高速傳輸接口串聯(lián)小電阻過(guò)沖問(wèn)題

1、阻抗匹配是指信號(hào)源或者傳輸線(xiàn)跟負(fù)載之間的一種 合適的 搭配方式。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。我們先從直流電壓源驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載入手。由于實(shí)際的電壓源，總是有內(nèi)阻的(請(qǐng)參看輸出阻抗一問(wèn))， 我們可以把一個(gè)實(shí)際電壓源，等效成一個(gè)理想的電壓源跟一個(gè)電阻r串聯(lián)的模型。假設(shè)負(fù)載電阻為 R,電源電動(dòng)勢(shì)為U,內(nèi)阻為r,那么我們可以計(jì)算出流過(guò)電阻R 的電流為：I=U/(R+r) ，可以看出，負(fù)載電阻R 越小，則輸出電流越大。負(fù)載 R 上的電壓為：Uo=IR=U/1+(r/R) ，可以看出，負(fù)載電阻R越大，則車(chē)出電壓 Uo越高。再來(lái)計(jì)算一下電阻R消耗的功率為：P=I2 >R=U/(R+r) 2 XR=

2、U2 >R/(R2+2 XRXr+r2)=U2xR/(R-r) 2+4XRxr =U2/(R-r)2/R +4M對(duì)于一個(gè)給定的信號(hào)源，其內(nèi)阻r 是固定的，而負(fù)載電阻R 則是由我們來(lái)選擇的。注意式中(R-r)2/R,當(dāng)R=r時(shí)，(R-r)2/R可取得最小值0,這時(shí)負(fù)載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4 r)。即，當(dāng)負(fù)載電阻跟信號(hào)源內(nèi)阻相等時(shí)，負(fù)載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說(shuō)的阻抗匹配之一。 對(duì)于純電阻電路， 此結(jié)論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當(dāng)交流電路中含有容性或感性阻抗時(shí)，結(jié)論有所改變，就是需要信號(hào)源與負(fù)載阻抗的的實(shí)部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做共扼匹配。在低頻電路中

3、，我們一般不考慮傳輸線(xiàn)的匹配問(wèn)題，只考慮信號(hào)源跟負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號(hào)的波長(zhǎng)相對(duì)于傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)很長(zhǎng)，傳輸線(xiàn)可以看成是“短線(xiàn)”，反射可以不考慮(可以這么理解：因?yàn)榫€(xiàn)短，即使反射回來(lái)，跟原信號(hào)還是一樣的)。從以上分析我們可以得出結(jié)論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負(fù)載 R;如果我們需要輸出電 壓大，則選擇大的負(fù)載R;如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號(hào)源內(nèi)阻匹配的電阻R。 有時(shí)阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負(fù)載條件下設(shè)計(jì)的，如果負(fù)載條件改變了，則可能達(dá)不到原來(lái)的性能，這時(shí)我們也會(huì)叫做阻抗失配。在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問(wèn)題。當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波

4、長(zhǎng)就很短，當(dāng)波長(zhǎng)短得跟傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度可以比擬時(shí)，反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)的形狀。如果傳輸線(xiàn)的特征阻抗跟負(fù)載為什么阻抗不匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解， 在這里我們不細(xì)說(shuō)了，有興趣的可參看電磁場(chǎng)與微波方面書(shū)籍中的傳輸線(xiàn)理論。傳輸線(xiàn)的 特征阻抗 （也叫做特性阻抗）是由傳輸線(xiàn)的結(jié)構(gòu)以及材料決定的，而與傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度，以及信號(hào)的幅度、頻率等均無(wú)關(guān)。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為 75Q,而一些射頻設(shè)備上則常用 特征阻抗為50Q的同軸電纜。另外還有一種常見(jiàn)的傳輸線(xiàn)是特性阻抗為 300Q的 扁平平行線(xiàn)，這在農(nóng)村使用的電視天線(xiàn)架上比較常見(jiàn)，用來(lái)做八木天線(xiàn)的饋

5、線(xiàn)。因?yàn)殡娨暀C(jī)的射頻輸入端輸入阻抗為 75Q,所以300Q的饋線(xiàn)將與其不能匹配。實(shí)際中是如何解決這個(gè)問(wèn)題的呢？不知道大家有沒(méi)有留意到，電視機(jī)的附件中，有一個(gè)300Q到75Q的阻抗轉(zhuǎn)換器（一個(gè)塑料封裝的，一端有一個(gè)圓形的插頭的那個(gè)東東，大概有兩個(gè)大拇指那么大）。它里面其實(shí)就是一個(gè)傳輸線(xiàn)變壓器，將300Q的阻抗，變換成75Q的，這樣就可以匹配起來(lái)了。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是， 特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個(gè)概念，它與傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，也不能通過(guò)使用歐姆表來(lái)測(cè)量。為了不產(chǎn)生反射，負(fù)載阻抗跟傳輸線(xiàn)的特征阻抗應(yīng)該相等，這就是傳輸線(xiàn)的阻抗匹配。如果阻抗不匹配會(huì)有什么不良后果呢？如果不匹配，則會(huì)形成反射，

