近距離傳輸脈沖信號設計

對于脈沖信號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的傳輸特性，計算了信號傳輸的延時、衰減和反射；然后采用RS-485 串行總線標準及在傳輸終端接匹配電阻的電路來傳輸脈沖信號，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；最后通過實驗證明了傳輸電路結(jié)構(gòu)簡單，信號傳輸可靠性高，具有很大的實用和推廣價值。

前言：對脈沖信號傳輸幾十米或者上百米距離的情況，根據(jù)高速電路設計理論引入了長線傳輸?shù)母拍?，并對脈沖信號的傳輸特性進行了分析。為了保證脈沖信號傳輸?shù)耐暾圆捎昧薘S-485 串行總線標準及跨接匹配電阻的電路方案，經(jīng)過實驗證明這里提出的方案切實可行且性能優(yōu)越。另外該方案結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，對于近距離脈沖信號和高頻率數(shù)字信號的傳輸有很大參考和使用價值。

　　1 傳輸線理論

　　1.1 長線傳輸定義

　　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/下降沿會導致信號在傳輸過程中出現(xiàn)非預期的結(jié)果。由高速電路設計理論定義可知，如果脈沖信號傳輸長度大于信號上升或下降沿時間對應有效長度的1/6時，就可認為信號的傳輸為長線傳輸。脈沖信號在長線傳輸中會出現(xiàn)明顯傳輸延遲、衰減和振蕩等影響信號完整性的問題，這就需要用傳輸線理論來分析。

　　1.2 脈沖信號的傳輸特性

　　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G 構(gòu)成。

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

　　信號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表示，一般表達式為：

　　信號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)電容來決定，單位長度傳輸線上的傳輸延遲d T 表示為：

　　脈沖信號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 為負載阻抗。

圖1 脈沖信號在傳輸線的特點

　　圖1 中（ ） X H w 表示信號通過傳輸線的衰減函數(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)，表達式分別如下：

　　由以上表達式可知如果傳輸線特性阻抗與源端阻抗和終端負載不匹配時，傳輸信號會在阻抗不連續(xù)處產(chǎn)生反射，反射信號會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 傳輸線分布參數(shù)的計算

　　綜上可知信號的傳輸特性主要由傳輸線分布參數(shù)來決定，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）就能計算出信號的傳輸特性值。以雙絞線為例，其特性參數(shù)的計算可按如以下公式計算：

　　式中d 表示傳輸線導體的線徑，s 表示兩線的線間距， r e 表示有效相對介電常數(shù)。對其余類型傳輸線分布參數(shù)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驗測試

　　當脈沖信號傳輸較遠距離的時候，為保證信號的傳輸速率及傳輸可靠性，采用了RS-485 串行總線標準來驅(qū)動、接收信號。

　　2.1 RS-485 總線標準

　　RS-485 標準是基于單對平衡線的多點、雙向通信鏈路，提供了高噪聲抑制、高傳輸速率、長傳輸距離、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 芯片來搭建驅(qū)動、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的雙絞線連接。

　　2.2 脈沖信號的傳輸特性分析

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

　　實際測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 、T 、1 R 和2 R 分別為：

　　取傳輸雙絞線長度為65 m，脈沖信號幅度為+4 V。可以計算得到信號通過雙絞線的延時為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?shù)竭_源端的幅值為22 4× AH R = 2.36 V。信號在源端還會繼續(xù)反射，如此反復直至衰減為零。用示波器直接測MAX485驅(qū)動芯片輸出與接收芯片輸入口的波形如圖2 所示。

圖2 無端接時發(fā)送與接收芯片A 口的波形

　　其中時間軸檔位為每格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(jié)果與理論分析基本一致。

　　當在接收端跨接100 Ω 電阻時，雙絞線終端負載就近似為100 Ω，與傳輸雙絞線的特性阻抗相匹配。此時可以計算得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幅度不變，可以算得脈沖信號的傳輸延時為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，信號的傳輸延時為400 ns，其中在傳輸線上延時約320 ns，發(fā)送和接收芯片內(nèi)部分別延時約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 雙絞線終端接100 Ω 電阻時波形

　　綜上可知對于脈沖信號經(jīng)過長線傳輸，用輸線理論進行分析是完全正確的。對脈沖信號在長線傳輸中產(chǎn)生的畸變和振蕩，可以通過在傳輸線源端串接電阻或在終端并接匹配電阻的方法來消除傳輸信號在傳輸線兩端的反射。

　　當收發(fā)兩端距離較遠或通訊速率較高時，還需要在傳輸線兩端接偏置電阻，用來將傳輸線上無數(shù)據(jù)時的電平置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(jié)語

　　實驗證明采用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，通過端接匹配電阻可以很好的保持信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和完整性。