Глава 9. Цифра и аналог: сопряжение, АЦП, ЦАП, ФАПЧ

9.2. Цифровые сигналы в длинных линиях

Почему «звенит» земля и как её успокоить развязкой; связи между платами и шины, волновое сопротивление и согласование; передача между приборами: RS-232, RS-422/485, дифференциальные и токовые линии, коаксиал и оптоволокно.

≈ 46 мин чтения · пунктирное подчёркивание — наведите или нажмите, чтобы увидеть пояснение

На макетной плате всё работало, а в собранном приборе — то сбой раз в час, то счётчик сбивается, стоит включить соседний блок. Знакомая история, и почти всегда её причина не в логике, а в проводах. Пока сигнал проходит сантиметр дорожки, провод можно считать идеальным; когда он идёт через всю плату, через разъём на другую плату или по кабелю к другому прибору, появляются новые действующие лица:

ёмкость, которую каждый быстрый фронт должен перезарядить;
наводки с соседних проводов и синфазные помехи между «землями»;
эффекты длинных линий — отражения от конца, нагруженного не так, как требует линия.

Справиться с ними помогают правильная разводка, согласование линий и специальные интерфейсные микросхемы. Пойдём от коротких связей к длинным: сначала одна печатная плата, затем связи между платами и шины, и в конце — кабели между приборами: витые пары, коаксиал, оптоволокно.

План раздела: от сантиметров к сотням метров

Внутри платы

Между платами

Шины

Между приборами

9.2.1Внутриплатные соединения

≈ 9 мин2 упр.

Главное

Во время переключения двухтактного выхода оба транзистора на миг открыты, и импульс тока (до 100 мА у 74F и 74AC) создаёт выброс на индуктивности земли.
Перезаряд нагрузки требует $I = C d U / d t$ , а выброс на земле равен $U = L d I / d t$ ; когда переключаются сразу много выходов, он превышает 1 В.
Лекарство — широкая земля (лучше сплошной слой) и конденсатор 0,05–0,1 мкФ у каждой микросхемы.
Не берите семейство быстрее, чем нужно: для обычных задач — HC, а не AC.

Откуда на земле импульсы

Выход ТТЛ или КМОП — два транзистора, включённые последовательно между $U_{пит}$ и землёй. Переходя из одного состояния в другое, они на короткое время открыты оба, и от питания к земле проскакивает импульс тока — у 74Fxx и 74AC(T)xx до 100 мА. Проводники питания и земли обладают индуктивностью, и на ней этот импульс превращается в выбросы напряжения: на шине питания — вниз, на шине земли — вверх относительно опорной точки у источника.

Длятся такие выбросы всего 5–20 нс, но этого достаточно для неприятностей. Посмотрите на схему ниже. Микросхема ИС₁ переключилась — назовём её виновником. Её соседка ИС₂ ничего не делает: она держит на выходе «0». Но «0» ИС₂ отсчитывается от её земли, а эта земля только что подпрыгнула вместе с выбросом. Выброс выходит на выход ИС₂ и по линии приходит к далёкой ИС₃, которая может принять его за короткую «единицу». Так помеха, рождённая в одном углу платы, превращается в настоящий логический импульс в другом, — а для ложного сброса или запуска триггера больше и не требуется.

Как помеха переходит от виновника к посторонней микросхеме

ИС₁ переключается

Индуктивность земли

ИС₂ держит «0»

ИС₃ видит «1»

123456

Общая земляная шина с индуктивностью: импульс тока ИС₁ приподнимает землю ИС₂, и к ИС₃ её «0» приходит с выбросом

Что здесь что (6)

ИС₁ — виновник. в момент переключения пропускает импульс тока от +5 В на землю
Индуктивность земли. около 5 нГн на сантиметр: импульс тока даёт на ней $L d I / d t$
ИС₂ — посторонняя. держит «0», но её земля подскочила вместе с выбросом
Линия ИС₂ → ИС₃. передаёт «0» вместе с выбросом
ИС₃. принимает выброс за короткую «единицу»
Опорная точка. земля у источника питания

Земля и развязка

Три правила, которые снимают большинство проблем

Широкая землямного земляных проводников по всей плате, а лучше — сплошной земляной слой (у двусторонней платы одна сторона целиком отдаётся под землю)
Конденсатор у каждой ИС0,05–0,1 мкФ между питанием и землёй (иногда один на две-три соседние микросхемы)
Запас энергии на платунесколько танталовых конденсаторов большой ёмкости (20 мкФ, 20 В) в разных местах

Почему это работает? Широкая земля имеет малые индуктивность и сопротивление, и тот же импульс тока создаёт на ней меньший выброс. Конденсаторы, разбросанные по плате, дают импульсу тока короткий путь «ИС — конденсатор — ИС» с малой индуктивностью вместо долгой дороги к источнику питания. За несколько наносекунд напряжение на конденсаторе почти не успевает измениться, так что для микросхемы он — местный маленький источник питания.

1234

Импульс тока замыкается через ближайший конденсатор, а не через длинные шины

Что здесь что (4)

Микросхема. переключаясь, берёт десятки миллиампер за наносекунды
Развязывающий конденсатор 0,1 мкФ. стоит у самых выводов и на время импульса работает местным источником
Путь импульса. маленький контур «ИС — конденсатор» с малой индуктивностью
Танталовый 20 мкФ. запас энергии для всей платы

Правило. Развязывающие конденсаторы нужны любой схеме — и цифровой, и аналоговой. Они делают шины питания низкоомными на высоких частотах и не дают узлам влиять друг на друга через общий источник. Без них схема ведёт себя непредсказуемо: генерирует, сбоит, и найти причину очень трудно.

Ёмкостная нагрузка — второй источник выбросов

Конденсатор у корпуса справляется со сквозным током, но есть ещё один ток, который он не остановит. Каждый выход нагружен ёмкостью дорожки и входными ёмкостями подключённых микросхем (обычно 5–10 пФ на вход). Чтобы перепад был быстрым, эту ёмкость надо быстро перезарядить:

Ток перезаряда ёмкостной нагрузки

I = C \frac{d U}{d t}

Обозначения:

C

d U / d t

Выход 74ACxx с перепадом 5 В за 3 нс на нагрузке 25 пФ (три-четыре входа на коротких дорожках) отдаёт 40 мА — почти всё, на что он способен.

