При больших расстояниях между устройствами, связанными по витой паре и высоких скоростях передачи начинают проявляться так называемые эффекты длинных линий. Причина этому - конечность скорости распространения электромагнитных волн в проводниках. Скорость эта существенно меньше скорости света в вакууме и составляет немногим больше 200 мм/нс. Электрический сигнал имеет также свойство отражаться от открытых концов линии передачи и ее ответвлений. Грубая аналогия - желоб, наполненный водой. Волна, созданная в одном конце, идет по желобу и, отразившись от стенки в конце, идет обратно, отражается опять и так далее, пока не затухнет. Для коротких линий и малых скоростей передачи этот процесс происходит так быстро, что остается незамеченным. Однако, время реакции приемников - десятки/сотни нс. В таком масштабе времени несколько десятков метров электрический сигнал проходит отнюдь не мгновенно. И если расстояние достаточно большое, фронт сигнала, отразившийся в конце линии и вернувшийся обратно, может исказить текущий или следующий сигнал. В таких случаях нужно каким-то образом подавлять эффект отражения.

Наука Электротехника предлагает решение этой проблемы. У любой линии связи есть такой параметр, как волновое сопротивление Zв. Оно зависит от характеристик используемого кабеля, но не от длины. Для обычно применяемых в линиях связи витых пар Zв=120 Ом. Оказывается, что если на удаленном конце линии, между проводниками витой пары включить резистор с номиналом равным волновому сопротивлению линии, то электромагнитная волна дошедшая до "тупика" поглощается на таком резисторе. Отсюда его названия - согласующий резистор или "терминатор".

Большой минус согласования на резисторах - повышенное потребление тока от передатчика, ведь в линию включается низкоомная нагрузка. Поэтому рекомендуется включать передатчик только на время отправки посылки. Есть способы уменьшить потребление тока, включая последовательно с согласующим резистором конденсатор для развязки по постоянному току. Однако, такой способ имеет свои недостатки. Для коротких линий (несколько десятков метров) и низких скоростей (меньше 38400 бод) согласование можно вообще не делать. Эффект отражения и необходимость правильного согласования накладывают ограничения на конфигурацию линии связи.

Линия связи должна представлять собой один кабель витой пары. К этому кабелю присоединяются все приемники и передатчики. Расстояние от линии до микросхем интерфейса RS-485 должно быть как можно короче, так как длинные ответвления вносят рассогласование и вызывают отражения.

В оба наиболее удаленных конца кабеля (Zв=120 Ом) включают согласующие резисторы Rt по 120 Ом (0.25 Вт). Если в системе только один передатчик и он находится в конце линии, то достаточно одного согласующего резистора на противоположном конце линии.

Рисунок 4

2.4 Защитное смещение

Как уже упоминалось, приемники большинства микросхем RS-485 имеют пороговый диапазон распознавания сигнала на входах A-B - ±200мВ. Если |Uab| меньше порогового (около 0), то на выходе приемника RO могут быть произвольные логические уровни из-за несинфазной помехи. Такое может случиться либо при отсоединении приемника от линии, либо при отсутствии в линии активных передатчиков, когда никто не задает уровень. Чтобы в этих ситуациях избежать выдачи ошибочных сигналов на приемник UART, необходимо на входах A-B гарантировать разность потенциалов Uab > +200мВ. Это смещение при отсутствии входных сигналов обеспечивает на выходе приемника логическую "1", поддерживая, таким образом, уровень стопового бита. Добиться этого просто - прямой вход (А) следует подтянуть к питанию, а инверсный (B) - к "земле". Получается делитель:

Rвх - входное сопротивление приемника (обычно 12 кОм);
Rc - согласующие резисторы (120 Ом);
Rзс - резисторы защитного смещения.

Рисунок 5 Схема подключения защитного смещения.

Величины сопротивлений для резисторов защитного смещения (Rзс) нетрудно рассчитать по делителю. Необходимо обеспечить Uab > 200мВ. Напряжение питания - 5В. Сопротивление среднего плеча - 120Ом//120Ом//12КОм на каждый приемник - примерно 57 Ом (для 10 приемников). Таким образом, выходит примерно по 650 Ом на каждый из двух Rзс. Для смещения с запасом - сопротивление Rзс должно быть меньше 650 Ом. Традиционно ставят 560 Ом.

