или как рассогласованные линии портят ваш сигнал

На форуме Dangerous Prototypes я однажды принял участие в одном обсуждении, посвященном проблемам с шиной SPI, кторая переставала нормально работать, начиная с некоторой длины. Мой опыт подсказывал мне две вещи: 1) проверить источник питания, 2) проверить линию на наличие отражений. Тогда я понял, что это должно быть общей проблемой для всех радиолюбителей. Линии передачи данных — сложная тема, и настало время снять покров таинственности с этой электронной магии.

Содержание

Введение

Одно дело — собрать что-нибудь интересное из светодиодов, контроллера и нескольких корпусов логики. И совсем другое — связать ваше творение с внешним миром кабелями и попытаться передать по ним различные низко- и высокочастотные сигналы. Законы физики неумолимы, и разработка хороших линий передачи данных — нетривиальная задача сама по себе.

Мое первое практическое знакомство с длинными линиями состоялось около 20 лет назад, когда я попытался передать 8 МГц цифровой видеосигнал CGA по кабелю длиной 15-25 м. Как вы можете себе представить, моя первая попытка не увенчалась успехом. Я узнал о длинных линиях почти десятью годами ранее, но никогда не пользовался этими знаниями на практике. Таким образом, мне пришлось специально углубляться в изучение и разбираться в проблеме.

Теория длинных линий достаточно понятна, но может испугать тех, кто не разбирается в аналоговой электронике. Просто знайте, что вам не избежать встречи с длинными линиями. Вы обязательно столкнетесь с ними на каком-то этапе вашей деятельности, и придется решать возникающие проблемы.

К счастью, есть несколько относительно простых вещей, которые вы можете сделать, чтобы спасти себя от поражения. Проблемы, вызванные длинными линиями, можно легко увидеть (с помощью осциллографа. — Прим. перев.), и далее я наглядно, со множеством картинок, попробую показать вам, что происходит с сигналами различных частот в различных линиях передачи.

Вот, например, осциллограмма сигнала на выходе кабеля:

Рисунок 1. Сигнал на выходе линии без принятия специальных мер.

Наш прекрасный сигнал теперь изуродован.

Что же такое длинная линия?

Любое соединение можно рассматривать как длинную линию. Тем не менее, характерные эффекты не всегда наблюдаются. Именно поэтому есть несколько определений, какую же линию считать длинной. Это зависит от того, в какой области вы работаете. Вам следует понимать, что сигналу требуется время для того, чтобы пройти от одного до другого конца кабеля. В этом вся соль.

В медном проводе сигнал передается со скоростью около 2/3 скорости света (около 2·10⁸ м/с). Это значит, каждые 20 см кабеля дадут 1 нс задержки. Эти цифры позволяют оценить, насколько можно удлинять линию, прежде чем начнутся неприятности.

Когда вы передаете по кабелю переменный сигнал, при определенной частоте возникнет такая ситуация, что входное напряжение уже сменило фазу, а до выхода сигнал еще не дошел. На самом деле, проблемы начнутся задолго до того, как в кабеле начнет укладываться целый период сигнала.

Обычно используют следующие определения длинной линии:

линия, передающая сигналы настолько высоких частот, что длина волны должна приниматься во внимание (Википедия);
линия, передающая такой сигнал, что по длине линии укладывается пол-волны или более;
линия, по длине которой укладывается значительная часть длины волны.

На этом теория заканчивается. Покажем на практике, что происходит, стараясь использовать минимальный набор приборов и деталей.

Измерительная установка

Площадка OSAA любезно предоставила все необходимые материалы. Вот, что я использовал:

20 метров неэкранированной витой пары 5-ой категории;
еще полметра той же витой пары (чтобы показать, что и с короткими кабелями не все так просто);
генератор сигналов;
два осциллографа с полосой 100 МГц;
сдвоенный источник питания;
макетную плату;
два разъема RJ-45.

Была собрана следующая схема:

Рисунок 2. Схема питания линии со слаботочным выходом

Схема представляет собой просто инвертор 74HC04, нагруженный на кабель. Напряжение питания 5 В. Осциллограф №1 подключен к точкам IN_SIG/IN_GND, а осциллограф №2 — к OUT_SIG/OUT_GND. Важно отметить, что осциллографы не подсоединены к общей земле. Соединение их общих проводов вместе будет означать короткое замыкание линии. Резистор Rterm, называемый терминатором, может быть подключен или отключен. При отключенном Rterm линия называется открытой или нетерминированной.

