Двунаправленная передача сигналов

Одновременная двунаправленная передача информации по одному кабелю. В дисплее VT100 (фирма DEC) использована схема, позволяющая передавать информацию одновременно в двух направлениях от двух независимых и не синхронизированных между собой источников (рис. 19.16). Схема содержит два одинаковых приемопередатчика, объединенных двухпроводной линией связи L. В табл. 19.1 показаны четыре возможные состояния устройства. Сигналы А, В, С и D представлены в табл. 19.1 логическими значениями, остальные сигналы представлены в виде приблизительных значений напряжений

Рис. 19.16. Канал связи процессора с блоком клавиатуры

Таблица 19.1

Состояния сигналов

Для упрощения рассуждений будем считать, что в каждом приемопередатчике резистор, включенный между выходом и входом «+» компаратора К, а также конденсатор исключены из схемы. Эти элементы влияют на динамические характеристики канала связи: резистор создает гистерезисную обратную связь, улучшая крутизну фронтов и повышая помехоустойчивость, а конденсатор выравнивает время нарастания (и спада) сигналов на входах «+» и «–» компаратора, компенсируя таким образом емкость линии связи и устраняя ложные «перекосы» сигналов на фронтах. Сделав такие допущения, можно считать, что схема «статична», и рассчитать напряжения во всех ее внутренних точках, пользуясь законом Ома.

Рассмотрим, например, первую строку табл. 19.1. При подаче сигналов логического 0 на входы А и В канала связи на выходах е и m входных инверторов с «открытым коллектором» формируются напряжения, близкие +12 В.

Поступая через резисторы сопротивлением 10 кОм в средние точки соответствующих резисторных делителей, они, в свою очередь, повышают напряжения в этих точках примерно до +9 В. Напряжение на сигнальном проводе f линии связи в этом случае равно примерно +12 В. Разность напряжений (g–h), подаваемых на входы «+» и «–» компаратора приемопередатчика 1, положительна и составляет примерно 3 В, поэтому на его выходе в точке n формируется сигнал амплитудой около 5 В, а на выход С инвертора выдается логический 0.

В силу симметрии канала и равенства логических значений входных сигналов на выходе D приемопередатчика 2 также формируется сигнал логический 0.

Продолжая аналогичные рассуждения, можно убедиться в истинности информации, приведенной в таблице 19.1. Из этой таблицы следует, что D =A и С = В при всех возможных ситуациях. Другими словами, два потока информации идут навстречу друг другу без взаимодействия, как если бы они шли по двум независимым однонаправленным каналам. Выходные инверторы можно исключить, при этом канал будет инвертировать передаваемую информацию.

Канал одновременной двунаправленной передачи с оптронной развязкой. Та же задача встречной одновременной передачи информации по одной паре проводов может быть решена с использованием другой схемы (рис. 19.17) с лучшими динамическими характеристиками и с гальванической развязкой между линией связи и устройствами – участниками обмена.

Рис. 19.17. Канал для одновременной передачи информации по одному кабелю с гальванической развязкой приемопередатчиков

Таблица 19.2

Состояния сигналов

Рассмотрим сначала работу составных частей схемы. Усилители D₃ и D₄ представляют собой буферные логические элементы ТТЛ с открытым коллектором и предназначены для управления светодиодами оптронов V₂, V₃ и V₆, V₇.

При А = 0 (на входе напряжение низкого уровня) выходной транзистор элемента D₃ насыщен, светодиод оптрона V₃ излучает свет, светодиод оптрона V₂ выключен.

При А = 1 выходной транзистор элемента D₃ закрыт, светодиод оптрона V₃ выключен, светодиод оптрона V₂ излучает свет. Управление светодиодами оптронов V₆ и V₇ производится аналогично.