6、能量傳遞不過(guò)去，降低效率；會(huì)在傳輸線(xiàn)上形成駐波（簡(jiǎn)單的理解，就是有些地方信號(hào)強(qiáng)，有些地方信號(hào)弱），導(dǎo)致傳輸線(xiàn)的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號(hào)線(xiàn)與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，有哪些辦法讓它匹配呢？第一，可以考慮使用變壓器來(lái)做阻抗轉(zhuǎn)換，就像上面所說(shuō)的電視機(jī)中的那個(gè)例子那樣。第二， 可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調(diào)試射頻電路時(shí)常使用。第三，可以考慮使用串聯(lián) /并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動(dòng)器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個(gè)合適的電阻來(lái)跟傳輸線(xiàn)匹配，例如高速信號(hào)線(xiàn)，有時(shí)會(huì)串聯(lián)一個(gè)幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高

7、，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來(lái)跟傳輸線(xiàn)匹配，例如，485 總線(xiàn)接收器，常在數(shù)據(jù)線(xiàn)終端并聯(lián)120 歐的匹配電阻。為了幫助大家理解阻抗不匹配時(shí)的反射問(wèn)題，我來(lái)舉兩個(gè)例子：假設(shè)你在練習(xí)拳擊 打沙包。 如果是一個(gè)重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會(huì)感覺(jué)很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會(huì)受不了了 這就是負(fù)載過(guò)重的情況，會(huì)產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會(huì)撲空，手也可能會(huì)受不了 這就是負(fù)載過(guò)輕的情況。另一個(gè)例子，不知道 大家有沒(méi)有過(guò)這樣的經(jīng)歷：就是看不清樓梯時(shí)上 /下樓梯，當(dāng)你以為還有樓梯時(shí)， 就

8、會(huì)出現(xiàn)“負(fù)載不匹配”這樣的感覺(jué)了。當(dāng)然，也許這樣的例子不太恰當(dāng)，但我 們可以拿它來(lái)理解負(fù)載不匹配時(shí)的反射情況。這個(gè)電阻有兩個(gè)作用， 第一是阻抗匹配。因?yàn)樾盘?hào)源的阻抗很低，跟信號(hào)線(xiàn)之間阻抗不匹配(關(guān)于阻抗匹配，請(qǐng)參看“如何理解阻抗匹配一問(wèn)"useN/2198/archives/2006/11024.html),串上一個(gè)電阻后，可改善匹配情況，以減少反射，避免振蕩等。第二是可以減少信號(hào)邊沿的陡峭程度，從而減少高頻噪聲以及過(guò)沖等。因?yàn)榇?lián)的電 阻，跟信號(hào)線(xiàn)的分布電容以及負(fù)載的輸入電容等形成一個(gè)RC電路，這樣就會(huì)降低信號(hào)邊沿的陡峭程度。大家知道， 如果一個(gè)信號(hào)的邊沿非常陡峭，含有大量的高頻成

9、分，將會(huì)輻射干擾，另外，也容易產(chǎn)生過(guò)沖。通常，在高速信號(hào)線(xiàn)中才考慮使用這樣的電阻。在低頻情況下，一般是直接連接高速數(shù)字電路中，經(jīng)常看到在兩個(gè)芯片的引腳之間串連一個(gè)電阻，是為了避免 信號(hào)產(chǎn)生振鈴(即信號(hào)的上升或下降沿附近的跳動(dòng))。原理是該電阻消耗了振鈴功率，也可以認(rèn)為它降低了傳輸線(xiàn)路的Q值。通常在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中要真正做到阻抗匹配是比較困難的，原因有二：1、實(shí)際的印制板上連線(xiàn)的阻抗受到面積等設(shè)計(jì)方面的限制；2、數(shù)字電路的輸入阻抗和輸出阻抗不象模擬電路那樣基本固定，而是一個(gè)非線(xiàn)性的東西。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，我 們常用22到33歐姆的電阻，實(shí)踐證明，在此范圍內(nèi)的電阻能夠較好地抑制振 鈴。但是事物總是兩面的，該