Вторая схема представляет собой каскад с сильноточным выходом. Несколько инверторов 74HC04 включены параллельно, каждый снабжен токоуравнивающим резистором в 10 Ом. Это должно обеспечить ток до нескольких сотен миллиампер. Данная схема имитирует питание линии от специальных микросхем — драйверов.

Рисунок 3. Схема питания линии с сильноточным выходом

Замечание: схемы приведены только для иллюстрации. В реальной жизни к схемам могут предъявляться дополнительные требования, которые описаны далее в этой статье.

Собранная установка выглядит так:

Рисунок 4. Измерительная установка

Рисунок 5. Макетная плата и разъемы

Разъемы RJ-45, как показано на рисунке 5, были подключены особым образом. Кабель состоит из четырех витых пар, и, таким образом, мы можем исследовать линию большей длины, если соединим разные пары кабеля последовательно. Перемычки на разъемах соединяют пары между собой друг за другом, то есть, эффективная длина кабеля учетверяется. Из 20-метрового кабеля получается 80-метровая линия передачи.

Так как большинство оборудования было подаренным, составило проблему найти два прибора одной и той же марки, модели и версии. Кабели щупов осциллографов, используемых для измерений, отличались друг от друга на 30 см по длине. Как сказано выше, это вносит задержку распространения сигнала по кабелю. Так, если подключить один осциллограф разными щупами к одному источнику сигнала, вы заметите небольшую разницу результатов:

Рисунок 6. Задержка распространения сигнала, вызванная 30-сантиметровой разницей в длине проводов

Измеренная задержка составила 1,6 нс. Это может показаться немного, но при попытке сопоставить два сигнала, которые недалеко отстоят друг от друга во времени, нужно принять во внимание длину кабеля.

Замечание: осциллограф показывает разрешение по оси Y 2 В/дел и 0,2 В/дел для разных каналов. Оба щупа имеют делитель 1:10, однако только в одном из них есть специальная метка, позволяющая осциллографу распознать тип щупа и корректно отобразить вертикальное разрешение. На самом деле, разрешения обоих каналов одинаковы.

Первое измерение показывает задержку, вносимую 80 метрами кабеля. Здесь входной и выходной сигналы заведены на один и тот же осциллограф. Это единственное измерение, где допустимо использовать один осциллограф, так как при этом общий провод линии замыкается накоротко, как было сказано выше. Тем не менее, так можно простым образом показать задержку сигнала.

Рисунок 7. Задержка распространения сигнала в 80-метровом кабеле (верхний канал — вход, нижний — выход)

Увеличенное изображение (рис. 7, справа) показывает задержку 402 нс, что соответствует длине линии 2·10⁸ м/с · 402·10^-9 с = 80,4 м. Очень близко к тому, что ожидалось, так что можно считать результат приемлемым.

Измерения на длинных линиях

Когда установка готова, можно начинать настоящие измерения. Что произойдет, если подать в 80-метровый кабель меандр частотой 100 кГц? Ответ: зависит от того, насколько хорошо вы согласовали линию.

Рисунок 8. Кабель 80 м, сигнал 100 кГц, слаботочное питание линии.
Верхний ряд: нетерминированная линия, слева — вход, справа — выход.
Нижний ряд: терминированная линия, слева — вход, справа — выход

Что здесь происходит? Нетерминированный кабель дает кучу мусора, как на выходе, так и на входе. Когда же к кабелю подключено сопротивление 100 Ом, все выглядит хорошо. Ответ кроется в свойствах длинной линии. Когда вы подводите к кабелю сигнал, вы передаете энергию в кабель. Эта энергия распространяется по нему, пока не дойдет до конца, что требует времени, а затем должна выйти из кабеля. Однако, если на конце кабеля высокое сопротивление, энергия не может выйти из кабеля и отражается обратно ко входу. (При слишком низком сопротивлении (коротком замыкании) на конце линии энергия тоже отражается, только фаза отраженного сигнала будет иной. — Прим. перев.)

Некоторые из вас, возможно, видели в школе на уроке физики эксперимент с веревкой. Вы берете веревку, закрепляете ее одним концом у стены, натягиваете и взмахиваете свободным концом. Вы видите, что импульс, посланный по веревке, добегает до стены, отражается и бежит обратно. Длинная линия делает все то же самое, только с электричеством.