Передающие оптроны V₂, V₃, V₆ и V₇ предназначены для передачи информации в линию L. Если потенциал коллектора выходного транзистора оптрона V₂ (V₃, V₆, V₇) более положителен, чем потенциал эмиттера, и на этот транзистор поступает световой поток от соответствующего светодиода, то транзистор переходит в состояние насыщения, при котором коллектор «замыкается» с эмиттером. Во всех остальных случаях (при отсутствии светового потока или (и) при обратном включении транзистора) транзистор выключен, т. е. его коллектор «оборван» внутри оптрона.

Приемные оптроны V₁, V₄, V₅, V₈ предназначены для приема информации из линии L. Светодиод приемного оптрона V₁ (V₄, V₅, V₈) включается в том случае, когда потенциал его анода более положителен, чем потенциал катода, и, кроме того, через него протекает достаточно большой ток (например, 10 мА). Если ток через светодиод при прямом смещении близок нулю (при размыкании последовательно включенного с ним транзистора передающего оптрона) или если на светодиод подано обратное смещение, то свет не излучается. Если светодиод оптрона V₁ (V₄, V₅, V₈) излучает свет, то на его выходе X₁(Х₃, Y_l, Y₃) формируется сигнал логического 0; в противном случае - сигнал логической 1.

Элементы D₁ и D₂ выполняют суммирование по модулю два входных сигналов с последующим инвертированием полученной суммы. Другими словами, сигнал логической 1 вырабатывается на выходе элемента D_l (D₂) только тогда, когда число единичных сигналов на его входах четно.

Линия связи L гальванически развязана с входами и выходами схемы. Питание линии производится от двух источников напряжения: U₁ (с заземленным отрицательным полюсом) и U₂ (с заземленным положительным полюсом). Точка заземления G линии L гальванически развязана со «схемными землями» приемопередающих блоков TR1 и TR2. Источники напряжения U₁и U₂ выполняются гальванически развязанными со «штатными» источниками питания блоков TR1 и TR2. Это позволяет повысить помехоустойчивость канала связи. Линию L предпочтительно выполнять витой парой проводов.

Блоки TR1 и TR2 в функциональном отношении равноправны. Различие между ними лишь в том, что источники питания находятся в одном из них, в данном примере – в блоке TR2.

Работа схемы поясняется табл. 19.2, в которой показаны четыре возможных ее состояния при различных комбинациях входных сигналов.

Из табл. 19.2 следует, что выходные сигналы совпадают с входными, поступающими с противоположной стороны, т. е. сигнал на выходе С в любой ситуации повторяет сигнал на входе В, а сигнал на выходе D совпадает с сигналом, поданным на вход А.

Первая строка табл. 19.2 соответствует подаче на входы А и В сигналов логического 0. В этом случае, как было показано, оптроны V₂ и V₆ выключены, а оптроны V₃ и V₇ включены. Это создает благоприятные условия для протекания тока по цепи источника U₂: G—V₃—V₄—V₇—V₈—R₂, поэтому срабатывают оптроны V₄ и V₈ и на их выходах Х_З и Y₃ формируются сигналы логического 0. Оптроны V₁ и V₅ выключены, поэтому на их выходах X₁и Y₁ формируются сигналы логической 1. Таким образом, число единиц, поданных на входы элементов D₁ и D₂, в данном случае нечетно (у каждого элемента по одной единице), следовательно, на выходах С и D формируются сигналы логического 0.

Вторая и третья строки табл. 19.2 соответствуют подаче разноименных сигналов на входы устройства. В обоих случаях ток в линии L отсутствует, хотя светодиоды оптронов V₃ и V₆ или V₂ и V₇ излучают свет (вспомните об условиях протекания тока через выходной транзистор передающего оптрона, рассмотренных ранее).

Логика работы схемы в этих двух режимах такова. Если блок TR1 (TR2) «увидел», что тока в линии L нет, то он узнаёт, что с противоположной стороны передается сигнал, логически противоположный его собственному входному сигналу А (В). Поэтому сигнал на выходе С (D) может быть получен инвертированием «своего» сигнала, что и делается с помощью элемента D_l (D₂), который при X₁ = Х_З = 1 (Y₁ = Y₃ = 1) реализует функцию С=Ā (D = ).

