Передача цифровых сигналов при наличии помех

Важнейшей задачей при проектировании и эксплуатации электронных схем является борьба со сбоями из-за помех. Такие помехи могут возникать как непосредственно на печатных платах, так и при передаче сигнала по кабелю. В тех случаях, когда цифровые сигналы должны передаваться по кабелю или между измерительными приборами, возникают специфические проблемы. Важную роль играет влияние емкостной нагрузки на высокочастотные сигналы, синфазные перекрестные помехи, а также на «эффекты длинной линии» (отражения от несогласованной нагрузки).

Паразитные связи цифровых элементов по цепям питания на внутриплатных соединениях. Типовой проблемойпоявления помех на печатной плате является наличие токовых импульсов в цепях питания микросхем.

Первой причиной появления таких импульсов является наличие сквозного тока переходного процесса в выходных каскадах цифровых микросхем. Двухтактная выходная схема элемента ТТЛ и КМОП состоит из двух последовательно соединенных транзисторов, включенных между шинами U⁺ и земли. Когда состояние выходного каскада изменяется, оба транзистора кратковременно оказываются в открытом состоянии. В это время от шины U⁺ на землю протекает импульс тока, который создает короткие отрицательные выбросы на шине U⁺ и короткие положительные выбросы на шине земли. Эта ситуация иллюстрируется на рис.19.9.

Предположим, что ИMC1 переключается, и от источника +5 В к земле кратковременно протекает значительный ток, путь которого показан на рисунке. Этот ток в сочетании с индуктивностью проводников U⁺ и земли вызывает короткие выбросы напряжения относительно опорной точки заземления. Эти выбросы малой длительности привести к появлению паразитных импульсов на выходе схемы.

Предположим, что ИМС2 расположена рядом с «переключившейся» микросхемой. ИМС2, на выходе которой действует постоянный сигнал низкого уровня, управляет входом ИМС3, расположенной еще дальше. Положительный выброс, действующий на земляном проводе ИМС2, появится также на выходе последней, и при его достаточной величине воспримется схемой ИМС3 как непродолжительный сигнал высокого уровня. Таким образом, на выходе схемы ИМС3, находящейся на некотором расстоянии от источника помехи – схемы ИМС1 появляется полноценный выходной импульс, нарушающий нормальную работу всей системы.

Лучшим средством против подобного явления является:

а) использование по всей плате мощных земляных шин и даже значительных «поверхностей заземления» (одна сторона двухсторонней или многосторонней печатной платы целиком отводится под поверхность заземления);

Рис.19.9. Помехи на шине земли из-за сквозного тока ИС

б) многократное шунтирование цепей питания по всей плате с помощью конденсаторов. Применение умощненных шин (пониженные индуктивность и сопротивление) уменьшает индуцированные выбросы тока, а благодаря наличию конденсаторов, включенных между шинами земли и U⁺ и распределенных по всей плате, токовые броски распространяются только по коротким ветвям, что в сочетании с пониженной индуктивностью дает существенное снижение величины выбросов (конденсатор действует как локальный источник, напряжение которого за время действия короткого броска тока заметно не меняется). В устройствах на элементах ТТЛ лучше всего около каждой ИМС устанавливать конденсатор емкостью от 0,05 до 0,1 мкФ, но может оказаться достаточным иметь один конденсатор на каждые две или три ИМС. Кроме того, для хранения энергии неплохо распределить по плате несколько конденсаторов большей емкости (например, 6,8 мкФ, 35 В). Шунтирующие конденсаторы рекомендуется включать между шинами источников питания и земли независимо от того, цифровая эта схема или аналоговая. Конденсаторы обеспечивают низкий импеданс шин источников напряжения на высоких частотах, что препятствует возникновению связей между элементами через источник. Незашунтированные шины питания могут служить причиной возникновения ненормальных режимов, генераций, помех.

Второй причиной выбросов является емкость нагрузки. Даже после того, как шины питания зашунтированы, импульсные помехи по шине земли возможны. Почему это так, показано на рис.19.10.

