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。

1.3 傳輸線(xiàn)分布參數(shù)的計(jì)算

綜上可知信號(hào)的傳輸特性主要由傳輸線(xiàn)分布參數(shù)來(lái)決定，只要確定了傳輸線(xiàn)的分部參數(shù)及源端和終端阻抗值，根據(jù)式(1-7)就能計(jì)算出信號(hào)的傳輸特性值。以雙絞線(xiàn)為例，其特性參數(shù)的計(jì)算可按如以下公式計(jì)算：

式中d 表示傳輸線(xiàn)導(dǎo)體的線(xiàn)徑，s 表示兩線(xiàn)的線(xiàn)間距， r e 表示有效相對(duì)介電常數(shù)。對(duì)其余類(lèi)型傳輸線(xiàn)分布參數(shù)的計(jì)算可以參閱文獻(xiàn)[5-6]計(jì)算得到。

2 脈沖信號(hào)傳輸方案及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

當(dāng)脈沖信號(hào)傳輸較遠(yuǎn)距離的時(shí)候，為保證信號(hào)的傳輸速率及傳輸可靠性，采用了RS-485 串行總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)驅(qū)動(dòng)、接收信號(hào)。

2.1 RS-485 總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)

RS-485 標(biāo)準(zhǔn)是基于單對(duì)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(zhǎng)傳輸距離、寬共模范圍和低成本的傳輸平臺(tái)[7]。該方案采用符合RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的MAX485 芯片來(lái)搭建驅(qū)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(duì)應(yīng)的發(fā)送和接收端口用等長(zhǎng)的雙絞線(xiàn)連接。

2.2 脈沖信號(hào)的傳輸特性分析

脈沖信號(hào)在雙絞線(xiàn)上的傳輸特性由其傳輸線(xiàn)分布參數(shù)及驅(qū)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(cè)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(shù)和空氣介電常數(shù)(1.00)之間的常數(shù)2.5。由式(9-11)計(jì)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(qū)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(jì)算出傳輸線(xiàn)單位傳輸延遲d T 、傳輸線(xiàn)衰減函數(shù)H 及傳輸線(xiàn)源端和終端函數(shù)值A(chǔ) 、T 、1 R 和2 R 分別為：

取傳輸雙絞線(xiàn)長(zhǎng)度為65 m，脈沖信號(hào)幅度為+4 V?？梢杂?jì)算得到信號(hào)通過(guò)雙絞線(xiàn)的延時(shí)為325.65 ns;信號(hào)到達(dá)接收端的幅度為4× AHT = 5.02 V ;產(chǎn)生的反射信號(hào)經(jīng)衰減傳輸?shù)竭_(dá)源端的幅值為22 4× AH R = 2.36 V。信號(hào)在源端還會(huì)繼續(xù)反射，如此反復(fù)直至衰減為零。用示波器直接測(cè)MAX485驅(qū)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(hào)幅度檔位為每格2 V。

可以讀出輸入脈沖信號(hào)幅度是+4 V，信號(hào)的傳輸延時(shí)約320 ns，接收端脈沖信號(hào)正向幅度為+5.3 V，負(fù)向幅度為-1.8 V。綜上可知用示波器測(cè)得結(jié)果與理論分析基本一致。

當(dāng)在接收端跨接100 Ω 電阻時(shí)，雙絞線(xiàn)終端負(fù)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(jì)算得2 R ≈ 0 ，T ≈ 1 ，其余參數(shù)同上。保持傳輸雙絞線(xiàn)距離和傳輸信號(hào)幅度不變，可以算得脈沖信號(hào)的傳輸延時(shí)為325.65 ns，接收端信號(hào)幅值為2.668 V，終端不產(chǎn)生反射信號(hào)。用示波器測(cè)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(hào)幅度+4 V，接收端信號(hào)延時(shí)約318 ns，幅度為+2.74 V;圖3(b)為脈沖信號(hào)在電路發(fā)送端與接收端的信號(hào)波形，信號(hào)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(nèi)部分別延時(shí)約40 ns，發(fā)送端和接收端脈沖信號(hào)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(hào)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(duì)于脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)線(xiàn)傳輸，用輸線(xiàn)理論進(jìn)行分析是完全正確的。對(duì)脈沖信號(hào)在長(zhǎng)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(hào)在傳輸線(xiàn)兩端的反射。

當(dāng)收發(fā)兩端距離較遠(yuǎn)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(shù)據(jù)時(shí)的電平置0 電平，降低由于干擾或信號(hào)反射引起的接收端誤操作。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于脈沖信號(hào)的長(zhǎng)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(hào)傳輸?shù)耐暾?。?shí)驗(yàn)證明采用MAX-485 芯片組成的傳輸電路可以有效消除信號(hào)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(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和完整性。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，在實(shí)際應(yīng)用中有很大實(shí)用和推廣價(jià)值。