Любая длинная линия обладает параметром, который называется волновое сопротивление линии. Не важно, какой длины кабель, он имеет одно и то же волновое сопротивление. Чтобы забрать энергию, которая передается по кабелю, оконечное сопротивление должно быть равно волновому сопротивлению линии. В случае с витой парой это 100±15 Ом. Для любого кабеля волновое сопротивление либо известно, либо его можно измерить.

Причина, по которй сопротивление терминатора должно равняться волновому сопротивлению линии, осонована на теореме максимальной мощности (теореме Якоби). Для передачи максимальной мощности внутренние сопротивления источника и приемника энергии должны совпадать. Любой терминатор, сопротивление которого не равно волновому сопротивлению линии, позволяет части энергии отразиться от него обратно в кабель.

Вы можете измерить волновое сопротивление любого кабеля, изменяя сопротивление терминатора (возьмите переменный резистор), пока отражение не исчезнет. Для примененного кабеля такая методика дала результат 114 Ом. Согласно спецификации на кабель, это в пределах нормы.

Если вы сейчас думаете: «А почему я не могу использовать кабель с бесконечным волновым сопротивлением?», я вынужден вас разочаровать, потому что затухание сигнала в кабеле связано с его волновым сопротивлением. Чем выше становится волновое сопротивление кабеля, тем труднее вести передачу сигнала через него. Энергия поглощается кабелем, а на выход ничего не приходит. И наоборот, волновое сопротивление равное нулю даст кабель без затухания (без потерь), на выходе придется создать короткое замыкание, а значит, выходное напряжение будет нулевым.

Прим. перев.: Сказанное выше не совсем верно. Коэффициент затухания не зависит от волнового сопротивления. Оба этих параметра зависят от геометрических размеров линии и от свойств материалов, из которых она сделана. Применяя идеальные проводники и изоляторы, можно создать линию без затухания с любым заданным волновым сопротивлением. С другой стороны, при использовании реальных материалов более высокоомный кабель будет иметь большее затухание при прочих равных условиях. Еще одна причина, по которой не используют слишком высокоомные линии — трудность согласования их с источником сигнала.

Как видно по рисунку 8, даже не очень высокочастотный сигнал 100 кГц замусоривается. Давайте поднимем частоту до 1 МГц и посмотрим, что произойдет:

Рисунок 9. Кабель 80 м, сигнал 1 МГц, слаботочное питание линии.
Верхний ряд: нетерминированная линия, слева — вход, справа — выход.
Нижний ряд: терминированная линия, слева — вход, справа — выход

На высоких частотах наблюдается новый эффект. Фронты сигнала уже не крутые, а экспоненциальной формы, даже при правильном согласовании. Драйвер на одном логическом элементе не может достаточно быстро передавать энергию в кабель. Каждый кабель имеет собственную емкость, которая обычно указывается в расчете на метр или километр длины. По спецификации кабель 5-ой категории имеет емкость 52 пФ/м. При длине 80 м емкость составляет 4,16 нФ.

Посмотрев внимательно на рисунок 9 (внизу справа), можно видеть, что начало фронта крутое и почти линейное. Подъем напряжения на первые 1,8 В происходит практически линейно за 40 нс. В течение этого короткого времени выходной буфер инвертора выдает ток I = (U · С) / T = (4,16 нФ · 1,8 В) / 40 нс = 187 мА (!)

Затем следует экспоненциальный участок кривой. Его форма зависит от параметров драйвера, а также от сопротивления, емкости и индуктивности кабеля. Точный расчет этой кривой представляет собой сложные интегральные вычисления, выходящие за рамки данной статьи.

Требуется источник, способный отдать значительно больший ток, для того, чтобы преодолеть емкость кабеля и снова сделать форму сигнала похожей на что-то «нормальное». Итак, еще раз проведем измерения на низких и высоких частотах для сильноточной схемы (рис. 3):

Рисунок 10. Кабель 80 м, сигнал 100 кГц, сильноточное питание линии.
Верхний ряд: нетерминированная линия, слева — вход, справа — выход.
Нижний ряд: терминированная линия, слева — вход, справа — выход

Использование мощной схемы имеет два последствия. Во-первых, энергия, вкачиваемая в кабель, значительно выше. Таким образом, большое количество энергии будет отражаться в рассогласованном кабеле (рис. 10, справа вверху). Это может вызвать повреждение аппартуры, так как выходное напряжение значительно превышает 5 В.