10、電阻在抑制振鈴的同時(shí)，也使得信號(hào)延時(shí)增加， 所以通常只用在頻率幾兆到幾十兆赫茲的場(chǎng)合。頻率過(guò)低無(wú)此必要，而頻率過(guò) 高則此法的延時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸。另外，該電阻也往往只用在對(duì)信號(hào)完整 性要求比較高的信號(hào)線(xiàn)上，例如讀寫(xiě)線(xiàn)等，而對(duì)于一般的地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)，由 于芯片設(shè)計(jì)總有一個(gè)穩(wěn)定時(shí)間和保持時(shí)間，所以即使有點(diǎn)振鈴，只要真正發(fā)生 讀寫(xiě)的時(shí)刻已經(jīng)在振鈴以后，就無(wú)甚大影響。關(guān)于RS232/RS485 轉(zhuǎn)換器，是老生長(zhǎng)談，收索了一些資料和貼子，感覺(jué)有一些問(wèn)題，其實(shí)不是什么高科技，本人最后耐心的做了幾款，總結(jié)如下：1、一是供電的問(wèn)題，也牽涉到有源和無(wú)源的問(wèn)題。先說(shuō)無(wú)源的，用谷歌圖片搜索，大部分原理圖雷同，不適

11、用，因?yàn)橹苯訌拇谌〉氖钦龢O性電壓，主 要來(lái)自DTR、RTS兩根線(xiàn)，但是對(duì)的軟件來(lái)說(shuō)，打開(kāi)并使用串口時(shí)并不設(shè)置這兩跟線(xiàn)，也就是說(shuō)，這兩根 線(xiàn)默認(rèn)為負(fù)極性電壓輸出，無(wú)法使用。這些圖片熱火朝天的有圖有真相，其實(shí)只能局限于自己的串口調(diào)試 程序。另外，如果應(yīng)用電路只用 RXD , TXD , GND ,這三根線(xiàn)的話(huà)，正極性取點(diǎn)電路根本就沒(méi)法加電， 而實(shí)際這種情況不少。再說(shuō)有源和無(wú)源的區(qū)別問(wèn)題，看了有些貼子說(shuō)，有源的防雷能力或防止電脈沖能力一定比無(wú)源的強(qiáng)，我不知這是什么理論。據(jù)我的理解，防雷保護(hù)的關(guān)鍵是減弱來(lái)自 485線(xiàn)路的電荷沖擊，或者說(shuō)減弱RS485 端的電荷向RS232端的電荷對(duì)電路敏感器件如(M

12、AX485 )的沖擊。MAX485有兩根線(xiàn)需要輸出到 485 總線(xiàn)，且其為集成IC ,是受保護(hù)的關(guān)鍵對(duì)象。怎么保護(hù)呢？在非隔離的應(yīng)用中，只可能有如下方法：(1 )總線(xiàn)的A、B腳對(duì)地加TVS管(2) MAX485的A、B到總線(xiàn)的A、B腳之間串聯(lián)小20歐姆左右的小電阻，其對(duì)信號(hào)的衰減小，對(duì) 沖擊電荷的衰減卻意義重大。同時(shí)也促使沖擊電荷提前從TVS短路到地(3 )電路板上的地線(xiàn)保持足夠的寬度(4)優(yōu)化電源地和信號(hào)地的走線(xiàn)(5)必要時(shí)在MAX485的A、B與總線(xiàn)A、B腳之間串聯(lián)共模濾波器2、關(guān)于通信，關(guān)鍵在于收發(fā)切換的問(wèn)題。有些轉(zhuǎn)換器沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的切換電路，RS232高電壓來(lái)了，就當(dāng)發(fā)送有效信號(hào)，MAX4

13、85輸出有效；但是 RS232低電壓時(shí)，發(fā)送無(wú)效，但是此時(shí)低電壓可能不是空閑位 而是數(shù)據(jù)位，那么輸出怎么辦呢，這些轉(zhuǎn)換器就通過(guò)設(shè)置的A、B腳上、下拉電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。電阻不能太小，因而驅(qū)動(dòng)能力很弱。若線(xiàn)路過(guò)長(zhǎng)，寄生電容大，如 200米普通3芯線(xiàn)電源電纜的電容達(dá) 30nF ,通信速率 明顯不能上去。針對(duì)以上問(wèn)題，本人的設(shè)計(jì)如下：離子風(fēng)端口保護(hù)器工作室之一無(wú)源、準(zhǔn)隔離、對(duì)稱(chēng)驅(qū)動(dòng)的 RS-232轉(zhuǎn)RS-485一般的轉(zhuǎn)換器沒(méi)有方向切換電路，則其 485正電平的輸出依靠的是其 A、B的偏置電阻，這樣驅(qū)動(dòng)能力大 大受限。因此這里增加了方向切換電路，是的 A、B輸出驅(qū)動(dòng)對(duì)稱(chēng)。其二采用74HC14做電荷泵電源器件，完成負(fù)壓轉(zhuǎn)正亞，相對(duì)廣為應(yīng)用的ICL7660成本略低，但是輸出整流管多出一個(gè)，效率偏低，故推薦使用 ICL7660 ,相關(guān)電路如有需要，我們將繼續(xù)上傳。第三，對(duì)于端口敏感