Й.Янсен Курс цифровой электроники. Том 1. Основы цифровой электроники на ИС (1987), страница 47

5.29 показана импульсная схема, к которой присоединена короткая сигнальная линия, представленная в виде 296 Глава 5 последовательно включенных й и С, Такой последова~ельный контур является хорошей моделью сигнальной линии, нагруженной на паразитную емкость, основную часть которой составляет входная емкость присоединенной схемы. Связь между осцилляциями и отражениями является впол. не очевидной, как следует из временных диаграмм, однако сильная зависимость импеданса последовательного резонансного контура от частоты означает, что частота выбросов и провалов должна совпадать с частотой резонанса.

Передний и задний фронты импульса на входе последовательного контура обычно имеют большую крутизну, так как ЕС-контур ведет себя на частотах, отличных от ~р„, как элемент с высоким импедансом, благодаря чему амплитуда импульса на входе ЕС-цепочки не уменьшается по сравнению с исходной величиной Ув. Однако на выходе ЕС-цепочки эти частоты подавляются, в результате чего фронты становятся более пологими.

На вершине и пьедестале импульса возникают затухающие колебания с частотой, равной г„,. Осцилляции можно подавлять, уменьшая добротность Я паразитного контура за счет применения скрученных пар и обратных шин, располагаемых параллельно сигнальным шинам на печатной плате. Обратные шины могут быть выполнены в виде параллельных линий, соединенных с логической землей. При размещении обратной шины вдоль сигнальной линии уменьшается индуктивность линии и увеличивается емкость. Из формулы Лл=~ЦС следует, что волновое сопротивление такой линии уменьшается по сравнению с л,л для отдельного проводника. Уменьшается также добротность, а вместе с ней и величина выброса. Ясно, что нельзя допускать, чтобы амплитуда осцилляций превышала пороговые значения логических уровней напряжения и могли происходить переключения логических схем, присоединенных к соответствующей сигнальной линии. Мы уже говорили выше, что вероятность возбуждения осцилляций в линии связи возрастает с ростом крутизны фронта сигнала.

Поэтому осцилляции доставляют много забот там, где применяются быстрые логические ТТЛШ- и усовершенствованные ТТЛШ-семейства. Осцилляции менее заметны в ТТЛ- и маломощных ТТЛШ- схемах; поэтому в них обычно не требуются какие-то специальные меры для их устранения. В логических схемах общего типа с применением КМОП-элементов осцилляции не наблюдаются вообще. В ТТЛ- и маломощных ТТЛШ-схемах они не создают проблем, если длина сигнальной линии не превышает -25 см.

Собственная частота колебаний линий связи длиной (25 см слишком высока, чтобы возбуждались паразитные колебания на фронтах с крутизной, характерной для ТТЛ- и маломощных Рекомендации по рааработке и монтажу логических схем ТТЛШ-схем. Гармоники с частотой, равной собственной частоте линии, в импульсном сигнале не наблюдаются. Существует еще одна возможность уменьшения добротности — использование ферритовой шайбы, включенной в сигнальную линию (рис. 5.30). Подобная ферритовая шайба из материала с высокими потерями обеспечивает затухание, в результате которого осцилляции исчезают.

Часто с помощью феррито- без етейеа| Ю геаййай Рис 5.30. Ограничение осцилляций с помощью ферритоаой шайбы. вой шайбы можно полностью устранить осцилляции. Проблему осцилляций можно всегда решить, регулируя режим запуска логических схем, т. е. используя полезный сигнал после того, как процессы в линии передачи полностью завершатся.

Конечно, это приводит к дополнительной задержке и может повлиять на скорость обработки данных, т. е. на скорость работы системы в целом. Последнее противоречит нашему стремлению к увеличению скорости обработки данных при использовании быстрой логики. Если мы хотим максимально выгодно применять быструю логику, нам придется оптимизировать и монтаж. 5.7. Передача сигналов на большие расстояния Для передачи сигналов на расстояния более 6 м применяются специальные линейные передатчики и приемники. Известны симметричные и несимметричные линии связи. Электрические спецификации для таких линий большой длины составлены Ассоциацией промышленных электронных фирм в виде стандартов Ю423 и гс5422. Симметричные линии используются на максимальных расстояниях до 1200 и, особенно в тех случаях, ког- 298 Глава б 'неоиипевригнон нинин вонзи Рис. 3.3!.

Несимметричная линия связи по стандарту К8423 Оиннептригнон нинин ебези Рг-Сапротпибпение погрязни Рис. 3.32. Симметричная линия связи по стандарту КЯ422. да внешние наводки из-за наличия емкостных и индуктивных связей могут влиять на передачу сигналов. При передаче данных, где такие помехи не столь существенны, в основном применяются несимметричные линии, Однако и для этих линий максимальная длина по стандарту Г45423 составляет 1200 м.

Несимметричные сигнальные линии более чувствительны к наводкам, чем симметричные линии, за счет связей в линии передачи. Они применимы до частот 100 кГц, а симметричные— до 1О МГц. На рис. 5.31 показана несимметричная сигнальная линия, а на рис. 5.32 — симметричная линия. В обеих линиях используется один приемник с дифференциальным входом, предназначенным для исключения общей для двух линий составляющей шума, т.