Этот ток не уходит в никуда: при спаде («1» → «0») он возвращается к источнику через землю, при нарастании («0» → «1») — через шину +5 В. По пути он встречает индуктивность монтажа — около 5 нГн на сантиметр. Всего 2,5 см земляного проводника дают выброс

Выброс на индуктивности земли

U = L \frac{d I}{d t} \approx 12, 5 нГн \cdot \frac{40 мА}{3 нс} \approx 0, 2 В

Обозначения:

L

d I / d t

5 нГн/сминдуктивность монтажа

0,2 Водин выход

> 1 Вшесть выходов разом

Один выход — 0,2 В, терпимо. Но возьмите восьмиразрядный буфер, у которого одновременно переключаются шесть выходов, — токи складываются в одном выводе земли, и выброс переваливает за вольт. Меньшие, но того же рода выбросы появляются и у принимающей микросхемы: ток перезаряда её входной ёмкости тоже возвращается через её землю.

1234

Ёмкость дорожки и входа: ток каждого перепада возвращается по земле

Что здесь что (4)

Выход-источник. на каждом перепаде отдаёт или забирает $I = C d U / d t$
Ёмкость проводника. дорожка — часть нагрузки, которую нужно перезарядить
Входная ёмкость. 5–10 пФ на каждый вход
Земля источника. при спаде ток возвращается сюда — отсюда выброс

Когда переключается всё сразу

В синхронной схеме по одному фронту такта переключаются десятки элементов. На большой плате с длинными связями и длинным путём к земле выбросы складываются, и система начинает сбоить. Причём сбоит она не всегда, а при определённых данных — когда, например, целая группа линий данных одновременно уходит из «1» в «0» и по земле идёт большой кратковременный ток.

Совет. Сбой, который зависит от передаваемых данных, — почти верный признак помехи по земле. Поэтому тесты памяти в микропроцессорных системах гоняют самые разные комбинации на 16 линиях данных и 24 линиях адреса: простая проверка «записал — прочитал» такую неисправность не поймает.

Надёжное решение — массивная земля с малой индуктивностью: внутренний земляной слой многослойной платы или, на двусторонней плате, хотя бы сетка из взаимно перпендикулярных земляных проводников на обеих сторонах, — плюс щедрая развязка.

Острее всего проблема у быстрых F, AS и AC(T); у высоковольтной КМОП с её пологими фронтами она почти незаметна.
Семейство AC(T) так склонно к выбросам, что часть производителей (первой — TI) отказалась от привычного расположения питания и земли по углам корпуса и вывела их в середину, где индуктивность выводов меньше, а то и отдала под землю четыре соседних вывода.

Ловушка. Не ставьте быстрое семейство туда, где хватит медленного. Именно поэтому для обычных задач здесь рекомендуется HC, а не AC.

В модели можно менять число одновременно переключающихся выходов, крутизну фронтов и индуктивность земли — и смотреть, когда выброс пересечёт порог соседнего входа.

Модель: выброс на земле от одновременных переключений

Упражнение 9.2.1

Выход 74AC на плате видеоадаптера перезаряжает нагрузку 40 пФ перепадом 5 В за 2 нс. Ток возвращается по земляной дорожке длиной 1,5 см (около 5 нГн/см). Найдите ток перезаряда, выброс на земле от одного выхода и от шести выходов буфера, переключившихся одновременно.

I =мАU (1 выход) =ВU (6 выходов) =В

Решение

$I = C d U / d t = 40 \cdot 1 0^{- 12} \cdot 5/2 \cdot 1 0^{- 9} = 100$ мА. Индуктивность дорожки $L = 1, 5 \cdot 5 = 7, 5$ нГн, выброс $U = L d I / d t \approx 7, 5 \cdot 1 0^{- 9} \cdot 0, 1/2 \cdot 1 0^{- 9} = 0, 375$ В. Шесть выходов — 600 мА через ту же дорожку: 2,25 В. Это далеко за порогом 0,8 В для ТТЛ-уровней и близко к порогу КМОП: соседние микросхемы, держащие «0», начнут выдавать ложные «единицы». Что делать: земляной слой (индуктивность в разы меньше), конденсатор вплотную к корпусу и, если позволяет скорость, более медленное семейство. У HC фронт около 6 нс — втрое длиннее, ток втрое меньше, $d I / d t$ меньше в девять раз.

Упражнение 9.2.2

Микросхема ПЛИС при переключении потребляет импульс тока 200 мА длительностью 3 нс. Какая нужна ёмкость развязывающего конденсатора рядом с ней, чтобы питание просело не больше чем на 0,05 В (индуктивностью выводов пренебречь)?

C =нФ

Решение

Импульс уносит заряд $Q = I t = 0, 2 \cdot 3 \cdot 1 0^{- 9} = 0, 6$ нКл. Условие $Δ U = Q / C \leq 0, 05$ В даёт $C \geq 12$ нФ. Обычные 0,1 мкФ — с восьмикратным запасом, и он не лишний: на деле всё решает индуктивность выводов конденсатора и дорожек к нему (несколько наногенри). Поэтому конденсатор ставят вплотную к выводам питания и земли, а у быстрых микросхем — несколько конденсаторов разной ёмкости.

9.2.2Межплатные соединения

≈ 3 мин1 упр.

Главное

Сигнал, ушедший с платы, нагружен большей ёмкостью, а земля между платами проходит через разъёмы и кабели — выбросы растут.
Не передавайте между платами тактовые сигналы на много нагрузок; если без этого нельзя — буфер на входе каждой платы.
Всё, что критично по времени, размещайте на одной плате.

Выйдя за край платы, сигнал попадает в худшие условия. Ёмкость проводников больше, а земля между платами теперь проходит через кабели, разъёмы, платы-удлинители — у неё большая индуктивность. Те же токи переключения создают на ней выбросы в разы сильнее, и «земли» двух плат в момент перепада могут расходиться на вольты.

Правила для связей между платами

Тактыпо возможности не гоняйте между платами тактовые сигналы с большим разветвлением
Землясделайте земляные провода между платами достаточно мощными, земляных контактов в разъёме — много
Буфер на входеесли такт всё же идёт на другую плату, принимайте его там одним вентилем-буфером
Крайняя мералинейные формирователи и приёмники, как для кабелей (см. пункт о кабельных связях)
Критичные узлыдержите на одной плате — там индуктивность земли и ёмкость монтажа под вашим контролем

1234

Связь двух плат: земля через разъём индуктивна, поэтому на входе второй платы стоит буфер

Что здесь что (4)

Формирователь такта. по возможности на другую плату уходит одна нагрузка, а не десяток
Индуктивность разъёма и кабеля. около 100 нГн: 160 мА за 5 нс дают 3,2 В между землями плат
Буфер на входе платы. линия нагружена одним входом, раздача сигнала идёт уже внутри платы
Местная разводка. внутри платы индуктивность земли и ёмкость монтажа под контролем

Ловушка. Предсказать заранее, как поведут себя быстрые сигналы, проходящие через несколько плат, очень трудно, а исправлять это после изготовления — дорого. Такие места проекта стоит продумывать в первую очередь.

