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摘 要：對于脈沖信號傳輸一百米左右距離的情況，首先用傳輸線(xiàn)理論分析了信號的傳輸特性，計算了信號傳輸的延時(shí)、衰減和反射;然后采用RS-485 串行總線(xiàn)標準及在傳輸終端接匹配電阻的電路來(lái)傳輸脈沖信號，一方面提高了信號傳輸速率和傳輸距離，另一方面消除了信號因反射引起的畸變和失真，增強了信號的傳輸可靠性;最后通過(guò)實(shí)驗證明了傳輸電路結構簡(jiǎn)單，信號傳輸可靠性高，具有很大的實(shí)用和推廣價(jià)值。 隨著(zhù)脈沖信號頻率的越來(lái)越高及信號跳變沿(上升沿和下降沿)的越來(lái)越短，對脈沖信號傳輸完整性的分析就變的越來(lái)越重要。如何保證脈沖信號傳輸的完整性，減少信號在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的反射和失真，已成為當前高速電路設計中不可忽視的問(wèn)題。 對脈沖信號傳輸幾十米或者上百米距離的情況，根據高速電路設計理論引入了長(cháng)線(xiàn)傳輸的概念，并對脈沖信號的傳輸特性進(jìn)行了分析。為了保證脈沖信號傳輸的完整性采用了RS-485 串行總線(xiàn)標準及跨接匹配電阻的電路方案，經(jīng)過(guò)實(shí)驗證明這里提出的方案切實(shí)可行且性能優(yōu)越。另外該方案結構簡(jiǎn)單，成本低廉，對于近距離脈沖信號和高頻率數字信號的傳輸有很大參考和使用價(jià)值。 1 傳輸線(xiàn)理論 1.1 長(cháng)線(xiàn)傳輸定義 一般情況下脈沖信號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 )導致信號在傳輸過(guò)程中出現非預期的結果。由高速電路設計理論定義可知，如果脈沖信號傳輸長(cháng)度大于信號上升或下降沿時(shí)間對應有效長(cháng)度的1/6時(shí)，就可認為信號的傳輸為長(cháng)線(xiàn)傳輸。脈沖信號在長(cháng)線(xiàn)傳輸中會(huì )出現明顯傳輸延遲、衰減和振蕩等影響信號完整性的問(wèn)題，這就需要用傳輸線(xiàn)理論來(lái)分析。 1.2 脈沖信號的傳輸特性 傳輸線(xiàn)理論為分布參數電路理論，線(xiàn)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G 構成。 這些分布參數就決定了脈沖信號長(cháng)線(xiàn)傳輸的傳輸特性。 信號傳輸線(xiàn)的特性阻抗由傳輸線(xiàn)上入射電壓與入射電流之比來(lái)表示，一般表達式為： 
信號的傳輸延遲由傳輸線(xiàn)分布參數中的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容來(lái)決定，單位長(cháng)度傳輸線(xiàn)上的傳輸延遲d T 表示為：
脈沖信號在傳輸線(xiàn)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(xiàn)阻抗， L Z 為負載阻抗。
圖1 脈沖信號在傳輸線(xiàn)的特點(diǎn) 圖1 中( ) X H w 表示信號通過(guò)傳輸線(xiàn)的衰減函數; A(w)和1R (w)表示傳輸線(xiàn)源端的輸入接收函數和反射函數;T(w)和2R (w)表示傳輸線(xiàn)終端的傳輸函數和反射函數，表達式分別如下： 由以上表達式可知如果傳輸線(xiàn)特性阻抗與源端阻抗和終端負載不匹配時(shí)，傳輸信號會(huì )在阻抗不連續處產(chǎn)生反射，反射信號會(huì )在終端和源端往返多次，直至衰減為零。信號的疊加就引起了傳輸信號的失真和振鈴。 1.3 傳輸線(xiàn)分布參數的計算 綜上可知信號的傳輸特性主要由傳輸線(xiàn)分布參數來(lái)決定，只要確定了傳輸線(xiàn)的分部參數及源端和終端阻抗值，根據式(1-7)就能計算出信號的傳輸特性值。以雙絞線(xiàn)為例，其特性參數的計算可按如以下公式計算：
