Пример 4.8 Соединение двух кабелей

При соединении двух кабелей с разными характеристическими импеданса-ми требуется их тщательное согласование. Например, если пятидесятиомный кабель присоединяется к кабелю с импедансом 300 Ом, между ними должна быть включена специальная резистивная схема, выполненная таким образом, чтобы трехсотомная линия вместе с резисторами "наблюдалась" со стороны пятидесятиомной линии как нагрузка с импедансом в 50 Ом. То же самое условие должно соблгодаться и в обратном направлении, т. е. пятидесятиомиая линия должна "ощущаться" другой линией как нагрузка в 300 Ом (рис. 4.22).

2х 1г

кабель с импедансом 50 Ом

„ кабель с импедансом

3 300 Ом

Рис. 4.22. Согласование импедансов при соединении двух кабелей

Пример 4.7

Передача импульсного сигнала

Для импульсного сигнала, передаваемого по линии, связь между напряжением и током в момент импульса есть v = Zq • /. Если линия разомкнута на приемном конце {Zi = оо), то ток не может свободно циркулировать, т. е. он полностью отражается линией. Напряжение так же, как и ток, полностью отражается, поскольку оно равно Zq • /. Другой крайний случай - это короткое замыкание на приемном конце (Z = 0). Напряжение на конце линии все время равно нулго. Приходящий импульс напряжения должен быть компенсирован точно таким же импульсом противоположного знака. Другими словами, импульс напряжения полностью отражается, но с обратным знаком.

Аналогичные условия также соблюдаются и для источника сигнала. Если импеданс источника не равен Zq, то пришедший импульс отражается вновь. Импульсы, посылаемые по линии с несогласованными конечными импеданса-ми, будут перемещаться туда и обратно с затухающей амплитудой. В цифровых сетях, в которых обычно передаются длинные последовательности импульсов, в случае несогласованности импедансов сигналы будут отражаться и налагаться друг на друга, и приемник не сможет их правильно интерпретировать. Согласование импедансов на концах линии выполняется с помощью специа.тьных оконечных импедансов, которые называются концевыми или терминиругощими схемами. Примеры концевых схем для системных шин приведены в разделе 8.2.3 и в разделе 9.5.4 - для сетей передачи данных.

Ш6 Глава 4. Вход и выход физических процессо,

- -- - . . .

В приведенном примере должны быть выбраны величины Zj = О Ом, Z-) = 274 Ом и z3 = 55 Ом. Импедансы Zj, z2 и z3 образуют схему, которая не только согласует импедансы кабелей, но и уменьншет затухание сигнала.

Если по обоим проводам двухпроводной линии текут токи, имеюнхие одинаковы амплитуды, но развернутые на 180° по фазе, говорят, что линия сбалансирована (balanced). В несбалансированной (unbalanced) цепи ток течет только по одно», проводу, а другой является "относительной зе.млей" - проводом с относительны. нулевым потенциалом (последнее не исклгочает того, что по этой линии также протекает ток).

В качестве соединительных кабелей используются в основном два типа электрг-ческих проводников - витая пара и коаксиальный кабель. Как показывает название витая пара (twisted pair) состоит из двух изолированных медных проводов, свиты). вместе. Витая пара является дешевой и простой средой передачи. Широкое распространение витой пары и коаксиального кабеля в телефонных и телевизионных сетя$ привело к тому, что эти кабели и их вспомогательные элементы - разъемы и пггекке-ры - имегот достаточно низкуго цену.

Электрическая цепь на основе витой пары может быть сбалансированной и несбалансированной. Г1реи.муп1;ество сбалансированной цепи в том, что она мене; чувствительна к вненгним возмуп1;епиям; наоборот, эта цепь излучает меныпу:( энергию, поскольку электромагнитные поля отдельных проводников компенсируют друг друга, так как имеют одинаковую интенсивность, но противоположную полярность. С другой стороны, сбалансированная линия является таковой тольк; тогда, когда она правильно смонтирована и обслуживается. Несбалансированнг; витая пара значительно более чувствительна к возмущениям, чем сбалансирован ная, но не требует почти никаких усилий для установки и эксплуатации. Чегыреу парный кабель еще .менее чувствителен к помехам индуктивного характера (с« раздел 4.5.3).

Коаксиальные кабели (coax cable) содержат электрический проводник, изолированный пластиковой оболочкой, которая окружена проводяп1ИМ плетеным экранок Бла10даря такой геометрии коаксиальный кабель существенно несбалансировав Экран заземлен и предотврап1;ает рассеивание энергии с центра.тьного проводний которое на высоких частотах является весьма заметным возмунтагонщм факторе* И наоборот, экран предохраняет центральный проводник от влияния внеигнихвоз мущений. Коаксиальные кабели различаются но величине их распределенного импе данса; обычные значения - 50 Ом (кабель RG-58) и 75 Ом (кабель RG-59). Значею* коаксиального кабеля обусловлено его ншроким применением в высокочастотно технике и технике связи (ра,здел 9.3).

4.5.3. Электрические помехи

Помехи, возникающие в электрическо.м проводнике, могут иметь различную природу. Обычно по.мехи вызваны одни.м из следующих типов связи между их i-точником и нроводнико.м;

-<р-Чиггтм,ин/-1й.

- емкостной;

- индуктивной (магнитной).

Резистивная (или гальваническая) связь между проводником и источником помех не зависит от частоты возмущающего сигнала. Напротив, при емкостной или ии-дукгивной связи степень влияния зависит от частоты помех - чем выше частота, тем больше энергии получается от источника возмущений. На практике это означает, что .электрические цепи, в которых происходят быстрые изменения тока и/или напряже-ипя, могут быть более серьезными источниками помех, чем низкочастотные. Вообще говоря, взаимодействие с источником возмущений редко относится к одному типу, обычно ~ это комбинация всех трех вышеперечисленных типов. Серьезные проблемы с помехами возникают, когда проводники с маломощными сигналами расположены вблизи силовых кабелей. Каждый провод в соединительных цепях датчика с обрабатывающим электронным устройством является потенциальным приемником электрических помех.

Чтобы создать для электронного оборудования среду, максимально свободную от наводок, постоянно проводится множество исследований и разработок. Целью является достижение электромагаитной совместимости {electromagnetic compatibility - EMC) в рамках электрических цепей, а также между различными цепями и системами. Электрический прибор должен, с одной стороны, быть нечувствительным к виенг-ним помехам и, с другой стороны, не должен генерировать помех, которые могут оказать влияние иа другую аппаратуру.

Резистивная связь

Когда несколько электронных устройств одновременно имеют общий источник питания и общее заземление, могут возникать взаимодействия резистивиого характера, Довольно часто встречаюпщеся источники помех - плохо заземленные электродвигатели и преобразователи частоты с полупроводниковыми вентилями. Один из способов избежать такого типа взаимодействия - обеспечить для чувствительного электронного оборудования выделенный источник питания. Другая возможность - это гальваническая развязка источников питания и аппаратуры. В этом случае пря-.чая электрическая связь между различными источниками питания и электрооборудованием отсутствует.

Пример 4.9

Переключаемый конденсатор

Переключаемый конденсатор {flying capacitor) ~ это пример гальванической развязки (рис. 4.23). Конденсатор присоединен к источнику напряжения через два переключателя, т. е. он имеет тот же потенциал, что и источник напряжения. Подача напряжения на выход обеспечивается с помощью переключателей. Таким образом, источник напряжения никогда не соединяется непосредственно с последующей цепью, например входом компыотера. Конденсатор переключает {"flies") входное напряжение на выходную цепь.