Упражнение 9.2.3

Процессорная плата и плата памяти соединены разъёмом; земляной контакт вместе с проводником имеет индуктивность 60 нГн. По шестнадцати линиям данных одновременно проходят перепады, и каждый перезаряжает ёмкость линии током 15 мА за 4 нс. Оцените выброс между землями плат.

U =В

Решение

Суммарный ток $16 \cdot 15 = 240$ мА нарастает за 4 нс: $U = L d I / d t = 60 \cdot 1 0^{- 9} \cdot 0, 24/4 \cdot 1 0^{- 9} = 3, 6$ В — больше любого запаса помехоустойчивости. Поэтому в межплатных разъёмах делают много земляных контактов (лучше — земляной рядом с каждым сигнальным или через один), ставят буферы на входах, а тактовые линии передают дифференциально.

9.2.3Шины данных

≈ 11 мин4 упр.

Главное

Линия длиннее $l_{кр} \approx v t_{ф} /6$ (примерно 15 см/нс · $t_{ф}$ / 6) — уже «длинная», в ней надо думать об отражениях.
Отражение от конца: $Γ = (R_{н} - Z_{0}) / (R_{н} + Z_{0})$ ; обрыв даёт +1, замыкание −1; у печатной линии $Z_{0}$ около 100 Ом.
Длинную шину нагружают на конце делителем (180/390 Ом — эквивалент 3,4 В через 123 Ом) или цепочкой около 100 Ом + 100 пФ.
Для шин — объединительная плата со сплошной землёй и шинные формирователи с большим выходным током.

Шина — это много линий, к которым подключены многие платы сразу (о самих шинах — в главах 10 и 11). Здесь сходятся все уже знакомые беды, и к ним добавляется новая: линии становятся настолько длинными, что сигнал уже нельзя считать появляющимся на всей линии одновременно. Начинаются эффекты длинных линий. У самой быстрой ЭСЛ (ECL III, ECL 100K, фронты короче наносекунды) любой проводник длиннее 2–3 см приходится рассматривать как линию передачи и согласовывать.

Где кончается «короткий» провод

Сигнал бежит по печатной дорожке со скоростью $v = c / ε_{эфф}$ , на стеклотекстолите — около 15 см/нс. Пока время пробега по линии мало по сравнению с фронтом, линия ведёт себя как сосредоточенная ёмкость, и отражения не успевают проявиться. Практическое правило:

Критическая длина линии

l_{кр} \approx \frac{v t _{ф}}{6}, v = \frac{c}{ε _{эфф}}

Обозначения:

l_{кр}

v

t_{ф}

ε_{эфф}

≈ 2,4 см

l_{кр}

при фронте 1 нс

≈ 14 см

l_{кр}

при фронте 6 нс

15 см/нсскорость в печатной линии

Объединительная плата

Шину длиной от 30 см проще всего строить на объединительной плате со сплошной землёй. Это простая печатная плата с рядом разъёмов, в которые вставляются все платы системы; дешёвое решение и механической задачи, и — если плата сделана правильно — электрической.

Правильно — значит так: проводник над близкой землёй имеет меньшую индуктивность и слабее связан с соседями, поэтому на простой объединительной плате все сигнальные линии кладут на одну сторону, а другая целиком занята земляной плоскостью. В сложных системах используют многослойные платы.

Ловушка. Когда «звон» в длинных линиях совсем замучает, очень хочется повесить конденсатор прямо на вход приёмника в конце линии. Не поддавайтесь: так вы не согласуете линию, а лишь добавите ёмкость, которую каждый фронт должен перезарядить, — токи по земле и выбросы от переключений только вырастут.

Чем нагрузить конец шины

Длинные линии шины принято нагружать на дальнем конце резисторами к питанию или к земле. Причина — в волновом (характеристическом) сопротивлении $Z_{0}$ , которое есть у любой длинной пары проводов или коаксиального кабеля. Волна, добежавшая до конца линии, нагруженной на $Z_{0}$ (а оно всегда активное), поглощается целиком. Любая другая нагрузка, включая обрыв, отражает часть волны обратно, и знак и величину отражения задаёт рассогласование:

Коэффициент отражения

Γ = \frac{R _{н} - Z _{0}}{R _{н} + Z _{0}}, Γ_{обрыв} = + 1, Γ_{КЗ} = - 1

Обозначения:

Γ

R_{н}

Z_{0}

При

R_{н} = Z_{0}

отражения нет:

Γ = 0

Напряжение на разомкнутом конце линии

Z_{0}

= 75 Ом при перепаде 3,3 В: выброс до 4,7 В, провал до 2,7 В, затухающий «звон» (расчёт — в упражнении ниже)

При обычной ширине дорожек и промежутков между ними $Z_{0}$ печатных линий получается около 100 Ом — примерно как у скрутки из двух изолированных проводов 24-го калибра (около 0,5 мм).

ТТЛ-шину чаще всего нагружают делителем между +5 В и землёй. «Единица» на линии держится около +3 В, перепад становится меньше, а с ним и ток перезаряда ёмкостей. Классическая пара — 180 Ом к +5 В и 390 Ом к земле. По теореме Тевенена это источник $5 \cdot 390/570 = 3, 4$ В с внутренним сопротивлением $180 ∥ 390 = 123$ Ом — близко к $Z_{0}$ .

1234

Делитель на конце ТТЛ-шины: эквивалент 3,4 В через 123 Ом

Что здесь что (4)

180 Ом к +5 В. держит «1» около +3 В: перепад и ток перезаряда меньше
390 Ом к земле. вместе с верхним резистором — 123 Ом, близко к $Z_{0}$ , отражения малы
Шинный формирователь. в «0» принимает около 25 мА через 180 Ом — обычный выход не справится
Линия. волна, пришедшая на нагрузку, близкую к $Z_{0}$ , поглощается без отражения

Второй способ подходит и для ТТЛ, и для КМОП — нагрузка по переменному току: последовательная цепочка из резистора и конденсатора между линией и землёй. Резистор выбирают близким к $Z_{0}$ (около 100 Ом), а конденсатор — таким, чтобы на частоте $1/ t_{ф}$ его сопротивление было мало; обычно хватает 100 пФ. Фронт видит согласованную нагрузку, а в покое цепочка тока не потребляет.

Делитель или RC-цепочка

	Делитель (180/390 Ом)	RC-цепочка (100 Ом + 100 пФ)
Для каких семейств	ТТЛ	ТТЛ и КМОП
Ток в покое	есть (десятки мА в «0»)	нет
Уровень «1»	около +3 В — перепад меньше	полный размах

123

RC-нагрузка: согласована для фронта, не потребляет тока в покое

Что здесь что (3)

Конденсатор 100 пФ. на частоте $1/ t_{ф}$ его сопротивление мало, а постоянного тока нет
Резистор 100 Ом. примерно $Z_{0}$ : для фронта линия нагружена согласованно
Приёмник на конце линии. КМОП или ТТЛ — способ годится для обоих

Модель показывает, как волна бегает по линии туда и обратно при разных сопротивлениях источника и нагрузки. Найдите сочетание, при котором «звон» пропадает совсем.