Четвертая строка табл. 19.2 соответствует подаче на входы схемы сигналов логической 1. В этом случае срабатывают оптроны V₂ и V₆ и создаются условия для протекания тока по цепи источника U_l: R₁—V₅—V₆—V₁—V₂—G. На выходах оптронов V₁ и V₅ формируются сигналы Х₁ = 0 и Y_l = 0, при этом в отсутствие тока через оптроны V₄ и V₈ на их выходах формируются единичные сигналы X₃ = Y₃ = 1. Поэтому элементы D₁ и D₂, как и в первом режиме, передают сигнал А на выход С и сигнал В на выход D без инвертирования.

Переходные процессы в устройстве могут сопровождаться появлением кратковременных ложных импульсов на выходах С и D. Эти импульсы могут быть подавлены, например, с помощью интегрирующих RC-цепей, подключаемых к этим выходам. Альтернативным решением может являться многократный программный опрос выходов с выявлением неустойчивых логических значений сигналов, как это обычно делается при программной компенсации «дребезга» контактов механических переключателей. В ряде случаев эти ложные импульсы могут и не нарушать работоспособности системы. Например, два встречно включенных (через данную схему) телетайпа не реагирует на кратковременные ложные импульсы в силу своей механической инерционности.

Канал для одновременной передачи напряжения питания, синхроимпульсов и информации по одному кабелю. На рис. 19.18 приведена схема канала связи для передачи показаний температурного датчика на цифровой индикатор. Питание части схемы, непосредственно связанной с датчиком, осуществляется от источника напряжением +24 В через резистор сопротивлением 620 Ом, сигнальный провод линии связи L и диод. По этому же проводу через транзистор VT₁ проходят кратковременные «отрицательные импульсы в кратковременные периоды открывания этого транзистора сигналом CL. Скважность импульсов CL выбирается большей 10. Эти импульсы не проходят через диод и, следовательно, не нарушают режима питания схемы, связанной с датчиком, В результате включения стабилизатора в точке F поддерживается стабилизированное напряжение +5 В, необходимое для правильной работы датчика, цифро-аналогового преобразователя и компаратора К₁.

В исходном состоянии в момент t₀ в вычитающем счетчике установлен код 11111111, на выходе цифро-аналогового преобразователя устанавливается напряжение, близкое +5 В, компаратор К₁ формирует на выходе нулевой сигнал, так как потенциал на его входе «–» более положителен, чем на входе «+». Транзистор VT₂ закрыт. В дальнейшем, по мере уменьшения содержимого вычитающего счетчика, потенциал входа «–» компаратора К₁ снижается и, наконец, в момент t₁ становится более отрицательным, чем потенциал входа « + ». Транзистор VT₂ включается и потребление тока по линии связи L резко увеличивается.

Рис. 19.18. Схема связи регистрирующего прибора с удаленным датчиком

Этот факт регистрируется компаратором К₂, на выходе которого формируется сигнал В = 0, разрешающий работу суммирующего счетчика, первоначально установленного в 0. Суммирующий счетчик начинает накопление единиц (синхроимпульсов CL) до момента t₂ при котором в вычитающем счетчике вновь устанавливается код 1111111 и т. д. В момент t₂ содержимое суммирующего счетчика переписывается в выходной регистр и отображается на индикаторе, а этот счетчик через время Δt устанавливается в 0.

Далее цикл работы повторяется: схема, связанная с датчиком, в некоторый момент в соответствии с показаниями датчика скачком увеличивает потребление тока, после чего включается суммирующий счетчик, а затем новые данные выдаются на индикатор. Конденсатор С₂, предназначен для фильтрации синхроимпульсов. Чем выше температура, тем раньше включается транзистор VT₂ и, следовательно, тем больше импульсов регистрируется суммирующим счетчиком. Длина линии связи – до 75м.

ГЛАВА 20