Обратите внимание: в расчете номинала Rзс учитывается нагрузка. Если на линии висит много приемников, то номинал Rзс должен быть меньше. В длинных линиях передачи необходимо так же учитывать сопротивление витой пары, которое может "съедать" часть смещающей разности потенциалов для удаленных от места подтяжки устройств. Для длинной линии лучше ставить два комплекта подтягивающих резисторов в оба удаленных конца рядом с терминаторами.

Многие производители приемопередатчиков заявляют о функции безотказности (failsafe) своих изделий, заключающейся во встроенном смещении. Следует различать два вида такой защиты:

Безотказность в открытых цепях. (Open circuit failsafe.) В таких приемопередатчиках применяются встроенные подтягивающие резисторы. Эти резисторы, как правило, высокоомные, чтобы уменьшить потребление тока. Из-за этого необходимое смещение обеспечивается только для открытых (ненагруженных) дифференциальных входов. В самом деле, если приемник отключен от линии или она не нагружена, тогда в среднем плече делителя остается только большое входное сопротивление, на котором и падает необходимая разность потенциалов. Однако, если приемопередатчик нагрузить на линию с двумя согласующими резисторами по 120 Ом, то в среднем плече делителя оказывается меньше 60 Ом, на которых, по сравнению с высокоомными подтяжками, ничего существенного не падает. Поэтому, если в нагруженной линии нет активных передатчиков, то встроенные резисторы не обеспечивают достаточное смещение. В этом случае, остается необходимость устанавливать внешние резисторы защитного смещения, как это было описано выше.

Истинная безотказность. (True failsafe.) В этих устройствах смещены сами пороги распознавания сигнала. Например: -50 / -200 мВ вместо стандартных порогов ±200 мВ. То есть при Uab>-50мВ на выходе приемника RO будет логическая "1", а при Uab<-200 - на RO будет "0". Таким образом, и в разомкнутой и в пассивной линии при разности потенциалов Uab близкой к нулю, приемник выдаст "1". Для таких приемопередатчиков внешнее защитное смещение не требуется. Тем не менее, для лучшей помехозащищенности все-таки стоит дополнительно немного подтягивать линию.

Сразу виден минус внешнего защитного смещения - через делитель постоянно будет протекать ток, что может быть недопустимо в системах малого потребления. В таком случае можно сделать следующее:

а). Уменьшить потребление тока, увеличив сопротивления Rзс. Хотя производители приемопередатчиков и пишут о пороге распознавания в 200мВ, на практике вполне хватает 100мВ и даже меньше. Таким образом, можно сразу увеличить сопротивления Rзс раза в два-три. Помехозащищенность при этом несколько снижается, но во многих случаях это не критично.

б). Использовать true failsafe приемопередатчики со смещенными порогами распознавания. Например, у микросхем MAX3080 и MAX3471 пороги: -50мВ / -200мВ, что гарантирует единичный уровень на выходе приемника при отсутствии смещения (Uab=0). Тогда внешние резисторы защитного смещения можно убрать или значительно увеличить их сопротивление.

в). Не применять без необходимости согласование на резисторах. Если линия не будет нагружена на 2 по 120 Ом, то для обеспечения защитного смещения хватит подтяжек в несколько килоом в зависимости от числа приемников на линии.

Для опторазвязанной линии подтягивать следует к питанию и "земле" изолированной линии. Если не применяется опторазвязка, подтягивать можно к любому питанию, так как делитель создаст лишь небольшую разность потенциалов между линиями A и B. Нужно только помнить о возможной разности потенциалов между "землями" устройств, расположенных далеко друг от друга.

Согласование нагрузок с линией передачи

Для обеспечения в линиях передачи режима бегущей волны применяются нагрузки. Нагрузки классифицируются на:

‑ согласованные;

‑ реактивные.

Согласованные нагрузки предназначены для поглощения мощности, передаваемой по линии передачи. Согласованные нагрузки применяют также в качестве эквивалентов антенн при настройке передающей аппаратуры и в виде меры согласования в измерительных устройствах СВЧ.