Модель: отражения в линии с несогласованной нагрузкой

Шинные формирователи

Длинной шине или шине с большим числом нагрузок нужны выходы с большим током. Чаще всего применяют буферы и приёмопередатчики таких серий:

'240/'241/'244 — восьмиразрядные буферы с инверсией и без;
'540/'541 — с «проточной» цоколёвкой: входы с одной стороны корпуса, выходы с другой, что очень удобно при разводке;
'365–'368 — шестиразрядные; '827/'828 — десятиразрядные.

Для двунаправленных шин есть приёмопередатчики — '245 и его родственники. На каждой линии у них два встречных буфера с тремя состояниями, а вход «направление» решает, какой из них работает. Другие подходящие микросхемы перечислены в таблицах логических ИМС главы 8.

123

Одна линия приёмопередатчика '245: два встречных буфера с третьим состоянием

Что здесь что (3)

Буфер A → B. работает, когда вход НАПРАВЛЕНИЕ задаёт передачу из A в B
Буфер B → A. встречный; пока работает первый, этот в третьем состоянии
Вход «направление». выбирает, какой из двух буферов включён

Сколько тока дают шинные формирователи разных семейств (типичные значения)
Семейство	Ток отвода / отдачи шинного формирователя, мА
74LS	24 / 15
74F, 74AS	64 / 15
74ALS	48 / 15 (серии с повышенным током)
74HC(T)	6 / 6
74AC(T)	24 / 24

Упражнение 9.2.4

Конец ТТЛ-шины в стойке измерительной системы нагружен делителем 270 Ом к +5 В и 470 Ом к земле. Найдите эквивалентный источник (напряжение и сопротивление) и ток, который должен принять формирователь, удерживая линию на 0,4 В.

U_экв =ВR_экв =ОмI =мА

Решение

$U = 5 \cdot 470/740 = 3, 18$ В, $R = 270 ∥ 470 = 171$ Ом. При 0,4 В на линии через верхний резистор течёт $(5 - 0, 4) /270 = 17, 0$ мА, из них $0, 4/470 = 0, 85$ мА уходит в нижний; остальные $16, 2$ мА принимает формирователь (и ещё входные токи приёмников). Выход LS с его 8 мА не годится — нужен шинный формирователь на 24 мА и больше. Если делители стоят на обоих концах шины, ток удваивается.

Упражнение 9.2.5

Формирователь с выходным сопротивлением 30 Ом посылает перепад 3,3 В в коаксиальный кабель 75 Ом, на конце которого — только вход КМОП (обрыв). Найдите амплитуду первой волны, напряжение на конце кабеля после прихода волны (момент $T$ ) и после первого повторного прихода (момент $3 T$ ). Какой последовательный резистор у источника устранит «звон»?

U₁ =ВU(T) =ВU(3T) =В

Решение

Первая волна определяется делителем из $R_{и}$ и $Z_{0}$ : $U_{1} = 3, 3 \cdot 75/105 = 2, 36$ В. На обрыве $Γ_{н} = + 1$ , волна удваивается: $U (T) = 4, 71$ В — на 1,4 В выше питания приёмника, так что работают его защитные диоды. Отражённые 2,36 В бегут к источнику, где $Γ_{и} = (30 - 75) /105 = - 0, 429$ , и возвращаются волной $- 1, 01$ В; на обрыве она снова удваивается: $U (3 T) = 4, 71 - 2, 02 = 2, 69$ В. Этот провал может опуститься ниже порога приёмника и дать ложный перепад. Дальше колебания затухают к 3,3 В. Лекарство — нагрузка $Z_{0}$ на конце (тогда отражения нет) или резистор $75 - 30 = 45$ Ом последовательно с выходом: при $R_{и} + R = Z_{0}$ коэффициент $Γ_{и} = 0$ , на конец приходит удвоенная половина — ровно 3,3 В, а отражение гасится у источника.

Упражнение 9.2.6

У сигнала на плате фронт 2 нс, дорожка проходит по внешнему слою, и эффективная диэлектрическая проницаемость равна 3,6. С какой длины эту дорожку нужно считать длинной линией (правило $l_{кр} = v t_{ф} /6$ )?

l_кр =см

Решение

$v = c / 3, 6 = 30/1, 897 = 15, 8$ см/нс; $l_{кр} = 15, 8 \cdot 2/6 = 5, 3$ см. Дорожки к разъёму или через всю плату заведомо длиннее — для них надо думать о согласовании. При фронте 6 нс (HC) та же дорожка стала бы «короткой» вплоть до 16 см.

Упражнение 9.2.7

Конец линии нагрузили цепочкой 100 Ом + 220 пФ. Фронт сигнала 3 нс. Каково сопротивление конденсатора на частоте $1/ t_{ф}$ ?

X_C =Ом

Решение

$f = 1/3 нс = 333$ МГц; $X_{C} = 1/2 π f C = 1/ (2 π \cdot 3, 33 \cdot 1 0^{8} \cdot 2, 2 \cdot 1 0^{- 10}) = 2, 2$ Ом — ничтожно по сравнению со 100 Ом. Для фронта нагрузка практически чисто активная, равная $Z_{0}$ , а постоянного тока через неё нет. Расплата — энергия $C U^{2}$ за каждый период переключений, так что слишком большую ёмкость ставить не стоит.

9.2.4Кабельные связи

≈ 23 мин7 упр.

Главное

RS-232: двуполярные уровни от ±5 до ±15 В, «единица» — минус, фронты не круче 30 В/мкс; медленно и недалеко, зато просто.
Обычными логическими уровнями можно передавать на средние расстояния (около 3 м) — через шинные формирователи и приёмники с триггером Шмитта.
Дифференциальная передача (RS-422/485) вычитает синфазные помехи: до 10 Мбит/с, а произведение «длина × скорость» примерно постоянно (1200 м при 100 кбит/с).
Коаксиал даёт точно известное $Z_{0}$ (50–75 Ом), оптоволокно — полную развязку и нечувствительность к наводкам.

Соединить два прибора одиночным проводом и общей «землёй» — самый короткий путь к сбоям: провода длинные, рядом идут другие кабели, а «земли» приборов связаны через сетевую проводку и расходятся на вольты. Поэтому между приборами используют специальные кабели:

коаксиальные;
витые (скрученные) пары;
плоские ленточные, иногда с земляным слоем или экраном;
многожильные;
и всё шире — оптическое волокно.

