脈沖信號近距離傳輸的電路設計

摘 要：對于脈沖信號傳輸一百米左右距離的情況，首先用傳輸線(xiàn)理論分析了信號的傳輸特性，計算了信號傳輸的延時(shí)、衰減和反射；然后采用RS-485 串行總線(xiàn)標準及在傳輸終端接匹配電阻的電路來(lái)傳輸脈沖信號，一方面提高了信號傳輸速率和傳輸距離，另一方面消除了信號因反射引起的畸變和失真，增強了信號的傳輸可靠性；最后通過(guò)實(shí)驗證明了傳輸電路結構簡(jiǎn)單，信號傳輸可靠性高，具有很大的實(shí)用和推廣價(jià)值。

　　隨著(zhù)脈沖信號頻率的越來(lái)越高及信號跳變沿（上升沿和下降沿）的越來(lái)越短，對脈沖信號傳輸完整性的分析就變的越來(lái)越重要。如何保證脈沖信號傳輸的完整性，減少信號在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的反射和失真，已成為當前高速電路設計中不可忽視的問(wèn)題。

　　對脈沖信號傳輸幾十米或者上百米距離的情況，根據高速電路設計理論引入了長(cháng)線(xiàn)傳輸的概念，并對脈沖信號的傳輸特性進(jìn)行了分析。為了保證脈沖信號傳輸的完整性采用了RS-485 串行總線(xiàn)標準及跨接匹配電阻的電路方案，經(jīng)過(guò)實(shí)驗證明這里提出的方案切實(shí)可行且性能優(yōu)越。另外該方案結構簡(jiǎn)單，成本低廉，對于近距離脈沖信號和高頻率數字信號的傳輸有很大參考和使用價(jià)值。

　　1 傳輸線(xiàn)理論

　　1.1 長(cháng)線(xiàn)傳輸定義

　　一般情況下脈沖信號的邊沿諧波頻率高于自身頻率，其快速變化的上升/下降沿會(huì )導致信號在傳輸過(guò)程中出現非預期的結果。由高速電路設計理論定義可知，如果脈沖信號傳輸長(cháng)度大于信號上升或下降沿時(shí)間對應有效長(cháng)度的1/6時(shí)，就可認為信號的傳輸為長(cháng)線(xiàn)傳輸。脈沖信號在長(cháng)線(xiàn)傳輸中會(huì )出現明顯傳輸延遲、衰減和振蕩等影響信號完整性的問(wèn)題，這就需要用傳輸線(xiàn)理論來(lái)分析。

　　1.2 脈沖信號的傳輸特性

　　傳輸線(xiàn)理論為分布參數電路理論，線(xiàn)上所有位置都由分布電阻R、分布電容C、分布電感L 和分布電導G 構成。

　　這些分布參數就決定了脈沖信號長(cháng)線(xiàn)傳輸的傳輸特性。

　　信號傳輸線(xiàn)的特性阻抗由傳輸線(xiàn)上入射電壓與入射電流之比來(lái)表示，一般表達式為：

　　信號的傳輸延遲由傳輸線(xiàn)分布參數中的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容來(lái)決定，單位長(cháng)度傳輸線(xiàn)上的傳輸延遲d T 表示為：

　　脈沖信號在傳輸線(xiàn)上的整體傳輸情況如圖1 所示，其中S Z 為源端阻抗， 0 Z 為傳輸線(xiàn)阻抗， L Z 為負載阻抗。

圖1 脈沖信號在傳輸線(xiàn)的特點(diǎn)

　　圖1 中（ ） X H w 表示信號通過(guò)傳輸線(xiàn)的衰減函數； A（w）和1R （w）表示傳輸線(xiàn)源端的輸入接收函數和反射函數；T（w）和2R （w）表示傳輸線(xiàn)終端的傳輸函數和反射函數，表達式分別如下：

　　由以上表達式可知如果傳輸線(xiàn)特性阻抗與源端阻抗和終端負載不匹配時(shí)，傳輸信號會(huì )在阻抗不連續處產(chǎn)生反射，反射信號會(huì )在終端和源端往返多次，直至衰減為零。信號的疊加就引起了傳輸信號的失真和振鈴。