При включении согласующего элемента в линию должен обеспечиваться принцип согласования:

в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке . Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента.

При согласовании необходимо, чтобы сопротивление нагрузки удовлетворяло двум условиям:

1) Активная часть нагрузки должна равняться волновому сопротивлению линии:

2) Реактивная часть нагрузки должна равняться нулю:

Если сопротивление нагрузки удовлетворяет условиям (1.1), то говорят, что линия согласована с нагрузкой .

Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели :

‑ увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;

‑ увеличение электрической прочности линии;

‑ устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.

Основной характеристикой согласованной нагрузки является модуль ее коэффициента отражения (или соответствующие значения КБВ или КСВ) в заданной полосе частот. Технически возможно создание нагрузок с в относительной полосе частот 20-30 % и более. Ввиду малости требования к фазе коэффициента отражения от нагрузки не предъявляются и эта фаза может иметь любое значение в интервале 0…2 .

Наряду с КСВН для описания согласования линии передачи с генератором используются такие показатели, как

‑ коэффициент возвратных потерь

. (1.2а)

Иногда она выражается и с отрицательным значением, т.е.

; (1.2б)

‑ потери на рассогласование – рабочее затухание

(1.3а)

. (1.3б)

Согласование может быть выполнено в узкой или в широкой полосе частот.

Узкой принято считать полосу частот , составляющую единицы процентов от средней частоты . В этой полосе должен быть обеспечен допустимый уровень согласования . Типичный график зависимости КСВН тракта от частоты представлен на рисунке 1.2. Конкретное значение определяется назначением и типом тракта, условиями его эксплуатации и лежит в пределах 1,1..2.

Рисунок 1.2 – Типичная зависимость КВСН тракта от частоты

В узкой полосе частот в качестве согласующих элементов используются :

‑ четвертьволновый трансформатор;

‑ последовательный шлейф;

‑ параллельный шлейф;

‑ два и три последовательных или параллельных шлейфа.

Данные согласующие устройств используются в линиях передачи различных типов (двухпроводных, коаксиальных, полосковых, волноводных и т.п.). Тип линии передачи определяет конкретную конструкторскую реализацию этих устройств.

Рассмотрим применение указанных выше согласующих устройств.

Четвертьволновый трансформатор – устройство, представляющее собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением , включенным в разрыв основной линии передачи.

Найдем место включения трансформатора в линию и его волновое сопротивление. В предыдущей лекции было показано, что принцип работы такого согласующего устройства основан на трансформирующем свойстве четвертьволнового отрезка линии, которое в рассматриваемом случае примет вид:

где ‑ входное сопротивление линии, нагруженной сопротивлением нагрузки , в месте подключения трансформатора , как показано на рисунке 1.3;

Рисунок 1.3 – Согласование линии с нагрузкой с помощью

четвертьволнового трансформатора

‑ входное сопротивление четвертьволнового трансформатора в сечении с подключенным к нему отрезком линии длиной , нагруженной сопротивлением нагрузки .

Условия согласования (1.1) требуют, чтобы , т.е. . Отсюда следует, что должно быть чисто действительной величиной: .

Таким образом, четвертьволновый трансформатор для согласования может включаться в таких сечениях линии , в которых входное сопротивление линии чисто активное. Такое наблюдается в сечениях, где напряжение достигает максимума или минимума:

. (1.5)

В максимумах напряжения . В связи с этим .

В минимумах напряжения , следовательно, .

На рисунке 1.4 представлены варианты исполнения четвертьволнового трансформатора на основе двухпроводной и коаксиальной линий для двух рассмотренных случаев. Из анализа рисунка следует, что в конструкторском отношении предпочтительнее вариант . На рисунке 1.5 представлены эпюры напряжений в линии без согласующего устройства и согласующими четвертьволновыми трансформаторами и .

Рисунок 1.4 – Четвертьволновые трансформаторы:

а – на двухпроводной линии; б – на коаксиальном кабеле

Рисунок 1.5 – Эпюры напряжения в линии: а – с комплексной нагрузкой;

б – с комплексной нагрузкой и трансформатором ;

в – с комплексной нагрузкой и трансформатором

Согласующее устройство в виде последовательного шлейфа представляет собой отрезок обычно короткозамкнутой линии длиной с волновым сопротивлением W , который включается в разрыв одного из проводов линии, как показано на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 – Согласующий последовательный короткозамкнутый шлейф

Согласование достигается подбором места включения шлейфа в линию и длины шлейфа .