Почти для каждого вида кабеля выпускаются готовые микросхемы-формирователи и приёмники. Разберём основные способы — от самого простого и медленного к быстрым и дальним.

RS-232: старый знакомый

Тот самый «COM-порт»: для неспешной передачи (тысячи бит в секунду) по многожильному кабелю десятилетиями применялся стандарт RS-232C (позже — RS-232D). Его отличительные черты:

уровни двуполярные, от ±5 до ±15 В: формирователю нужны и плюс, и минус питания, приёмнику — обычно нет;
логика инверсная: «1» (mark) передаётся отрицательным напряжением, «0» (space) — положительным;
у приёмников можно подстроить гистерезис и время реакции под конкретную помеховую обстановку;
скорость нарастания на выходе формирователя нарочно ограничена 30 В/мкс — чтобы меньше наводить на соседние жилы; благодаря этому подходит неэкранированный многожильный кабель.

Классические микросхемы — счетверённые формирователи 1488 и приёмники 1489; есть экономичные (LT1032, LT1039, MC145406) и с единственным питанием +5 В (MAX232, LT1130, LT1080) — минус для линии они вырабатывают встроенным преобразователем напряжения. RS-232 соединял компьютеры, терминалы, модемы и приборы на стандартных скоростях от 110 до 38 400 бит/с; стандарт расписывает даже назначение выводов 25-контактного разъёма типа D. Передают по нему, как правило, символы в коде ASCII.

±5…±15 Вуровни RS-232

30 В/мкспредел крутизны фронта

110–38 400бит/с — стандартные скорости

≈ 1 Вгистерезис приёмника 1489

12345

Канал RS-232: формирователь с одним питанием +5 В, приёмник с гистерезисом около 1 В

Что здесь что (5)

Формирователь MAX232. инвертирует и сдвигает уровни: «1» ТТЛ превращается примерно в −8 В; ±8 В вырабатывает встроенный преобразователь
Линия RS-232. неэкранированный многожильный кабель; фронты не круче 30 В/мкс
Приёмник 1489. возвращает ±8 В к уровням ТТЛ; гистерезис около 1 В
Уровни на линии. ±8 В — с большим запасом до порогов
Пороги входа. около 1 и 2 В: помехи в пределах ±3 В не страшны

Логические уровни прямо в кабель

На средние расстояния линией, как и шиной, можно управлять прямо логическими уровнями — обычно через элементы с большим выходным током (шинные формирователи). Три варианта приёмной стороны показаны ниже:

буфер (можно с открытым коллектором) работает на линию с делителем на конце, а принимает сигнал ТТЛ-триггер Шмитта — гистерезис добавляет помехоустойчивости;
если помехи сильные, перед триггером Шмитта ставят замедляющую RC-цепь; её постоянную времени — а значит, и предельную скорость передачи — подбирают под обстановку; триггер Шмитта здесь обязателен;
мощный КМОП-буфер (±24 мА) работает на линию с RC-нагрузкой, а принимает КМОП-триггер Шмитта с гистерезисом около 1 В при питании 5 В.

123

Что здесь что (3)

Буфер. шинный формирователь, допустим открытый коллектор
Делитель 220/330 Ом. нагрузка конца линии около 130 Ом, «1» около +3 В
ТТЛ-триггер Шмитта 7414. гистерезис защищает от помех на линии

1234

Что здесь что (4)

Делитель $R_{1} R_{2}$ . согласует конец линии
R. вместе с $C_{1}$ — замедляющая цепь: срезает короткие помехи, а заодно и предельную скорость
$C_{1}$ = 470 пФ. постоянную времени подбирают под помеховую обстановку
Триггер Шмитта. обязателен: после RC-цепи фронт пологий

123

Что здесь что (3)

Буфер 74AC244. мощная КМОП: ±24 мА, размах от 0 до 5 В
RC-нагрузка 110 Ом + 150 пФ. согласует линию для фронтов, в покое тока не берёт
КМОП-триггер Шмитта 74HC14. гистерезис около 1 В при 5 В

Такая передача уверенно работает по витой паре, плоскому или коаксиальному кабелю длиной около трёх метров. Фронты быстрые, поэтому главная забота — ёмкостная связь с соседними жилами. Её ослабляют, чередуя сигнальные жилы с земляными или скручивая каждую сигнальную жилу в пару со своей земляной.

В обычном многожильном кабеле, где жилы лежат вплотную без всякого порядка, взаимные наводки делают прямую передачу логическими уровнями практически невозможной. Тут нужен другой подход — дифференциальный; к нему мы скоро перейдём.

Не подключайте длинную линию прямо к выходу небуферированного тактируемого элемента — триггера, одновибратора, счётчика, некоторых сдвиговых регистров. Ёмкость кабеля и отражённые волны возвращаются на выход, который внутри микросхемы участвует в обратной связи, и могут сбить её состояние. У «буферированных» микросхем между внутренними регистрами и выводами стоят отдельные выходные каскады, и искажения на линии до регистров не доходят.

Больше размах — больше запас

Самый прямолинейный способ поднять помехоустойчивость несимметричной линии — увеличить размах сигнала. Например, КМОП-буфер 4050 с питанием 12 В даёт в витую пару перепад почти 12 В. На приёмной стороне — компаратор с порогом посередине и гистерезисом:

делитель 15 кОм / 10 кОм от +12 В задаёт порог около 4,8 В;
резистор 27 кОм с выхода компаратора на этот же вход создаёт гистерезис около 0,9 В;
резистор 120 Ом на конце пары согласует её волновое сопротивление.

Помеха должна быть в несколько вольт, чтобы такой линии что-то сделать, — но и фронты в 12 В сильнее наводят помехи на соседние линии.

123456

Несимметричная линия с размахом 12 В: компаратор с порогом около 4,8 В и гистерезисом около 0,9 В

Что здесь что (6)

Формирователь 4050 при 12 В. размах почти 12 В — помехоустойчивость за счёт амплитуды
Витая пара. волновое сопротивление около 120 Ом
Нагрузка 120 Ом. равна $Z_{0}$ — отражений нет
Делитель 15 кОм / 10 кОм. от +12 В задаёт порог $12 \cdot 10/25 = 4, 8$ В
Резистор 27 кОм. положительная ОС с выхода: гистерезис около 0,9 В
Компаратор LM393. сигнал — на инвертирующий вход, поэтому выход инверсный; подвеска 2,2 кОм к +5 В даёт ТТЛ-уровни

Пологие фронты

Ёмкостную связь с соседними линиями можно ослабить и с другой стороны — замедлить фронты. National Semiconductor выпускала формирователи и приёмники (DS3662, DS3890) с управляемой длительностью фронта передатчика и временем реакции приёмника; по сути это тот же приём, что RC-цепь перед триггером Шмитта во втором варианте выше, только встроенный в микросхему.

