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《傳輸線反射干擾》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、一.引言在微機(jī)系統(tǒng)中,接口與其它設(shè)備之間的連接要通過(guò)一定長(zhǎng)度的電纜來(lái)實(shí)現(xiàn),在計(jì)算機(jī)內(nèi)部,印制電路板之間需要通過(guò)焊接線來(lái)連接。在一些其它的脈沖數(shù)字電路中也存在這類事的問(wèn)題。脈沖信號(hào)包含著很多的高頻成分,即使脈沖信號(hào)本身的重復(fù)頻率并不十分高,但如果前沿陡峭,在經(jīng)過(guò)傳輸通道時(shí),將可能發(fā)生信號(hào)的畸變,嚴(yán)重時(shí)將形成振蕩,破壞信號(hào)的正常傳輸和電路的正常工作。脈沖信號(hào)的頻率越高,傳輸線的長(zhǎng)度越長(zhǎng),即便問(wèn)題越嚴(yán)重。二.傳輸線的反射干擾及其造成的危害任何信號(hào)的傳輸線,對(duì)一定頻率的信號(hào)來(lái)說(shuō),都存在著一定的非純電阻性的波阻抗,其數(shù)值與集成電路的輸出阻抗和輸入阻抗的數(shù)值各不相同,在他們相互連接時(shí),勢(shì)必存在
2、著一些阻抗的不連續(xù)點(diǎn)。當(dāng)信號(hào)通過(guò)這些不連續(xù)點(diǎn)時(shí)便發(fā)生“反射”現(xiàn)象,造成波形畸變,產(chǎn)生反射噪聲。另外,較長(zhǎng)的傳輸線必然存在著較大的分布電容和雜散電感,信號(hào)傳輸時(shí)將有一個(gè)延遲,信號(hào)頻率越高,延遲越明顯,造成的反射越嚴(yán)重,信號(hào)波形產(chǎn)生的畸變也就越厲害。這就是所謂的“長(zhǎng)線傳輸?shù)姆瓷涓蓴_”。圖1是為了演示這種“長(zhǎng)線反射”的實(shí)驗(yàn)電路,圖2是該電路的各點(diǎn)輸出波形。圖2(a)是脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸出波形,圖2(b)是“與非門1”的輸出再不連接電纜時(shí)的波形,可以看到,該波形同a的輸入信號(hào)一樣,是沒(méi)有任何畸變的1MHz反向方波。圖2(c)是在接入場(chǎng)傳輸線后門1點(diǎn)波形,可見(jiàn)該波形出現(xiàn)了“振蕩”和“臺(tái)階”;
3、在傳輸線的終端,信號(hào)不僅有“振蕩”,還出現(xiàn)了幅度高達(dá)-6V左右的“過(guò)沖”圖2(d)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明,傳輸線越長(zhǎng),信號(hào)的畸變?cè)絿?yán)重,當(dāng)傳輸線達(dá)到10m時(shí),信號(hào)波形已面目全非了。對(duì)于TTL器件來(lái)說(shuō),“過(guò)沖”超過(guò)6V時(shí),對(duì)器件輸入端的P-N結(jié)就有造成損壞的可能。同時(shí)從+3V~-6V的大幅度下降,將會(huì)對(duì)鄰近的平行信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的串?dāng)_,且臺(tái)階將造成不必要的延時(shí),給工作電路造成不良的后果。一旦形成震蕩,危害就更嚴(yán)重,這種振蕩信號(hào)將在信號(hào)的始端和終端同時(shí)直接構(gòu)成信號(hào)噪聲,從而形成有效的干擾。三.信號(hào)傳輸線的主要特性及阻抗匹配1.信號(hào)傳輸線的特征阻抗對(duì)于計(jì)算機(jī)及數(shù)字系統(tǒng)來(lái)說(shuō),經(jīng)常使用的信號(hào)傳輸線主要