Найдем и из условия согласования линии в сечении . В этом сечении входное реактивное сопротивление шлейфа включено последовательно с входным сопротивлением линии . Сумма этих сопротивлений должна быть равна волновому сопротивлению линии:

; .

, , . (1.6)

Из анализа выражений (1.6) следует, что последовательный шлейф необходимо включать в таком сечении линии, где активная часть ее входного сопротивления равна волновому сопротивлению линии . Длину шлейфа следует выбирать такой, чтобы его реактивное сопротивление было бы равно по величине и противоположно по знаку реактивной части входного сопротивления линии в месте включения шлейфа .

Недостаток – при изменении нагрузки изменяется не только длина шлейфа, но и место его включения в линию. Конструктивно это крайне неудобно.

На практике чаще всего длинные линии используются для передачи сигналов от генератора к нагрузке с минимальными потерями мощности. Для этого предпочтительным является режим бегущей волны. С целью обеспечения указанного режима необходимо, чтобы сопротивление нагрузки Z н = R н + jХ н удовлетворяло двум условиям: активная часть нагрузки R н должна равняться волновому сопротивлению W линии

R н = W , (1)

а реактивная часть нагрузки Х н должна равняться нулю:

Х н = 0. (2)

Если сопротивление нагрузки удовлетворяет условиям (1), (2), то говорят, что линия согласована с нагрузкой.

Общий принцип согласования комплексных сопротивлений состоит в том, что в линию дополнительно включается согласующий элемент, отражение от которого компенсирует отражение от нагрузки. При этом стремятся, чтобы согласующий элемент был расположен как можно ближе к нагрузке. Это делается для уменьшения длины несогласованного участка линии от нагрузки до согласующего элемента.

Включение в линию согласующего элемента преследует следующие цели:

Увеличение мощности, передаваемой в нагрузку;

Увеличение электрической прочности линии;

Увеличение КПД линии;

Устранение вредного влияния отраженной волны на генератор.

В режиме смешанных волн в линии происходит чередование максимумов и минимумов напряжения. В местах максимумов напряжения условия для электрического пробоя являются наиболее благоприятными. Устранение отраженной волны приводит к уменьшению напряжения в максимуме. Поэтому по такой линии можно передать большую мощность или использовать более высокие уровни напряжения.

Влияние согласования влияет на коэффициент полезного действия (КПД) линии. Чем он тем выше, чем лучше согласована линия с нагрузкой, т.е. чем меньше модуль коэффициента отражения |Г|.

Отраженная от нагрузки волна направляется в генератор и может существенно повлиять на режим его работы. Например, недостаточное согласование генератора с линией передачи может привести к изменению частоты генерируемых колебаний, уменьшению выходной мощности генератора или к полному срыву процесса генерации. Требования к K св на выходе генератора в значительной степени определяются типом этого генератора.

Для согласования комплексных нагрузок используются различные согласующие устройства, которые по соображениям сохранения высокого КПД тракта выполняются чаще всего из реактивных элементов.

Рассмотрим способы узкополосного согласования, когда «узкой» принято считать полосу частот 2Df , составляющую единицы процентов от средней частоты f 0 .

В этой полосе должен быть обеспечен допустимый уровень согласования, определяемый допустимым значением коэффициента стоячей волны

K св < K св доп.

Типичный график зависимости K св тракта от частоты представлен на рисунке Рис. 6.16). Конкретное значение K св доп определяется назначением и типом тракта, условиями его эксплуатации и лежит в пределах 1,02... 2.

Рис. 6.16. Типичная зависимость K св тракта от частоты

В узкой полосе частот в качестве согласующих элементов используются следующие устройства:

Четвертьволновый трансформатор;

Последовательный шлейф;

Параллельный шлейф,;

Два и три последовательных или параллельных шлейфа.

Такие согласующие устройства используются в линиях передачи различных типов (двухпроводных, коаксиальных, полосковых, волноводных и т.п.). Тип линии передачи определяет конкретную конструкторскую реализацию этих устройств.