Дифференциальная передача

Настоящий выигрыш в помехоустойчивости даёт дифференциальная передача. В витую пару подают одновременно прямой сигнал $Q$ и инверсный $\overset{ˉ}{Q}$ , а на другом конце стоит приёмник, реагирующий только на разность напряжений проводов. Любая наводка — от силового кабеля, от сдвига земель — ложится на оба провода пары почти одинаково, то есть синфазно, и при вычитании пропадает.

Для этой схемы удобны готовые микросхемы стандарта RS-422: формирователь 26LS31 выдаёт сразу прямой и инверсный выходы, приёмник 26LS32 восстанавливает чистые ТТЛ-уровни даже из сигнала, который на осциллографе выглядит пугающе (лишь бы он был монотонным, без обратных выбросов через порог). На конце пары — резистор, равный её волновому сопротивлению, около 120 Ом. Биполярные формирователи и приёмники здесь предпочтительнее чисто КМОП-вариантов: они меньше боятся статики и защёлкивания от отражённых волн.

Совет. Для спокойной жизни берите приёмник с гистерезисом, а лучше ещё и с настраиваемым временем реакции: такие приёмники и созданы для того, чтобы разбираться с самыми странными сигналами на длинных линиях.

12345

Дифференциальный канал RS-422: прямой и инверсный сигналы в витой паре, нагрузка 120 Ом и приёмник разности

Что здесь что (5)

Инверсный выход: $\overset{ˉ}{Q}$ . один провод пары
Прямой выход: $Q$ . второй провод пары
Витая пара. наводка ложится на оба провода почти одинаково — синфазно
Нагрузка 120 Ом. равна волновому сопротивлению пары: отражений нет
Приёмник 26LS32. видит только разность — синфазная помеха вычитается

Токовые формирователи

Есть и формирователи, у которых выход — переключаемый сток тока (75S110, MC3453). Их применяют и для однопроводной, и для дифференциальной передачи:

формирователь направляет ток своего источника то в один провод пары, то в другой, а нагрузочные резисторы к +5 В на конце превращают его в разность напряжений;
на приёмной стороне ставят дифференциальный приёмник (например, сдвоенный 75107) с согласующей нагрузкой;
на одну линию могут работать несколько формирователей по очереди: неактивные отключаются в третье состояние. Тогда нагрузку у передатчиков не ставят, а переносят на дальний от приёмника конец линии. Тот же принцип «много передатчиков на одной паре» лежит в основе стандарта RS-485.

Токовые дифференциальные формирователи славятся высокой скоростью. Объяснение простое: выход — источник тока с высоким внутренним сопротивлением, и в любом состоянии кабель «видит» только согласующую нагрузку на конце. По справочным данным — больше 1 Мбит/с на 500 м и до 10 Мбит/с на десятках метров. Насколько хорошо такая линия отделяет сигнал от помехи, видно на графике рядом: сигнал размахом 100 мВ сидит на синфазной помехе размахом 3 В, а приёмник выдаёт чистые уровни.

1234

Токовая дифференциальная передача (упрощённо)

Что здесь что (4)

Переключаемые стоки тока. ток идёт то по одному проводу пары, то по другому
Витая пара. выход высокоомный, поэтому кабель в любом состоянии видит только нагрузку на конце
Резисторы 62 Ом к +5 В. превращают ток в разность напряжений
Логический вход. управляет переключением тока

Сигнал 100 мВ на фоне синфазной помехи 3 В: приёмник разности выделяет его без ошибок

Стандарты RS-422, RS-423 и RS-485

RS-422/423 задумывался как преемник RS-232 и рассчитан прежде всего на витые пары и плоский кабель. У него два режима:

RS-232 и два режима RS-422/423

	RS-232	RS-423 (несимметричный)	RS-422 (симметричный)
Скорость	до 38,4 кбит/с (стандартные значения)	до 100 кбит/с	до 10 Мбит/с
Уровни	±5…±15 В	двуполярные, от источников ±5 В	однополярные ТТЛ-уровни, одно питание +5 В
Крутизна фронтов	не больше 30 В/мкс	ограничена, как в RS-232	не ограничена
Провода	по одному на сигнал плюс общая земля	по одному на сигнал плюс общая земля	витая пара на каждый сигнал

Чем длиннее кабель, тем ниже допустимая скорость (график ниже). На коротком кабеле предел ставят сами формирователи, на длинном — затухание и «размывание» фронтов в кабеле, и произведение «длина × скорость» получается примерно постоянным. Распространённые микросхемы — серия 26LS30–34 (AMD и многие производители-аналоги); более поздние 75ALS192/194 и DS34F30/80 быстрее и экономичнее. RS-485 — развитие RS-422 для линий, на которых передатчиков несколько: те же дифференциальные уровни, но формирователи умеют уходить в третье состояние, а приёмники допускают синфазное напряжение от −7 до +12 В.

Допустимая длина кабеля в зависимости от скорости передачи для трёх стандартов

Пример: сеть датчиков в теплице

Представим тепличный комплекс: двенадцать контроллеров с датчиками температуры и влажности расставлены вдоль корпусов на 400 м, рядом идут кабели насосов и вентиляторов с частотными преобразователями. Все контроллеры опрашиваются с центрального компьютера.

Шина RS-485: один кабель на весь объект

Компьютер

Одна витая пара, 400 м

Смещение линии

12 контроллеров

Расчёт простой: по графику 400 м допускают больше 300 кбит/с, так что 19,2 кбит/с — с огромным запасом, и линия устойчива к любой сырости и помехам от приводов. Из этого примера видно, почему дифференциальная передача — выбор по умолчанию там, где важна надёжность: за счёт взаимной компенсации пара и сама почти не излучает (меньше перекрёстных помех соседям), и почти не принимает наводок. Витая пара здесь лучше плоского кабеля.

Сравним с несимметричной передачей на практике:

Несимметричная и дифференциальная линия

	Логические уровни напрямую	Дифференциально (RS-422/485)
Дальность	около 3 м, дальше начинаются сбои	сотни метров и больше
Что помогает	нагрузка на конце, плоский кабель с общей земляной плоскостью	нагрузка $Z_{0}$ на конце, витая пара
Роль скрутки	почти никакой: обратный ток всё равно течёт по общей земле	решающая: наводки синфазны и вычитаются
Наводки на соседей	заметные	малые — поля проводов пары компенсируются

Синфазный диапазон

Приёмник разности работает, только пока напряжения на обоих входах остаются в допустимом синфазном диапазоне — обычно в несколько вольт (у 75108, например, ±3 В). На длинной линии этот диапазон может быть превышен — и высокочастотной синфазной наводкой, и медленной разностью потенциалов земель. Средства такие:

резистивные делители на входе приёмника или приёмник со встроенным аттенюатором (26LS33 — синфазный диапазон ±15 В);
на очень длинных кабелях и при очень сильных помехах — трансформаторная связь. Постоянную составляющую трансформатор не пропускает, поэтому данные приходится кодировать (например, модулировать ими несущую) — так устроены локальные сети.

