脈沖信號(hào)近距離傳輸?shù)碾娐吩O(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(xiàn)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(xiàn)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。

　　隨著脈沖信號(hào)頻率的越來(lái)越高及信號(hào)跳變沿（上升沿和下降沿）的越來(lái)越短，對(duì)脈沖信號(hào)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(hào)傳輸?shù)耐暾裕瑴p少信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的反射和失真，已成為當(dāng)前高速電路設(shè)計(jì)中不可忽視的問(wèn)題。

　　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(xiàn)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圆捎昧薘S-485 串行總線(xiàn)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(xiàn)理論

　　1.1 長(zhǎng)線(xiàn)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(xiàn)傳輸。脈沖信號(hào)在長(zhǎng)線(xiàn)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(xiàn)理論來(lái)分析。

　　1.2 脈沖信號(hào)的傳輸特性

　　傳輸線(xiàn)理論為分布參數(shù)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(dǎo)G 構(gòu)成。

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

　　信號(hào)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(dá)式為：

　　信號(hào)的傳輸延遲由傳輸線(xiàn)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(xiàn)上的傳輸延遲d T 表示為：

　　脈沖信號(hào)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(fù)載阻抗。

圖1 脈沖信號(hào)在傳輸線(xiàn)的特點(diǎn)

　　圖1 中（ ） X H w 表示信號(hào)通過(guò)傳輸線(xiàn)的衰減函數(shù)； A（w）和1R （w）表示傳輸線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。