Четвертьволновый трансформатор. Это устройство представляет собой четвертьволновый отрезок линии с волновым сопротивлением W т p ¹ W , включенным в разрыв основной линии передачи. Найдем место включения трансформатора в линию и его волновое сопротивление. Принцип работы такого согласующего устройства основан на трансформирующем свойстве четвертьволнового отрезка линии, которое в рассматриваемом случае примет вид:

Z вх (z 0) Z вх (z 0 + l л / 4) = W 2 т p ,

где z 0 - место подключения трансформатора, отсчитанное от места подключения нагрузки; Z вх (z 0) – входное сопротивление линии в точке z 0, если линия нагружена на сопротивление Z н (Рис. 6.17);

Z вх (z 0 + l л / 4) – входное сопротивление четвертьволнового трансформатора в сечении (z 0 + l л / 4) с подключенным к нему отрезком линии длиной z 0 , нагруженной сопротивлением нагрузки Z н.

Условия согласования (1), (2) требуют, чтобы Z вх (z 0 + l л / 4) = W , т. е. Z вх (z 0)W = W 2 т p .

Отсюда следует, что Z вх (z 0) должно быть чисто действительной величиной: Z вх (z 0) = R вх (z 0).

Рис. 6.17.Согласование линии с нагрузкой с помощью

четвертьволнового трансформатора

Таким образом, четвертьволновый трансформатор для согласования должен включаться в таких сечениях линии z 0 , в которых входное сопротивление линии чисто активное. Входное сопротивление линии чисто активное в сечениях линии, где напряжение достигает максимума или минимума. Поэтому четвертьволновый трансформатор включается в максимумах или минимумах напряжения и его волновое сопротивление определяется соотношением:

В максимумах напряжения R вх = WK св, поэтому при включении трансформатора в максимум напряжения его волновое сопротивление W т p > W .

В минимумах напряжения R вх = W / K св, поэтому при включении трансформатора в минимум напряжения выполняется неравенство W т p < W .

Таким образом, выбор места включения трансформатора (максимум или минимум напряжения) определяет соотношение его волнового сопротивления с волновым сопротивлением линии, а это, в свою очередь, определяет соотношение геометрических размеров поперечного сечения трансформатора и линии.

На рисунке (Рис. 6.18) представлены варианты исполнения четвертьволнового трансформатора на основе двухпроводной и коаксиальной

линий для двух рассмотренных случаев. Из рисунка следует, что в конструкторском отношении предпочтительнее вариант W т p < W .

Рис. 6.19. Эпюры напряжения в линии: а) – с комплексной нагрузкой;

б) W т p > W ;

в) – с комплексной нагрузкой и трансформатором W т p < W

Последовательный шлейф. Согласующее устройство в виде последовательного шлейфа представляет собой отрезок обычно короткозамкнутой линии длиной l ш, с волновым сопротивлением W , который включается в разрыв одного из проводов линии (Рис. 6.20).

Рис. 6.20. Последовательный согласующий шлейф

Согласование достигается подбором места включения шлейфа в линию z ш и длины шлейфа l ш. Найдем z ш и l ш из условия согласования линии в сечении z ш. В этом сечении входное реактивное сопротивление шлейфа jX ш (l ш) включено последовательно с входным сопротивлением линии Z вх (z ш) = R вх (z ш) + jX вх (z ш). Сумма этих сопротивлений должна быть равна волновому сопротивлению линии:

Z вх (z ш) + jX ш (l ш) º R вх (z ш) + jX вх (z ш) + jX ш (l ш) = W .

Отсюда находим:

R вх (z ш) = W ; (4)

X вх (l ш) = - X вх (z ш). (5)

Из (4)можно найти z ш, а из (5) – длину l ш. Расчетные соотношения могут быть представлены в виде

z ш = (l/b)arctg;

l ш = (l/b)arctg;

Из этих соотношений следует, что последовательный шлейф необходимо включать в таком сечении линии, где активная часть ее входного сопротивления равна волновому сопротивлению линии. Длину шлейфа следует подбирать такой, чтобы его реактивное сопротивление было бы равно по величине и противоположно по знаку реактивной части входного сопротивления линии в месте включения шлейфа. Перечисленным условиям удовлетворяют, например, сечения z 1 и z 2 (см. Рис. 6.21) линии, нагруженной на активное сопротивление. В сечении z 1 шлейф должен иметь индуктивное, а в z 2 – емкостное входное сопротивление.