Последовательный канал «под ключ»

Логичный следующий шаг — спрятать всё внутрь микросхем. Набор TAXI фирмы AMD (передатчик Am7968 и приёмник Am7969) делает дифференциальную линию похожей для пользователя на обычный параллельный регистр: байт записали на одном конце — он появился на другом.

Путь байта через TAXI

Защёлкапередатчик принимает 8 разрядов со стробом и квитированием
Сериализацияпревращает байты в последовательный поток и добавляет биты синхронизации
Линияпровода, витые пары, коаксиал, трансформатор или даже оптоволокно
Приёмприёмник с ФАПЧ восстанавливает такт и выдаёт байты на другом конце

32–100Мбит/с

+5 Водно питание

50 Омвстроенные формирователи и приёмники

Параллельный байт «через провод»: сериализатор, линия, десериализатор с ФАПЧ

Сегодня та же идея живёт в микросхемах-сериализаторах с дифференциальными выходами LVDS и в интерфейсах вроде USB и Ethernet: внутри — сдвиговые регистры, кодирование и восстановление такта, снаружи — одна-две витые пары.

Коаксиальный кабель

Коаксиал устроен так, что поле сигнала заперто между жилой и оплёткой: внешние поля в него почти не проникают. А поскольку размеры кабеля строго выдержаны по всей длине (чего не скажешь о жгутах и самодельных скрутках), его волновое сопротивление известно точно. Именно поэтому аналоговые радиочастотные сигналы передают только по коаксиалу.

Для цифровых сигналов существуют пары «формирователь — приёмник», рассчитанные на коаксиал. Пример ниже: кабель нагружен на своё волновое сопротивление (51 Ом), формирователь 8T23 работает прямо на 50-омную нагрузку, у приёмника 8T24 фиксированный гистерезис и быстрый выход. Скорость — 100 кбит/с на 1,6 км и до 20 Мбит/с на коротких линиях.

Другие пары есть в семействах 8Txx и 75xxx; 74F3037 (четыре канала) и 74F30244 (восемь) рассчитаны на линии с сопротивлением ниже 30 Ом — например, на кабель, нагруженный с обоих концов.
Для 50-омного кабеля выбирайте приёмники, у которых это прямо оговорено: уровни на нагруженном кабеле могут оказаться ниже обычных логических.
В ЭСЛ есть пары для 50-омных линий (10128/10129) и замечательный приёмопередатчик 10194: две такие микросхемы на концах одного кабеля одновременно передают и принимают (дуплекс), асинхронно и без взаимных помех, на частотах 100 МГц и выше.

Если же кабель нужно раскачать от 5-вольтовой логики подручными средствами, хватит одного n-p-n-повторителя (схема ниже). Транзистор нужен с большим усилением при большом токе ( $h_{21 Э} > 100$ при сотне миллиампер), а небольшой резистор в коллекторе ограничивает ток при замыкании кабеля. По сравнению со специализированными микросхемами — предельно просто.

Ловушка. Выход типа «открытый эмиттер» обязательно нагружают на землю небольшим сопротивлением — без этого фронт спада будет затянутым. То же относится к некоторым интегральным формирователям.

Специализированная пара для 50-омного коаксиала

12345

Простейший формирователь для коаксиала: повторитель на одном транзисторе

Что здесь что (5)

Инвертор 74HC04. даёт в базу около половины миллиампера — для него это пустяк
Повторитель 2N2222. $h_{21 Э}$ больше 100 при больших токах; выход — «открытый эмиттер»
Резистор 22 Ом. ограничивает ток при замыкании кабеля
Кабель 75 Ом. волновое сопротивление точно известно
Нагрузка 75 Ом. согласует кабель и одновременно служит эмиттерной нагрузкой

Оптоволокно

Самый перспективный способ передачи — оптическое волокно: кабели в прочной пластиковой оболочке с подходящими к ним разъёмами, излучателями и приёмниками. Качественное волокно передаёт полосу в несколько гигагерц на десятки и сотни километров при потерях в доли децибела на километр. Чем оно лучше металла:

в коаксиале скорость распространения и затухание зависят от частоты (дисперсия), и сигнал искажается; у волокна дисперсия незначительна;
волокно — диэлектрик: им можно соединять приборы с разными землями и под разными потенциалами;
оно не работает антенной и не ловит ни радиопомех, ни импульсных наводок;
оно легче, безопаснее и долговечнее медного кабеля и в перспективе дешевле.

Волокна различаются ценой и «производительностью» — произведением дальности на полосу:

Виды оптического волокна

	Пластиковое ступенчатое (1 мм)	Стеклянное ступенчатое	Стеклянное градиентное	Одномодовое
Качество	самое дешёвое	хорошее	лучше	лучшее
Излучатель / приёмник	ИК-светодиод (не лазер); фототранзистор или p-i-n-диод	стандартные компоненты	—	лазер
Пример	набор MFOE71/MFOD71–73 (меньше доллара): 5 Мбит/с на 10 м	200 мкм: 5 Мбит/с на 1 км	—	4 ГГц на 120 км без повторителей (рекорд конца 1980-х)

Дешевле всего многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления — обычно пластиковое, диаметром 1 мм. Источник — ИК-светодиод (не лазер), приёмник — фототранзистор или p-i-n-диод. Например, недорогие излучатели и приёмники Motorola серии MFOE71/MFOD71–73 надеваются прямо на кабель и передают 5 Мбит/с по 10 м пластикового волокна (схема ниже).

Лучшие кабели стеклянные: многомодовые со ступенчатым профилем, многомодовые с плавным (градиентным) профилем — лучше, и одномодовые — лучшие. Со стеклянным ступенчатым волокном 200 мкм и стандартными компонентами (разъёмы, ответвители, разветвители, приёмники со встроенными усилителями) получают 5 Мбит/с на километр. Уже в конце 1980-х рекорд дальней широкополосной связи составлял 4 ГГц на 120 км без промежуточных усилителей.