Рис.19.10. Помехи на шине земли из-за емкостной нагрузки

Для выхода цифрового элемента частью общей нагрузки является емкость монтажа и входная емкость элемента, которым управляет этот выход (типовое значение лежит в пределах от 5 до 10 пФ). При резком переключении выхода из одного состояния в другое через такую нагрузку протекает довольно большой ток, величина которого завит от скорости нарастания напряжения и величины паразитной емкости. Этот ток протекает по шине земли, производя импульсные помехи.

В синхронных схемах, где несколько элементов переключаются одновременно, проблема паразитных выбросов еще более серьезна. В печатных платах больших размеров с протяженными соединениями и шинами заземления выбросы тока могут приводить к ощутимым неприятностям.

Для снижения уровня помех лучше всего использовать массивные шины земли (чтобы получить малые величины индуктивности) и наикратчайшие связи. Наличие фильтрующих конденсаторов обязательно. Естественно, конденсаторы должны иметь малое сопротивление для высокочастотных сигналов, поэтому для фильтрации берут те конденсаторы, которые имеют малые паразитные индуктивности. Хороший эффект дает параллельное подключение конденсаторов с большой емкостью (у них обычно большая паразитная индуктивность) и малоемкостных конденсаторов с малой паразитной индуктивностью.

Помехи в сигнальных линиях. При передаче сигнала по кабелю важную роль играет влияние емкостной нагрузки на высокочастотные сигналы, перекрестные помехи, электромагнитные наводки, а также на «эффекты длинной линии» (отражения от несогласованной нагрузки). В связи с тем, что линии из отдельных проводников подвержены действию помех, для связи с удаленными устройствами используются витые пары или коаксиальные кабели. Наилучшим способом передачи является оптоволоконный кабель, исключающий воздействия электромагнитных помех, но он дорог.

Влияние емкостной нагрузки можно снизить правильным согласованием параметров линии связи, входных, выходных цепей и передаваемых сигналов. В зависимости от емкости кабелей определяется скорость передачи данных.

Перекрестные помехи порождаются взаимовлиянием близлежащих линий, передающих сигналы. Борьба с перекрестными помехами осуществляется запрещением параллельного расположения близких и длинных сигнальных линий, расположением между такими линиями экранирующих заземленных проводников, применением коаксиальных кабелей и витых пар.

Электромагнитные наводки создаются внешними полями. Борьба с ними ведется конструктивными методами – экранированием устройства.

Передача сигнала непосредственно с элементов ТТЛ. В случае, когда сигнал передается по витой паре, плоским или коаксиальным кабелем средней длины, можно использовать непосредственную передачу от 5-вольтовых цифровых элементов – ТТЛ или КМОП с выходными буферами. Как это обычно делается, показано на рис. 19.11.

Рис. 19.11. Сопряжение элементов ТТЛ с линиями средней длины

На первой схеме выход в линию производится через буферный элемент (в качестве него может быть использован элемент с открытым коллектором), а на входе для повышения помехоустойчивости используется ТТЛ - триггер Шмитта. При высоком уровне помех можно применить замедляющую RС - цепь как показано на второй схеме. Постоянная времени (и скорость передачи) выбирается такой, чтобы обеспечить достаточно хорошую помехоустойчивость. В этой схеме триггер Шмитта необходим.

Дифференциальные лини связи. Можно получить значительно более высокую помехоустойчивость, применяя для связи по витой паре проводов дифференциальные сигналы в сочетании с дифференциальным приемником (рис. 19.12).

С помощью двух инверторов на элементах ТТЛ в этой схеме формируются прямой и инверсный сигналы для передачи по витой паре проводов, а линейный входной дифференциальный приемник восстанавливает уровни сигналов ТТЛ. Приемником сигнала в этом случае служит дифференциальный усилитель или компаратор. На его верхнем входе действует напряжение U_СИГН + U_ПОМЕХИ, а на нижнем напряжение U_СИГН– U_ПОМЕХИ. Дифференциальный приемник воспринимает разность напряжений между входами, которая равна 2U_СИГН и не содержит напряжение помех. Перекрестные помехи в данном случае также значительно ослабляются, поскольку появляются в обоих проводниках близкими по величине, так что их разность, ощущаемая приемником, мала.