Недостаток такого способа согласования состоит в том, что при изменении нагрузки изменяется не только длина шлейфа, но и место его включения в линию. Конструктивно это крайне неудобно.

Рис. 6.21. К выбору сечения для подключения шлейфа

Параллельный шлейф. Согласующее устройство в виде параллельного шлейфа показано на рисунке (Рис. 6.22). Как и в предыдущем случае, согласование достигается подбором места включении шлейфа z ш в линию и длины шлейфа l ш. Условие согласования имеет вид

Y вх (z ш) + jB ш (l ш) = 1/W ,

где Y вх (z ш) = 1/Z вх (z ш) = G вх (z ш) + jB вх (l ш) – входная проводимость линии в месте подключения шлейфа; G вх, B вх – активная и реактивная части входной проводимости линии; B ш (l ш) – реактивная проводимость шлейфа длиной l ш. Отсюда находим:

G вх (z ш) = 1/W ; (6)

B ш (l ш) = -B вх (z ш). (7)

Из (6) можно найти z ш, а из (7) – длину l ш.

Расчетные соотношения могут быть представлены в виде:

z ш – z max = (l/b) arctg;

l ш =(l/b)arctg; b = 2p/l л,

где z max – расстояние от нагрузки до первого максимума натяжения.

Таким образом, из (6) и (7) следует, что параллельный шлейф нужно включать в таком сечении линии, в котором активная часть входной проводимости линии равна волновой проводимости, а длину шлейфа следует выбирать так, чтобы его реактивная проводимость компенсировала реактивную часть входной проводимости линии (была бы противоположного знака).

Недостатки параллельного шлейфа такие же, как и у последовательного: при изменении нагрузки изменяются длина шлейфа и место его включения в линию. В экранированных линиях менять место включения шлейфа сложно по конструктивным соображениям.

Поэтому в качестве согласующего устройства применяют два и три последовательных или параллельных шлейфов. В двухпроводной линии параллельный шлейф может быть сделан подвижным, т.е. перемещающимся вдоль линии.

Два и три последовательных или параллельных шлейфа.

Двухшлейфовые согласующие устройства показаны на рисунке (Рис.6.22). Принцип работы, например, двухшлейфового последовательного согласующего устройства, состоит в том, что, изменяя длину первого шлейфа l ш1, добиваются того, чтобы активная часть входного сопротивления линии в месте включения второго шлейфа стала равной волновому сопротивлению линии.

Подбирая длину второго шлейфа l ш2 , компенсируют реактивную часть входного сопротивления линии. Аналогично работает параллельное двухшлейфовое согласующее устройство. Однако объяснение принципа работы следует провести в терминах входных проводимостей.

Рис. 6.22. Двухшлейфовые согласующие устройства с последовательными (а ) и параллельными (б ) шлейфами

Недостатком двухшлейфовых согласователей является то, что они могут обеспечить согласование не всех возможных нагрузок. Например, схема (Рис. 6.22,а) обеспечивает согласование нагрузок при R н < W , а схема (Рис. 6.22,б) – при R н > W .

Рис. 6.23. Трехшлейфовые согласующие устройства с последовательными (а ) и параллельными (б ) шлейфами

Для устранения этого недостатка используют трехшлейфовые согласующие устройства (Рис. 6.23). В согласовании участвуют два из трех шлейфов. Например, в трехшлейфовом согласующем устройстве с последовательными шлейфами (Рис. 6.23, а) при R н < W используются первый и второй шлейфы, как при двухшлейфовом согласовании. Третий шлейф "отключается", т.е. его длина берется равной l л /2.

Рис. 6.24. Согласование в полосе частот с помощью одного шлейфа: а – схема согласующего устройства; б – графики проводимости нагрузки и шлейфа

При этом входное сопротивление такого шлейфа нулевое, и он не влияет на процессы, происходящие в линии. Если R н > W , то используются второй и третий шлейфы, а длина первого берется равной l л /2.