е. помех с одинаковыми фазой и амплитудой на сигнальной и обратной шинах. В обеих линиях связи общая шина заземления не используется в качестве обратной шины, поэтому перекрестные помехи в них не играют роли. Рекомендации ло разработке и монтажу лоеическик сеем 299 Что касается передатчика, то в несимметричной линии используется управляющая схема с одним оконечным выходом, а в симметричной — выходная схема, вырабатывающая два симметричных сигнала в противофазе. Согласно стандартам й3422 и К8423, нагрузка линии может быть произвольной. При передаче данных с низкой скоростью, когда крутизна фронта не Рис.

5.33. Влияние сопротивления нагрузки мг на форму сигнала на входе приемника. с — л,-зк,; о — я,-г,; е — л,<к,. критична и случайное превышение порогов за счет отражений не оказывает влияния на переключение схем, линию можно не нагружать. Для большинства передающих и приемных схем линию связи можно нагрузить достаточно большим сопротивлением й„ что почти не приводит к отражениям. Наоборот, небольшое сопротивление й„влияет на параметры сигнала. Из приведенных на рис. 5.33 осциллограмм видно влияние сопротивления нагрузки йг Яг=йе) на форму сигнала на входе приемника.

В данном случае была исследована линия связи длиной 30 м, к которой подключались передатчики типа 9638 и приемники .типа 9637А фирмы га1гспйб. Из осциллограмм следует, что если йг=22а, сигнал на выходе линии передачи почти не изменяется. Виден только эффект Глава й Рнс. 5.34. Влияние длины линии связи со скрученной парой на форму сигнала на входе приемника. Осцлллограммы а и в — для анода передатчика тяпа 9638 !2 В/см]; асцмллограммы Ф м а-для диФференциального анода првемннка типа 9637А !3 В/см!; каждое дслснпв сетки по горнаонталм соответствует 2 мкс/см. Испольвованы передатчик н прнемншс Фврмы Га!гснпд.

Спгнальная ванна нагружена пв на волновое сопратнвлевне, что особенна важна псн большой данае кабеля. Длинна кабелей в случаях а. б. в и а равны !О, 300, 600 н !200 м соответственно. отражения высокочастотных компонент импульсного сигнала.

Видно, что отражения с более низкой частотой подавлены, так как для таких частот ситуация неотличима от случая усу=2». Кроме того, виден небольшой выброс, который, вероятно, связан с действием индуктивности в месте ввода линии в приемник, Этот небольшой выброс исчезает при Ну=2». В таком режиме заметно даже ослабление высокочастотных компонент за счет потерь в соединительном кабеле. Это ослабление проявляется и при Ну=22», однако здесь оно скомпенсировано за счет падения напряжения на упоминавшейся выше индуктивности ввода в приемник. Бслн линия нагружена на Яу, меньшее 2», возникает отрицательный отраженный импульс напряжения, который возвращается к передатчику. Об этом свидетельствуют искажения первой ступеньки, которые отчетливо видны на осциллограмме.

Рекомендации ио разработке и монтажу логических схсм а' тп» Ш» Ю» стала»»ге педедагц белие. Отраженная волна напряжения снова преобразуется у передатчика в положительную волну, которая по истечении времени". 2т достигает конца линии, где устанавливается напряжение отсечки 8 В. Тот факт, что отсечка происходит на вершине импульса, следует также из разной формы переднего и заднего фронтов, показанных на рис. 5.33,в. Отсечка происходит и на низком уровне, так как на этом уровне искажения за счет отражений почти незаметны. Из осциллограмм следует, что если применить теорию отражений, рассмотренную в предыдуших разделах, то можно прийти к выводу о том, что со стороны передатчика линия возбуждается через сопротивление )х,(ЛЫ !ЛУО Качество переданного сигнала зависит также от длины сигнальной линии. По мере увеличения длины кабеля растет время, необходимое для достижения конечной величины стационарного уровня напряжения.

Если соответствующие задержки учтены, этот эффект не приводит к затруднениям. Однако может случиться Рнс 5.35. зависимость скорости передачи данных от длины кабеля для несимметтак, что пРи ВысОкой скоро- ричной сигнальной линии из скрученного сти передачи данных ста. проводника диаметром 0,5 мм. (Стаиционарное значение за вре- дарт к5423 ) мя, равное длительности импульса, не достигается (рис. 5.34). На рис. 5.34 сравниваются входные и выходные сигналы для кабельных линий разной длины.

Отчетливо видно, что при удлинении кабеля растет время, необходимое для достижения стационарного значения. При длине линии 1200 м время установления стационарного состояния превышает длительность импульса. За время, которое требуется сигналу и отраженным волнам, чтобы пройти линию, в результате чего на ее выходе устанавливается стационарное значение, передатчик, очевидно, уже возвращается в исходное состояние. За счет лучшего согласования линии на входе и выходе можно уменьшить время, которое требуется для установления на выходе линии стационарного уровня напряжения. Наиболее эффективным средством является согласованная нагрузка на конце линии.