12345

Короткая оптическая линия: ИК-светодиод, пластиковое волокно, фотодиод с усилителем и компаратором (упрощённо)

Что здесь что (5)

Формирователь 75452. принимает ток ИК-светодиода
ИК-светодиод MFOE71. надевается прямо на кабель; ток задаёт резистор 47 Ом
Пластиковое волокно. до 10 м при 5 Мбит/с; диэлектрик и не антенна
Фотодиод MFOD71. его ток пропорционален свету
Усилитель и компаратор. восстанавливают уровень ТТЛ

Упражнение 9.2.8

В линии с размахом 12 В (схема выше) порог компаратора задан делителем 15 кОм от +12 В и 10 кОм на землю, а резистор 27 кОм с выхода (размах 0…5 В) создаёт гистерезис. Найдите верхний и нижний пороги и ширину гистерезиса.

U_пор верх. =ВU_пор нижн. =ВΔU =В

Решение

Делитель заменим эквивалентным источником: $12 \cdot 10/25 = 4, 8$ В через $15 ∥ 10 = 6$ кОм. Напряжение на неинвертирующем входе $U = \frac{4 , 8 \cdot 27 + U _{вых} \cdot 6}{27 + 6}$ . При $U_{вых} = 5$ В получаем $(129, 6 + 30) /33 = 4, 84$ В, при $U_{вых} = 0$ — $129, 6/33 = 3, 93$ В. Гистерезис $5 \cdot 6/33 = 0, 91$ В: наводка меньше 0,9 В лишнего переключения не вызовет, а полезный перепад в 12 В проходит пороги с огромным запасом.

Упражнение 9.2.9

Формирователь RS-232 ограничивает крутизну фронта 20 В/мкс. Пусть требуется, чтобы сигнал проходил переходную область от −3 до +3 В не дольше 3 % длительности бита. Сколько длится переход и какова наибольшая скорость передачи?

t =мксскорость =кбит/с

Решение

$t = 6 В /20 В / мкс = 0, 3$ мкс; бит должен длиться не меньше $0, 3/0, 03 = 10$ мкс, то есть скорость — не больше 100 кбит/с. На длинном кабеле реальный предел ещё ниже: стандарт ограничивает ёмкость нагрузки (2500 пФ), и с ростом длины фронты затягиваются (см. график длины от скорости).

Упражнение 9.2.10

Для RS-422 произведение «длина × скорость» на длинных кабелях примерно постоянно: 1200 м при 100 кбит/с. Оцените наибольшую скорость на кабеле 400 м между цехом и диспетчерской.

скорость =кбит/с

Решение

$L \cdot v \approx 1, 22 \cdot 1 0^{8}$ м·бит/с (по графику), $v \approx 1, 22 \cdot 1 0^{8} /400 \approx 3 \cdot 1 0^{5}$ бит/с, около 300 кбит/с. Скорость на длинном кабеле ограничивают затухание и размывание фронтов, растущие с длиной; обратная пропорциональность на графике — их упрощённое описание, вполне пригодное для оценки.

Упражнение 9.2.11

В простом формирователе для коаксиала (схема выше) выход 74HC04 в «единице» даёт 4,6 В, $U_{БЭ} = 0, 7$ В, кабель нагружен на 75 Ом. Найдите ток нагрузки и базовый ток при $h_{21 Э} = 100$ . Каким будет ток при замыкании кабеля, если его ограничивает резистор 22 Ом ( $U_{КЭ нас} \approx 0, 2$ В)?

I_н =мАI_Б =мАI_КЗ =мА

Решение

Эмиттер стоит на $4, 6 - 0, 7 = 3, 9$ В, ток в нагрузку $3, 9/75 = 52$ мА; базовый ток $52/101 \approx 0, 515$ мА — выход HC отдаст его, почти не просев. При замыкании транзистор насыщается, и ток ограничивает только коллекторный резистор: $(5 - 0, 2) /22 \approx 218$ мА. Короткое время транзистор это выдержит; без резистора ток упёрся бы лишь в $h_{21 Э} I_{Б}$ и сопротивление шины питания.

Упражнение 9.2.12

Приёмник RS-485 ослабляет синфазный сигнал на 54 дБ. На линии — синфазная помеха размахом 3 В от частотного привода и полезный сигнал 100 мВ. Каков эквивалентный дифференциальный остаток помехи и во сколько раз сигнал его превышает?

U_ост =мВотношение =

Решение

54 дБ — это $1 0^{54/20} \approx 501$ раз: $3 В /501 \approx 6, 0$ мВ. Сигнал больше в $100/6, 0 \approx 16, 7$ раза — приём уверенный, а гистерезис приёмника (десятки милливольт) не даст остатку вызвать переключения. При несимметричной передаче та же помеха была бы в 30 раз больше сигнала.

Упражнение 9.2.13

Пластиковое волокно имеет затухание 0,25 дБ/м. Излучатель вводит в волокно −8 дБм, приёмник чувствует от −27 дБм, разъёмы вместе съедают 3 дБ, а на старение и нагрев нужен запас 4 дБ. Какой может быть наибольшая длина линии?

L =м

Решение

Энергетический бюджет $- 8 - (- 27) = 19$ дБ. За вычетом разъёмов и запаса на волокно остаётся $19 - 3 - 4 = 12$ дБ, и $L = 12/0, 25 = 48$ м. Стеклянное волокно с затуханием около 3 дБ/км при том же бюджете дало бы километры — там ограничивать начнёт уже дисперсия, то есть полоса.

Упражнение 9.2.14 задача

Инкрементальный энкодер на шпинделе станка выдаёт три сигнала — A, B и индекс — с частотой до 500 кГц. Их нужно довести до стойки ЧПУ в 25 м, кабель проходит рядом с силовыми кабелями частотных приводов, а «земли» станка и стойки могут различаться на несколько вольт. Выберите способ передачи и объясните, чем плохи альтернативы.

Решение

Логические уровни напрямую не годятся: 25 м — далеко за пределами трёх метров, наводки от приводов и сдвиг земель в несколько вольт перекроют запас 0,4–0,8 В. RS-232 тоже: при крутизне 30 В/мкс и ёмкости 25-метрового кабеля 500 кГц не получить, да и несимметричная линия боится сдвига земель. RS-422 — то, что нужно и что стало стандартом для энкодеров: на каждый сигнал своя витая пара (лучше в общем экране), формирователь 26LS31 на станке, на стороне ЧПУ — нагрузка 120 Ом на конце каждой пары и приёмники 26LS32/33. По графику длины от скорости 25 м допускают мегабиты в секунду — запас большой. Сдвиг земель для приёмника — синфазный сигнал, и 26LS33 терпит его до ±15 В; витые пары почти не принимают наводок от приводов. Общий провод (не силовая земля, а отдельная жила кабеля) всё же нужен, чтобы синфазное напряжение не уходило за пределы диапазона. Если разность земель может быть больше или требуется полная гальваническая развязка, после приёмников ставят быстрые логические оптроны (6N137) или переходят на оптоволокно — оно вообще снимает вопрос земель и наводок.