Во-вторых, при правильном согласовании фронты сигнала снова крутые и четкие. Также можно видеть, что напряжение находится на приемлемом для цифровых схем уровне 3,8 В (рис. 10, справа внизу).

Выходное напряжение установки ограничено сопротивлениями кабеля и нагрузки по постоянному току. Весь кабель имеет сопротивление постоянному току 2 · 80 м · 0,188 Ом/м = 30 Ом. Обратите внимание, что сопротивление кабеля складывается из сопротивления двух проводов по 80 м каждый. Кабель вместе со 100-омным терминатором образуют делитель напряжения. Максимальное напряжение на выходе делителя составляет 5 В · 100 Ом / (100 Ом + 30 Ом) = 3,85 В. Измеренное значение очень близко к теоретическому. Неплохо для «наколенной» сборки.

Сопротивление кабеля — одна из причин, по которой нельзя замыкать между собой выводы IN_GND и OUT_GND (см. рис. 2 и 3). Обратный путь от OUT_GND к IN_GND обладает сопротивлением 15 Ом, и на нем падает напряжение примерно 0,58 В.

Если вы замкнете земли, вы исключите из работы часть кабеля и фактически создадите земляную петлю. Часть обратного тока будет течь через кабель, а часть — через точку замыкания. Проблема, однако, в том, что длина и свойства кабеля и закороченного участка не одинаковы, и разница в распространении сигнала по этим двум путям сыграет значительную роль. То есть случится Неприятная Штука™, если замкнуть земли между собой.

Рассмотрим сигнал 1 МГц с сильноточным драйвером:

Рисунок 11. Кабель 80 м, сигнал 1 МГц, сильноточное питание линии.
Верхний ряд: нетерминированная линия, слева — вход, справа — выход.
Нижний ряд: терминированная линия, слева — вход, справа — выход

Как видно из рисунка 11, сигнал на выходе кабеля с сильноточным питанием имеет приемлемую форму, если выполнено согласование. Оценочный пиковый ток составляет (4,16 нФ · 2,5 В) / 20 нс = 520 мА (!). Можете представить, какая огромная нагрузка ложится на драйвер при передаче сигнала.

Большой импульсный ток, необходимый для передачи сигнала по кабелю — это причина, по которой применяются специализированные микросхемы — драйверы линий и шин. Эти микросхемы спроектированы так, чтобы кратковременно обеспечивать очень высокие токи, не перегорая. Также следует убедиться, что вы снабдили эти схемы надлежащими развязывающими конденсаторами.

Короткий кабель, большие проблемы

До сих пор мы рассматривали только длинные кабели. Однако особенность длинной линии в том, что ее волновое сопротивление не зависит от длины. Переводя на человеческий язык: даже используя короткий кабель, нельзя расслабляться.

Уберем 20-метровый кабель, заменим его полуметровым куском и измерим задержку распространения сигнала:

Рисунок 12. Задержка распространения в 2,3-метровой линии (сверху — вход, снизу — выход)

Ожидаемая задержка в кабеле длиной 4×0,5 м должна быть примерно 10 нс, но измерения показывают значение, далекое от расчетного. Этому есть несколько объяснений:

провода щупов имеют разную длину: 1.6 нс ошибки;
разъемы подсоединены к плате проводам длиной 15 см: два раза по 0,75 нс;
фиолетовый провод от драйвера к кабелю (рис. 5, слева) имеет длину 10 см: еще 0,5 нс ошибки;
скорость сигнала в кабеле меньше, чем 2/3 скорости света. В соответствии со спецификацией на кабель, около 0,64·с: 4% ошибки;
витая пара имеет большую электрическую длину, чем сам кабель, из-за того, что проводники идут по спирали: количественная разница неизвестна.

Суммируя эти ошибки, кроме последней, и принимая длину кабеля вместе с выводами (будет 2,3 м), получаем расчетную задержку 12,7 нс, что соответствует длине линии 2,4 м. Уже гораздо ближе к реальности.

Что произойдет, если передать по этой не-очень-длинной линии сигнал частотой 100 кГц?