Аналогично работает трехшлейфовое согласующее устройство с параллельными шлейфами (рис. 2.8, б ). Причем при R н > W работе участвуют первый и второй шлейфы, а при R н < W – второй и третий.

Конкретная конструкторская реализация согласующих устройств на основе шлейфов определяется типом используемой линии передачи.

Отражения в линии связи отсутствуют только в однородных линиях, т.е. в линиях, у которых все их параметры неизменны по ее длине. Простейшее согласование выполняется на уровне согласования сопротивлений. Оно состоит в том, что дополнительными резисторами включенными на входе и выходе линии изменяют выходное сопротивление передатчика и входное сопротивление приемника таким образом, чтобы они стали равны волновому (характеристическому) сопротивлению линии. Одно из широко распространенных представлений длинной линии (линии с распределенными параметрами) показано на рис.108.

Здесь L - индуктивность приведенная к единице длины линии, а С - емкость единицы длины линии, и - волновое сопротивление определяемое соотношением . В общем случае волновое сопротивление имеет комплексный характер, но при согласовании пользуются значением модуля волнового сопротивления, что приводит к погрешностям согласования. Поэтому добиться полного исключения явления отражения сигналов невозможно.

Рис. 108. Представление длинной линии.

Поскольку входные и выходные сопротивления активных элементов могут быть как больше, так и меньше волнового сопротивления линии то используют различные способы согласования - параллельное и последовательное.

Сущность согласования состоит в том, что необходимо подобрать параллельные или последовательные сопротивления, подключаемые к выходу передатчика и входу приемника, таким образом, чтобы выходное сопротивление передатчика и входное сопротивление приемника стали равны волновому сопротивлению линии.

Рис.109. Согласование на входе и выходе линии.

На рис.109 показано согласование линии связи на входе и выходе. Определение величин резисторов R1 и R2 можно выполнить на основе схемы замещения рис.110.

На схеме замещения источник (передатчик) сигнала представлен в виде источника напряжения Uout с выходным сопротивлением Rout, а приемник сигнала представлен входным сопротивлением Rin. как рассматривали ранее в примере при Rout<резистор R1= - Rout и Rin>резистор R2=.

Рис.110. Схема замещения линии связи.

При согласовании на выходе линии и использовании в качестве приемника триггера Шмитта рекомендуется схема согласования, показанная на рис.111.

Особенность работы данной схемы состоит в том, что делитель напряжения R1-R2 на входе передатчика предварительно формирует уровень напряжения, определяемый значениями резисторов R1,R2.

Соотношение между резисторами нужно выбирать исходя из требуемого уровня напряжения, а их общее значение определяется из .

При на входе линии можно выполнять только параллельное согласование в соответствии со схемой замещения рис.112 а.

Учитывая, что внутреннее сопротивление источника напряжения равно нулю переходим к схеме замещения рис.112б, используя которую получаем выражение для определения величины резистора R1

.

При таком согласовании обычно напряжение на входе приемника, при высоком напряжении на выходе передатчика, меньше входного напряжения переключения логического элемента.

В этом случае линия работать не будет. Для получения работоспособной линии связи целесообразно в качестве передатчика использовать устройства с малым внутренним сопротивлением или специальные схемы. Рассмотрим использование микросхемы 155ЛП7, иностранный аналог - SN75450В, в качестве передатчика линии связи. В состав микросхемы входят два элемента 2И-НЕ с одним объединенным входом и два транзистора n-p-n проводимости средней мощности. Простейшие схемы применения 155ЛП7 показаны на рис.113.

Рис.113. Использование микросхемы 155ЛП7.

Как видно из рисунка один из вариантов представляет собой эмиттерный повторитель, одно из важнейших свойств которого - это малое значение выходного сопротивления. Для согласования с линией сопротивление в цепи эмиттера берется равным волновому сопротивлению линии Re=Zl. При этом схемотехническом решении в линии получаем сигнал инверсный входному.

Для получения неинвертированного сигнала в линии можно использовать другую схему рис.. В этом случае транзистор используется в качестве насыщенного ключа с коллекторной нагрузкой равной волновому сопротивлению линии Rk=Zl. При большом коэффициенте насыщения транзистора возможно запаздывание сигнала в линии.