式中d 表示傳輸線(xiàn)導體的線(xiàn)徑，s 表示兩線(xiàn)的線(xiàn)間距， r e 表示有效相對介電常數。對其余類(lèi)型傳輸線(xiàn)分布參數的計算可以參閱文獻[5-6]計算得到。 2 脈沖信號傳輸方案及實(shí)驗測試 當脈沖信號傳輸較遠距離的時(shí)候，為保證信號的傳輸速率及傳輸可靠性，采用了RS-485 串行總線(xiàn)標準來(lái)驅動(dòng)、接收信號。 2.1 RS-485 總線(xiàn)標準 RS-485 標準是基于單對平衡線(xiàn)的多點(diǎn)、雙向通信鏈路，提供了高噪聲抑制、高傳輸速率、長(cháng)傳輸距離、寬共模范圍和低成本的傳輸平臺[7]。該方案采用符合RS-485 標準的MAX485 芯片來(lái)搭建驅動(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，兩芯片對應的發(fā)送和接收端口用等長(cháng)的雙絞線(xiàn)連接。 2.2 脈沖信號的傳輸特性分析 脈沖信號在雙絞線(xiàn)上的傳輸特性由其傳輸線(xiàn)分布參數及驅動(dòng)芯片輸出阻抗和接收芯片輸入阻抗來(lái)決定的。 實(shí)際測得所用雙絞線(xiàn)的線(xiàn)徑d 為0.05 cm，s 為0.096 cm，r e 取介于線(xiàn)路絕緣體介電常數和空氣介電常數(1.00)之間的常數2.5。由式(9-11)計算得雙絞線(xiàn)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)可以計算出傳輸線(xiàn)單位傳輸延遲d T 、傳輸線(xiàn)衰減函數H 及傳輸線(xiàn)源端和終端函數值A 、T 、1 R 和2 R 分別為：
取傳輸雙絞線(xiàn)長(cháng)度為65 m，脈沖信號幅度為+4 V�？梢杂嬎愕玫叫盘柾ㄟ^(guò)雙絞線(xiàn)的延時(shí)為325.65 ns;信號到達接收端的幅度為4× AHT = 5.02 V ;產(chǎn)生的反射信號經(jīng)衰減傳輸到達源端的幅值為22 4× AH R = 2.36 V。信號在源端還會(huì )繼續反射，如此反復直至衰減為零。用示波器直接測MAX485驅動(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，信號幅度檔位為每格2 V。 可以讀出輸入脈沖信號幅度是+4 V,信號的傳輸延時(shí)約320 ns,接收端脈沖信號正向幅度為+5.3 V，負向幅度為-1.8 V。綜上可知用示波器測得結果與理論分析基本一致。 當在接收端跨接100 Ω 電阻時(shí)，雙絞線(xiàn)終端負載就近似為100 Ω，與傳輸雙絞線(xiàn)的特性阻抗相匹配。此時(shí)可以計算得2 R ≈ 0 ,T ≈ 1 ,其余參數同上。保持傳輸雙絞線(xiàn)距離和傳輸信號幅度不變，可以算得脈沖信號的傳輸延時(shí)為325.65 ns，接收端信號幅值為2.668 V，終端不產(chǎn)生反射信號。用示波器測發(fā)送芯片輸出與接收芯片輸入的波形如圖3(a)所示，輸入信號幅度+4 V，接收端信號延時(shí)約318 ns，幅度為+2.74 V;圖3(b)為脈沖信號在電路發(fā)送端與接收端的信號波形，信號的傳輸延時(shí)為400 ns，其中在傳輸線(xiàn)上延時(shí)約320 ns，發(fā)送和接收芯片內部分別延時(shí)約40 ns，發(fā)送端和接收端脈沖信號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)送與接收端信號的波形 圖3 雙絞線(xiàn)終端接100 Ω 電阻時(shí)波形 綜上可知對于脈沖信號經(jīng)過(guò)長(cháng)線(xiàn)傳輸，用輸線(xiàn)理論進(jìn)行分析是完全正確的。對脈沖信號在長(cháng)線(xiàn)傳輸中產(chǎn)生的畸變和振蕩，可以通過(guò)在傳輸線(xiàn)源端串接電阻或在終端并接匹配電阻的方法來(lái)消除傳輸信號在傳輸線(xiàn)兩端的反射。 當收發(fā)兩端距離較遠或通訊速率較高時(shí)，還需要在傳輸線(xiàn)兩端接偏置電阻，用來(lái)將傳輸線(xiàn)上無(wú)數據時(shí)的電平置0 電平，降低由于干擾或信號反射引起的接收端誤操作。 3 結語(yǔ) 對于脈沖信號的長(cháng)線(xiàn)傳輸，需要用傳輸線(xiàn)理論來(lái)分析其傳輸特性，通過(guò)改變傳輸線(xiàn)或端接匹配電阻等方法來(lái)保持信號傳輸的完整性。實(shí)驗證明采用MAX-485 芯片組成的傳輸電路可以有效消除信號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傳輸的穩定性和完整性。該方案結構簡(jiǎn)單，性能可靠，在實(shí)際應用中有很大實(shí)用和推廣價(jià)值。 |