Рисунок 13. Кабель 2,3 м, сигнал 100 кГц, сильноточное питание линии.
Верхний ряд: нетерминированная линия, слева — вход, справа — выход.
Нижний ряд: терминированная линия, слева — вход, справа — выход

Ответ: если не согласовать кабель, будет много высокочастотного «звона».

Как видно из рисунка 13 (справа вверху), на выходе появляется много шума после каждого фронта. Этот шум — не что иное, как сигнал, который гуляет по кабелю туда-сюда, многократно отражаясь от его концов.

2,3-метровый кабель имеет то же волновое сопротивление, что и 80-метровый. Звон практически исчезает, если подключить сопротивление 100 Ом, это означает, что энергия, поступившая в кабель, свободно из него выходит.

Повторение эксперимента на более высокой частоте позволяет лучше понять причину «звона»:

Рисунок 14. Кабель 2,3 м, сигнал 1 МГц, сильноточное питание линии.
Верхний ряд: нетерминированная линия, слева — вход, справа — выход.
Нижний ряд: терминированная линия, слева — вход, справа — выход

В нетерминированной линии возникают резонансные колебания. Верхняя правая осциллограмма на рисунке 14 это показывает. В данном случае ни один из концов линии не согласован. Энергия, поступившая в кабель, отражается от его конца, движется обратно к началу и отражается снова. Это приводит к возникновению резонансной волны в кабеле. Эта волна будет существовать, пока вся ее энергия не рассеется благодаря затуханию в кабеле.

Частота резонанса, согласно рисунку 14, составляет примерно 20 МГц. Причина того, что частота именно такая, заключается в длине кабеля. Задержка распространения сигнала, как было измерено раньше, 12,7 нс. Период резонансных колебаний — 50 нс, то есть почти ровно в 4 раза больше, плюс-минус погрешность измерений.

Частота резонанса соответствует длине волны сигнала (обозначается буквой «лямбда»: λ). Можете представить себе этот «звон» как стоячую волну в кабеле (стоячая волна — суперпозиция двух встречно направленных бегущих волн. — Прим. перев.). Когда вы возбуждаете колебательную систему, она будет резонировать на частоте, где длина волны соответствует длине кабеля. Для резонанса нужна длина 1/4 λ или более высокий обертон. Полезный совет: не позволяйте вашим линиям вот так «звенеть», это может повредить схему.

Выходное напряжение при правильном согласовании (рис. 14, внизу справа) составляет «нормальные» 5 В. В отличие от 80-метрового кабеля, тут сопротивление линии постоянному току очень мало (около 0,86 Ом). Таким образом, эффект делителя напряжения, заметный на длинном кабеле, здесь выражен не так сильно. Тем не менее, входной и выходной проводники земли, по-прежнему, не одна и та же точка, и нужно избегать их соединения.

Восстановление сигнала

Послать сигнал в кабель — это только полдела, нужно еще выходной сигнал превратить обратно во что-нибудь понятное. Вот три основных проблемы с сигналом после прохождения через длинную линию:

безобразные фронты сигнала;
нарушение баланса сигнала;
смещение уровня земли.

Первая проблема решается добавлением буфера. Этот буфер должен содержать триггер Шмитта, чтобы избежать возможных неопределенных состояний при передаче сигнала.

Вторая часть чуть более сложная. Баланс сигнала в цифровой технике имеет отношение к тому, что будет интерпретироваться как «0», а что — как «1». Логическим уровням соответствуют свои диапазоны напряжений, и они достаточно строгие и зависят от типа логики (КМОП, ТТЛ, ТТЛШ и т.д.). Эксперимент с 80-метровым кабелем показал, что амплитуда выходного напряжения значительно снижается. Все логические уровни пропорционально снижены делителем напряжения, и они больше не соответствуют стандартам для применяемых микросхем. Триггер Шмитта сможет корректно восстановить сигнал на приемном конце, только если уровни будут строго заданы. Если есть отклонения, они будут проявляться в изменении скважности принимаемого сигнала.

Третья проблема, как было сказано ранее, связана с тем, что земля источника и земля приемника — не одна и та же точка. Для 80-метрового кабеля это, чаще всего, не представляет собой проблемы, так как на каждй стороне кабеля имеется свой независимый источник питания. Однако, при использовании более коротких кабелей часто применяется общий источник питания, и, следовательно, общая земля.

