10. Передача сигналов по линиям связи.

Особенное значение имеют электрические цепи, по которым передаются сигналы как между входами и выходами микросхем на печатной плате, так и между различными устройствами ЭВМ, находящимися на разных платах и в разных корпусах.

Такие электрические цепи будем называть линиями связи. Большинство линий связи относятся к несимметричным.

1. Несимметричные линии связи.

На рис.105 показаны разновидности несимметричных линий связи: а — одиночный проводник, б — витая пара, в — коаксиальный кабель

.

Рис.105. Несимметричные линии связи.

Одиночный проводник — обычная линия связи, широко используемая на печатных платах, выход передатчика и вход приемника связываются одиночным проводником, а электрическое замыкание цепи осуществляется через общий проводник печатной платы. Преимущество однопроводной линии связи — простота, а недостаток — большое количество помех, возникающих в общем проводнике печатной платы и воздействующих на передаваемый сигнал.

Витая пара — два изолированных проводника свитые между собой, один из них связывает передатчик и приемник сигналов, а второй используется для замыкания электрической цепи. При использовании витой пары в пределах печатной платы существенно повышается помехоустойчивость передачи информации, но стоимость такой конструкции выше, чем одиночного проводника.

Коаксиальный кабель — специальная конструкция, состоящая из центрального проводника, находящегося в изоляционной оболочке, поверх которой расположен цилиндрический экранирующий проводник.

Имеет смысл рассматривать влияние отражения сигналов, если линия связи работает как длинная линия, а это определяется выполнением условия

, где— время распространения сигнала по линии связи,— длительность импульсного сигнала.

При выполнении этого неравенства отраженные сигналы от концов линии не оказывают влияния на форму импульса, т.е. такую линию не имеет смысла рассматривать как длинную линию. Учитывая, что скорость распространения сигналов в соединительных линиях около 25 см/нс, а длительность фронтов формируемых на выходах элементов ТТЛ серий от 2 до 20 нс можно определить длину соединительных проводников, у которых выполняется указанное неравенство. Данные по ТТЛ сериям приведены в таблице16.

Таблица.16

Серия	Длительность фронта [нс]	Длина линии [см]
74L, 158	15 (от 0,3 до 2,7В)	150
74 , 155	5 (от 0,7 до 2,7В)	50
74H, 131	7 (от 0,3 до 2,7В)	65
74S, 531	2,5 (от 0,3 до 2,7В)	25
74LS, 555	6 (от 0,3 до 2,7В)	55

Если принять, что — выходное сопротивление источника сигнала,— волновое сопротивление линии связи,— сопротивление нагрузки, подключенное к выходу линии, то напряжение на входе линии (в точке А) можно определить по формуле, где— выходное напряжение элемента передатчика. В процессе передачи сигналов по длинной линии наблюдается отражение сигналов от концов линии связи и неоднородностей по ее длине. Коэффициент отражения на входе линии (в точке А) может быть оценен соотношением

а на выходе линии (в точке В) —

Величина отраженной волны определяется как произведение величины падающей волны на коэффициент отражения.

Рассмотрим на примере влияние отражения на качество передачи сигнала по линии связи между двумя логическими элементами со следующими параметрами: ,,, логический элемент - передатчик изменяет состояние выхода с нулевого на единичное с уровнем напряжения 4В. Коэффициенты отражения примут значенияи.

При переключении элемента на входе линии (в точке А) имеем

=1В.

Этот сигнал приходит в конец линии и отражается, в конце линии (в точке В) будем иметь , причем произведение— это отраженная волна, которая приходит в начало линии и вновь отражается. При этом на входе линии получаем

и соответственно вычисляя далее, получаем

,,

,

,,

и т.д.

Результаты расчетов в виде графиков приведены на рисунке 106.

Как видно из графика сигнал на входе и выходе линии является плавно нарастающим напряжением, вид которого приводит только к задержке сигнала во времени. Однако при других соотношениях сопротивлений форма сигнала претерпевает более серьезные изменения, которые могут привести к нарушению работоспособности. Рассмотрим работу линии при: , остальные параметры как в предыдущем примере. Коэффициенты отражения примут значенияи.

Рис.106. График изменения напряжения на концах

линии связи.

Рассчитаем напряжения на концах линии:

,

,,и так далее.

Результаты расчетов в графическом виде представлены на рис.107.

Анализ графиков позволяет сделать вывод, что форма сигналов имеет вид колебательного процесса с периодом четыре интервала времени распространения сигнала по линии в одном направлении.

Из рассмотренного видно, что в зависимости от соотношения величин входного и выходного сопротивлений передатчика и приемника сигнала, а также волнового сопротивления линии процессы передачи сигналов по линии связи могут быть самого разнообразного вида.

Самое нехорошее соотношение будет тогда, когда на обоих концах линии коэффициенты отражения будут единичными и с разными знаками, возможна полная потеря информации.

Рис.107. График передачи сигнала по линии связи.

Подобные искажения сигналов при передаче их по длинным линиям приводят к снижению надежности работы всего вычислительного устройства. Для уменьшения искажений длинными линиями необходимо выполнять их согласование с передатчиками и приемниками сигналов.

Лекция 34.