Рис. 19.12. Передача сигнала по дифференциальной линии связи

Эта схема обеспечивает высокую степень подавления синфазных помех и хорошо восстанавливает логические уровни сигналов, искаженные при передаче по линии связи. Форма показанных на рисунке сигналов позволяет понять, за счет чего обеспечивается относительно неискаженная передача; отдельные сигналы, несмотря на появление колебаний и искажение фронтов, остаются монотонными, так как отсутствует обратная, отраженная волна.

Для лучшего подавления электромагнитных помех одним из эффективных способов является увеличение мощности сигнала относительно мощности помех. Для этого используется способ передачи с помощью токовых сигналов. Элементы типа 75S110 или МС3453 имеют коммутируемые токовые выходы (отвод тока); их можно использовать как в однопроводной схеме, так и в рассмотренной выше дифференциальной. На рис. 20.13 показан вариант дифференциальной связи с токовыми формирователями.

Рис. 20.13. Дифференциальный токовый передатчик

В качестве приемника можно использовать дифференциальный усилитель или компаратор, который может использоваться как в схемах с нормальной нагрузкой линии, так и с согласованной парной нагрузкой на обоих концах линии. Подобная простая схема связи позволяет передавать данные со скоростью свыше 1 Мбит/с по линии длиной 500 м, а для линии длиной порядка 100 м скорость может достигать 10 Мбит/с.

Линии связи с гальваническими развязками. Зачастую электронные блоки, между которыми нужно передавать информация, находятся на значительных расстояниях. В этом случае схемные земли двух устройств могут иметь разные потенциалы. Тогда при соединении схемных земель в образующемся замкнутом контуре могут возникнуть импульсные сигналы, небезопасные для соединяемых устройств. Далее, нередко электронные приборы управляют работой мощных высоковольтных агрегатов и при аварийных пробоях изоляции высокие напряжения могут полностью выводить их из строя. Кроме того, в электрически связанных цепях возникают перекрестные помехи, помехи по цепям питания и т.д.

Для обеспечения электробезопасности аппаратуры и борьбы с помехами зачастую используются линии связи с гальваническими развязками. Простейшая схема линий с оптронной развязкой показана на рис. 19.14.

Рис. 19.14. Линия связи с гальванической развязкой

Используя фототранзистор в качестве приемника, можно получить выходной сигнал, совместимый с ТТЛ-схемами.

Формирователи для коаксиального кабеля. Благодаря полному экранированию коаксиальный кабель обеспечивает высокую помехозащищенность (защиту от взаимных помех). Промышленность выпускает несколько разновидностей пар передатчик/приемник, предназначенных для работы по кабелю. Пример такой схемы приведен на рис. 19.15.

Кабель нагружен на характеристическое сопротивление, в данном случае 51 Ом. Элемент 8Т23 рассчитан непосредственно на нагрузку 50 Ом, а элемент 8Т24 имеет фиксированную величину гистерезиса для шумоподавления и малое время переключения. Есть и другие пары передатчик/приемник – 8Т13 / 8Т14, 75123 / 75124, а также ряд элементов из интерфейсной серии 75ххх. Для уверенной работы с коаксиальным 50-омным кабелем следует применять специальные приемники, так как получаемые логические уровни могут оказаться меньшими, чем уровни ТТЛ. Схема, показанная на рис. 19.16, обеспечивает скорости передачи свыше 100 кбит/с при длине кабеля, равной 1,6 км, а если кабель короче, скорость может достигать 20 Мбит/с.

Рис. 19.15. Прием и передача по 50-омному коаксиальному кабелю

С помощью элементов ТТЛ можно передавать сигнал по пятидесятиомному коаксиальному кабелю посредством подключения к выходу ТТЛ элемента мощного n-p-n-транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя.

Следует обратить внимание, что коаксиальный кабель может искажать сигнал, т.к. он иногда представляет собой длинную линию (длинная линия определяется соотношением длины линии и длины волны передаваемого сигнала). В этом случае возникают паразитные колебания из-за несогласованности волновых сопротивлений и возникновении отраженных сигналов. Простейшим согласованием линии является подключение в конце линии резистора с сопротивлением, равным волновому сопротивлению коаксиального кабеля (на рис.19.16 это резистор 51 Ом).