Уже было сказано, что объединение земляных проводников — это Неприятная Штука™, когда речь идет о длинных линиях. Вы должны убедиться, что цепи питания развязаны на две отдельные области, как по «горячим» проводникам, так и по земляным^(*). Обратите внимание, что вам нужно развязать источники питания только для восстановления сигнала с длинной линии. У вас вполне может быть одна глобальная земля, но вы должны иметь дело с локальными земляными проводниками, предназначенными для линий передачи данных.

(*): Могут быть исключения, если вы четко представляете себе, что вы делаете. Это относится к продвинутому уровню мастерства, так что спросите совета у вашего знакомого радио-гуру.

Рисунок 15. Восстановление сигнала с использованием триггера Шмитта и раздельных областей питания

Замечание: в схеме на рисунке 15 использовано два инвертора только затем, чтобы сохранить фазу сигнала.

Сигнал на выходе из кабеля нужно «приподнять», чтобы он соответствовал уровням напряжений для «0» и «1». Это делается путем подстройки резистора Rterm так, чтобы напряжение смещения на выходе кабеля находилось где-то посередине между порогов триггера Шмитта. Пороговые напряжения для 74HC14 при питании от 5 В равны: V_T+ = 2,4 В, V_T- = 1,4 В.

Будет логично настроить делитель на смещение 1,9 В (посередине между порогами), но это должно быть подтверждено экспериментально. Терминатор при настройке 1,9 В имеет составное сопротивление 82 Ом, это немного меньше необходимых ста ом, но все еще приемлемо. Сопротивление источника питания переменному току очень мало, поэтому можно считать верхний и нижний выводы делителя соединенными между собой по переменному току. С точки зрения сигнала на конце кабеля, верхнее и нижнее плечи делителя включены параллельно. Смещению 1,9 В соответствуют сопротивления плеч: 217 Ом — на проводник питания и 133 Ом — на землю.

Рисунок 16. Восстановление сигнала с использованием смещения уровней не искажает скважность импульсов

Возвращаемся ко второму пункту, балансировке сигнала. Рисунок 16 (вверху справа) показывает, что происходит на несогласованной линии. Длительность импульса от источника, 251,4 нс, не равна длительности на выходе триггера Шмитта. Выходной импульс длиннее на 40 нс или почти на 16%. Если вы соединяете несколько линий передачи каскадно, то всего через несколько каскадов от сигнала ничего не останется (то есть коэффициент заполнения достигнет 100% и паузы между импульсами исчезнут. — Прим. перев.).

Важно заметить, что изменения скважности сильно зависят от частоты сигнала и длины линии. Небольшое изменение частоты может иметь значительное влияние, в то время как другие изменения могут быть незаметны. То, что проблема не видна, не всегда является признаком отсутствия проблемы.

Добавление терминатора со смещением (рис. 16 внизу справа) приводит к идеальному совпадению длительностей импульсов. Для восстановления скважности настроен уровень смещения 1,81 В (вместо теоретического 1,9 В). Возможно, это связано с небольшим отклонением сопротивлений от номинала.

В реальной жизни вы бы провели несколько испытаний конструкции, а затем пересчитали все значения, чтобы убедиться, что они корректны. Никому не нужны подстроечные резисторы в окончательном варианте конструкции, да они обычно и не требуются. Большинство схем, если они должным образом продуманы, нормально работают с отклонениями в пределах нескольких процентов.

Резонансные эффекты

Отражения в длинной линии могут создать значительные проблемы, если длина волны входного сигнала кратна длине кабеля. На рисунке 17 показаны осциллограммы сигналов для набора частот, для которых 80-метровый кабель составляет 1/8 λ, 1/4 λ, 1/2 λ, 3/4 λ и 1 λ.

Как было сказано выше, первый резонанс наступает при режиме 1/4 λ. Однако, стоячая волна возникает, если в линии укладывается любое целое число четвертьволн. На конце кабеля будет пучность волны, если в линии укладывается нечетное число четвертьволн (1/4 λ, 3/4 λ...), и узел волны — если четное (1/2 λ, 1 λ...). (Здесь речь идет об узлах и пучностях напряжения. Волна тока сдвинута на 1/4 λ относительно волны напряжения, то есть пучности напряжения соответствует узел тока и наоборот. — Прим. перев.)

