уже говорилось, что 80 метров кабеля со 100-омным терминатором дадут максимальное выходное напряжение всего 3,85 В из-за эффекта делителя напряжения. Введение дополнительного резистора в начале кабеля для согласования с обеих сторон приведет к снижению выходного напряжения до 5 В · 100 Ом / (100 Ом + 100 Ом + 30 Ом) = 2,17 В. При такой амплитуде порог срабатывания триггера Шмитта (2,4 В) никогда не будет достигнут, и сигнал пропадет.
Короткий кабель даст вам в лучшем случае 2,5 В, что не оставляет большого запаса для стабильной работы.
Передача цифрового сигнала требует, чтобы минимальная амплитуда на выходе кабеля соответствовала спецификации. Нет другого способа достичь этого, кроме применения дополнительных схем для усиления сигнала.
Развязка питания
Несколько раз в этой статье была подчеркнута проблема земляных петель. Создание коротких замыканий в проводниках земли может привести к неконтролируемому «звону» на различных частотах. К сожалению, эта проблема просто формулируется, но не имеет простого решения.Лучшее решение - это обеспечить, чтобы проводники земли не могли соединиться, даже через корпус, экран или внешнее заземление. Однако, это решение не всегда практично, и, конечно, не дешево. Существует довольно простой способ развязать источники питания, вместе с их землями, когда подключение питания осуществляется совместно с подключением сигнальных цепей.
Рисунок 20. Развязка питания с помощью дросселей
Каждая ветвь линий питания проходит через дроссель (или ферритовую бусину). Оба провода, положительный и отрицательный, должны быть свиты вместе. Обмотки на дроссель намотаны таким образом, что магнитные поля положительного и отрицательного проводников компенсируют друг друга, и не создается постоянного подмагничивания.
Дроссель оказывает очень большое сопротивление дифференциальным переменным сигналам, и это гарантирует, что общий провод длинной линии, на котором присутствует переменный сигнал, не имеет связи с шинами питания. Конденсаторы с каждой стороны дросселя, которые имеют низкое сопротивление на высокой частоте, позволяют считать каждую область питания локальным изолированным источником (по переменному току).
Необходимые индуктивности дросселей и емкости конденсаторов будут зависеть от частоты передаваемых сигналов. Более низкие частоты означают использование больших значений. Это полностью зависит от конструкции в целом.
Показанное на рисунке 20 разделение линий питания не обеспечивает идеальной развязки земли. Например, сопротивление земляного проводника по постоянному току будет по-прежнему зависеть от схемы разводки земли. Изменение этого сопротивления изменит параметры делителя напряжения и сдвинет абсолютные уровни сигналов, но это не должно доставить особых проблем, а иногда даже может быть полезным.
Балансные линии
Вместо использования сложных схем разводки земли можно просто перестать использовать землю как точку отсчета, и оставить уровни сигнала свободно плавающими.Отказ от общего провода в качестве нулевого уровня осуществляется путем применения «положительного» и «отрицательного» соединений между источником и приемником. Сигнал кодируется разностью потенциалов между "+" и "-" проводниками, без учета абсолютного значения этих потенциалов. Такая система называется дифференциальной парой .
Примерами балансных линий передачи могут служить RS-485 , CAN , USB и LVDS .
Балансные линии не решают всех проблем, связанных с длинными линиями. Их по-прежнему нужно правильно согласовывать, как и другие кабели. Однако, к преимуществам балансных линий относятся очень хорошая помехоустойчивость, отсутствие общего провода и широкая полоса пропускания. Платой за это является усложнение схем приемо-передающих устройств.
Заключение
Можно еще много рассказать по теме линий передачи данных. Написано множество книг о тонкостях работы кабелей и длинных линий. Я надеюсь, вы смогли разобраться в некоторых вопросах с помощью приведенных примеров. Несколько советов касательно проектирования линий передачи для ваших будущих разработок:- убедитесь, что сигналы передаются правильно и не отражаются;
- не забывайте ставить терминаторы;
- если драйвер выдерживает отраженный сигнал, ставьте терминатор на входе линии;
- если отражения нежелательны, терминируйте конец линии;
- проверьте цепи питания и исключите земляные петли;
- на высоких частотах лучше использовать балансные линии и специализированные драйверы;
- если что-то выше вашего понимания, посоветуйтесь со специалистами.
Теги:
- длинные линии
- согласование
- волновое сопротивление
- стоячая волна
- терминатор
- витая пара