4、有單線(含接連線和印制線等)、雙絞線、帶狀平行電纜、同軸電纜和雙絞屏蔽電纜等。傳輸線的特性參數(shù)很多,與傳輸線的反射干擾有關(guān)的參數(shù)主要有延遲時(shí)間和波阻抗。一般說(shuō)來(lái),反顯得信號(hào)延遲時(shí)間最短,同軸電纜較長(zhǎng),雙絞線居中,約為6ns/m。波阻抗為單線最高,約為數(shù)百歐,雙絞線的波阻抗,雙絞線的波阻抗一般在100Ω-200Ω之間,且絞花越短,波阻抗越低。從抗干擾的角度講,同軸電纜最好,雙絞線次之,而帶狀電纜和單線最差。2.阻抗的匹配當(dāng)傳輸線終端不匹配時(shí),信號(hào)被反射,反射波達(dá)到始端時(shí),如始端不匹配,同樣產(chǎn)生反射,這就發(fā)生了信號(hào)在傳輸線上多次往返反射的情況,產(chǎn)生嚴(yán)重的反射干擾。因此要盡可能做到始端和
5、終端的阻抗匹配,是抑制反射干擾的有效途徑。為此,確定“長(zhǎng)線”的最佳長(zhǎng)度是至關(guān)重要的。在實(shí)際實(shí)踐中,一般以公式的經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定實(shí)際電路信號(hào)傳輸線的最大允許不匹配長(zhǎng)度(也即“長(zhǎng)線”界限)。其中,為電路轉(zhuǎn)換邊沿的平均寬度,對(duì)于常用的中速TTL電路,取15ns,為傳輸線的延遲時(shí)間??梢杂?jì)算出,其最大允許匹配長(zhǎng)度分別為1m,0.6m和0.4m,否則應(yīng)考慮阻抗匹配。對(duì)于高速運(yùn)行的ECL器件,由于其傳輸時(shí)間只有4ns-5ns,故傳輸長(zhǎng)度一般超過(guò)20cm時(shí),就應(yīng)考慮匹配問(wèn)題。阻抗匹配的方法可以分為始端阻抗匹配和終端阻抗匹配。始端阻抗匹配的方法是在電路的輸出端,即傳輸線的輸入端串接一個(gè)電阻R,使電路的輸
6、出電阻(對(duì)TTL而言分別為14R和135R)與所用傳輸線的波阻抗(如雙絞線典型波阻抗為130R)相近似,如圖3所示。這種方法簡(jiǎn)單易行,波形畸變也較小。但由于電流流經(jīng),使在線低壓電平上升,從而降低信號(hào)低電平的噪聲容限。一般規(guī)定低電平的升高要小于0.2V,為此應(yīng)考慮減少負(fù)載們的個(gè)數(shù)來(lái)減小電阻R上的電壓降。無(wú)源終端匹配可以在接收端的邏輯門的輸入端,即傳輸線的終端并聯(lián)一個(gè)電阻,其阻值應(yīng)近似等于傳輸線的波阻抗,如圖4所示。這種方法一般僅限于發(fā)送端采用功率驅(qū)動(dòng)門的場(chǎng)合,如用普通邏輯門輸出時(shí),并聯(lián)這樣小的電阻負(fù)載,會(huì)使其輸出高電平下降,從而一般各項(xiàng)電路的高電平噪聲容限。有源終端并聯(lián)匹配,如圖5,
7、可以克服無(wú)源終端并聯(lián)匹配時(shí)所造成的高電平噪聲容限下降。在圖中交流狀態(tài)下,電源可視為短路,與的并聯(lián)值等于傳輸阻抗的波阻抗。4振鈴現(xiàn)象的產(chǎn)生及抑制由于任何傳輸線都不可避免地存在著引線電阻、引線電感和雜散電容,因此,一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的傳輸線后,極易產(chǎn)生上沖和振鈴現(xiàn)象。大量的實(shí)驗(yàn)表明,陰線電阻可使脈沖的平均振幅減??;而雜散電容和引線電感的存在,則是產(chǎn)生上沖和振鈴的根本原因。在脈沖前沿上升時(shí)間相同的條件下,陰線電感越大,上沖及振鈴現(xiàn)象就越嚴(yán)重;雜散電容越大,則是波形