Проблема возникает при наличии пучности напряжения на конце кабеля. Выходное напряжение является суперпозицией входного и напряжения резонансной волны. Амплитуда напряжения волны сильно зависит от добротности (Q) кабеля. Добротность, в свою очередь, определяется сопротивлением, емкостью и индуктивностью линии. При высоких значениях добротности (Q>1) напряжение в пучности стоячей волны может значительно превышать входное напряжение.

В области высокомощных радиосигналов известны случаи повреждения кабеля резонансной волной. Напряжение в пучностях достигало таких значений, что пробивало изоляцию кабеля.

Рисунок 17. Резонансные эффекты на различных частотах. Слева — нетерминированная линия, справа — терминированная. Верхний канал осциллографа — выход линии, нижний — восстановленный сигнал

Частоту резонансной волны, для которой длина линии равна λ, можно найти на основании величины задержки передачи. Измеренная задержка составляет 402 нс, что дает частоту около 2,5 МГц. На рисунке 17 (нижний ряд) показана эта самая частота, в пределах погрешности.

Следует отметить, что линия становится «прозрачной», когда ее длина кратна длине волны (то есть входное сопротивление линии будет равно сопротивлению нагрузки, и не будет зависеть от волнового сопротивления самой линии. — Прим. перев.). В этом случае емкостная и индуктивная составляющие компенсируют друг друга.

Глядя на рисунок 17 можно сказать, что восстановление сигнала работает исключительно надежно. Тем не менее, не следует ждать, что ваше оборудование долго проживет, если оно вынуждено справляться с высоким напряжением на выходе кабеля.

Согласование на входе линии

Длинные линии по своей природе симметричны. С точки зрения согласования это означает: то, что было сказано насчет выхода линии, так же справедливо и для входа. Правильное согласование линии заключается в следующем:

выходное сопротивление источника равно волновому сопротивлению линии;
волновое сопротивление постоянно по всей длине линии;
сопротивление нагрузки (терминатора) равно волновому сопротивлению.

До сих пор, были рассмотрены только реализации пунктов 2 и 3. Тем не менее, можно создать систему, для которой выполняются только пункты 1 и 2.

Рисунок 18. Схема сильноточного питания линии с последовательным согласованием

Источник сигнала (буферы 74HC04) обладает очень низким выходным сопротивленим (меньше 5 Ом). 100-омный последовательно включенный резистор Rterm согласовывает сопротивление источника с волновым сопротивлением линии.

Рисунок 19. Последовательное согласование на входе линии

Когда сигнал направлен в кабель, он отражается от выхода и движется обратно к началу линии. Так как вход правильно согласован, вся энергия покидает кабель без переотражения. На рисунке 19 видно, что отражение накладывается на полезный сигнал только в точке IN_SIG и нигде больше.

В кабеле не возникает резонанса, так как нет условий для многократного переотражения сигнала. Таким образом, выходное напряжение всегда стабильно.

Основное преимущество этой схемы в ее простоте. Второе преимущество состоит в том, что снижается потребление энергии. Драйвер всегда нагружен на сопротивление 100 Ом, которое ограничивает пиковый ток величиной 50 мА (при 5 В). Тем не менее, снижение мощности также является недостатком, так как не позволяет быстро «раскачать» емкость кабеля. Это означает, что полоса пропускания линии будет ограничена.

Другой недостаток данной схемы заключается в том, что драйвер линии должен иметь низкое выходное сопротивление и справляться с отраженным сигналом. На практике могут потребоваться защитные диоды для ограничения перенапряжений.

Несколько заметок по поводу описанного решения:

сопротивление нагрузки должно быть намного больше волнового сопротивления линии. Это важно, так как отражение сигнала вызывается искусственно. При использовании триггера Шмитта (рис 18) это не вызывает трудностей. Слишком низкое сопротивление нагрузки (но все еще выше волнового сопротивления) влияет на требуемое значение согласующего резистора;
вы можете устанавливать баланс сигнала на выходе кабеля с помощью высокоомного делителя;
в этой установке не решены вопросы разводки земли, как обсуждалось раньше, и вы должны решать их отдельно;
установка не застрахована от проблем, возникающих вблизи резонансных частот.

Двустороннее согласование

Как следует из теории, и как было описано в предыдущем параграфе, линия должна быть согласована и в начале, и в конце. Почему бы так и не сделать?

Дополнительное сопротивление делает восстановление сигнала сложной задачей. Уже говорилось, что 80 метров кабеля со 100-омным терминатором дадут максимальное выходное напряжение всего 3,85 В из-за эффекта делителя напряжения. Введение дополнительного резистора в начале кабеля для согласования с обеих сторон приведет к снижению выходного напряжения до 5 В · 100 Ом / (100 Ом + 100 Ом + 30 Ом) = 2,17 В. При такой амплитуде порог срабатывания триггера Шмитта (2,4 В) никогда не будет достигнут, и сигнал пропадет.

Короткий кабель даст вам в лучшем случае 2,5 В, что не оставляет большого запаса для стабильной работы.

Передача цифрового сигнала требует, чтобы минимальная амплитуда на выходе кабеля соответствовала спецификации. Нет другого способа достичь этого, кроме применения дополнительных схем для усиления сигнала.

Развязка питания

Несколько раз в этой статье была подчеркнута проблема земляных петель. Создание коротких замыканий в проводниках земли может привести к неконтролируемому «звону» на различных частотах. К сожалению, эта проблема просто формулируется, но не имеет простого решения.

Лучшее решение — это обеспечить, чтобы проводники земли не могли соединиться, даже через корпус, экран или внешнее заземление. Однако, это решение не всегда практично, и, конечно, не дешево. Существует довольно простой способ развязать источники питания, вместе с их землями, когда подключение питания осуществляется совместно с подключением сигнальных цепей.

Рисунок 20. Развязка питания с помощью дросселей

Каждая ветвь линий питания проходит через дроссель (или ферритовую бусину). Оба провода, положительный и отрицательный, должны быть свиты вместе. Обмотки на дроссель намотаны таким образом, что магнитные поля положительного и отрицательного проводников компенсируют друг друга, и не создается постоянного подмагничивания.

Дроссель оказывает очень большое сопротивление дифференциальным переменным сигналам, и это гарантирует, что общий провод длинной линии, на котором присутствует переменный сигнал, не имеет связи с шинами питания. Конденсаторы с каждой стороны дросселя, которые имеют низкое сопротивление на высокой частоте, позволяют считать каждую область питания локальным изолированным источником (по переменному току).

Необходимые индуктивности дросселей и емкости конденсаторов будут зависеть от частоты передаваемых сигналов. Более низкие частоты означают использование больших значений. Это полностью зависит от конструкции в целом.

Показанное на рисунке 20 разделение линий питания не обеспечивает идеальной развязки земли. Например, сопротивление земляного проводника по постоянному току будет по-прежнему зависеть от схемы разводки земли. Изменение этого сопротивления изменит параметры делителя напряжения и сдвинет абсолютные уровни сигналов, но это не должно доставить особых проблем, а иногда даже может быть полезным.

Балансные линии

Вместо использования сложных схем разводки земли можно просто перестать использовать землю как точку отсчета, и оставить уровни сигнала свободно плавающими.

Отказ от общего провода в качестве нулевого уровня осуществляется путем применения «положительного» и «отрицательного» соединений между источником и приемником. Сигнал кодируется разностью потенциалов между "+" и "-" проводниками, без учета абсолютного значения этих потенциалов. Такая система называется дифференциальной парой.

Примерами балансных линий передачи могут служить RS-485, CAN, USB и LVDS.

Балансные линии не решают всех проблем, связанных с длинными линиями. Их по-прежнему нужно правильно согласовывать, как и другие кабели. Однако, к преимуществам балансных линий относятся очень хорошая помехоустойчивость, отсутствие общего провода и широкая полоса пропускания. Платой за это является усложнение схем приемо-передающих устройств.

Заключение

Можно еще много рассказать по теме линий передачи данных. Написано множество книг о тонкостях работы кабелей и длинных линий. Я надеюсь, вы смогли разобраться в некоторых вопросах с помощью приведенных примеров. Несколько советов касательно проектирования линий передачи для ваших будущих разработок:

убедитесь, что сигналы передаются правильно и не отражаются;
не забывайте ставить терминаторы;
если драйвер выдерживает отраженный сигнал, ставьте терминатор на входе линии;
если отражения нежелательны, терминируйте конец линии;
проверьте цепи питания и исключите земляные петли;
на высоких частотах лучше использовать балансные линии и специализированные драйверы;
если что-то выше вашего понимания, посоветуйтесь со специалистами.

Да пребудет с вами Сила!