Виды линий связи и их электрические параметры

Линии связи относится к электрически «длинной», если время распространения сигнала больше фронта импульса. «Длинные» соединения делают в виде согласованных экранированных линий связи. Для них характерна задержка сигнала и уменьшение его амплитуды. Массовые соединения обычно выполняются несогласованными, неэкранированными линиями связи. Большинство массовых соединений можно отнести к электрически «коротким».

Линия связи считаются электрически «короткой» , если длительность фронта импульса больше времени задержки распространения сигнала (точнее t_ф > 4T_з). Для таких соединений характерно ухудшение фронтов и появление паразитных сигналов, по плоской части импульса. Основные искажающие факторы – эффект отражений и различного рода помехи.

Различные конструктивные виды линий связи:

В ЭС, особенно старших конструктивных уровней, могут сочетаться различные типы линий.

Например, связь двух элементов, расположенных на различных типовых конструкциях, может включать следующие участки: микрополосковая линия – контакт разъема – витая пара – контакт разъема - микрополосковая линия. Степень искажения сигнала зависит от электрических параметров, топологии и геометрической длины различных соединений. Помехи, возникающие при конструктивной реализации межсхемных соединений, не должны превышать допустимых, а задержки сигналов должны обеспечивать определенное в ТЗ быстродействие.

Таким образом, основная задача при проектировании соединений быстродействующих элементов ЭС состоит в выборе типа, конструкции и определении допустимой длины линий связи, в выработке требований к таким конструктивным элементам монтажа, как ПП, разъемы и т.п., т.е. при решении топологии.

Электрические параметры линий связи (рисунок 8.19) влияют на качество передачи сигналов.

где С_во и L_во – взаимные ёмкость и индуктивность на единицу длины линии; Z₀ – волновое сопротивление линии.

где R₀ , G₀ – активные сопротивление линии и проводимость изоляции на единицу длины линии; С₀ и L₀ – собственные ёмкость и индуктивность на единицу длины линии. Так как R₀ и G₀ – малы, то

Важнейший параметр – задержка распространения сигнала (нс/м) по линии связи на единицу длины. Так, для ненагруженной линии связи

для нагруженной линии связи

,

где – эффективное значение относительной диэлектрической проницаемости среды. – магнитная проницаемость среды (для большинства диэлектриков =5..8, ); С_сх – емкость нагрузки; l – геометрическая длина линии.

Ниже приведем некоторые виды связи, применяемые в ЭС и формулы для расчета их основных электрических параметров.

Проводник над заземленной плоскостью (рис.8.20).

Рис.8.20.Схема проводника над

проводящей поверхностью.

Здесь и далее h и d –в мм; С₀ – Ф/м; L₀ – в Гн/м; Z₀ – в Ом.

Витая пара.(Рис.8.21)

Рис.8.21.Схема витой пары.

D – диаметр изоляции проводника;

d – диаметр без изоляции.

Полосковая линия. (Рис.8.22)

Рис.8.22.Схема полосковой линии.

Микрополосковая линия. (Рис.8.23).

Рис.8.23.Схема микрополосковой линии.

Коаксиальный кабель. (Рис.8.24)

Это идеальная экранированная линия связи.

Рис.8.24.Схема коаксиального кабеля.

Для ослабления влияния магнитной связи в аппаратуре необходимо:

- максимально разносить цепи рецепторов и источников помех;

- по возможности компоновать цепи РП в плоскости, параллельной направлению воздействующего на них помехонесущего магнитного потока;

- уменьшать площадь петли, образованной цепью РП, сокращая длину и расстояние между проводами h, что снизит магнитный поток, пронизывающий петлю (рисунок 8.25а).

Укладка изолированного прямого провода непосредственно на каркас или шасси изделия существенно снижает h (рисунок 8.25 б)

Применение отдельного обратного провода в качестве земляного позволяет устранить также кондуктивную связь через общий участок корпуса или шасси (рисунок 8.25, в).

При скручивании прямого и обратного проводов напряжения на соседних участках линии примерно одинаковы по уровню, но противоположны по знаку (рисунок 8.25, г).

Малая магнитная связь обеспечивается и при использовании коаксиального кабеля, так как его оплетка, являющаяся обратным проводом, расположена концентрично относительно внутреннего провода, чем обеспечивается малое h.

Если применение указанных мер при проектировании ЭС ограничено, то для обеспечения трудоемкого ослабления помех необходимо прибегнуть к магнитному экранированию.

8.8.1. Волоконно – оптические линии связи (ВОЛС)

ВОЛС находят всё большее применение в устройствах передачи изображений, для обмена информацией между различными устройствами ЭВМ или отдельными машинами в вычислительных сетях, иерархических системах обработки информации.

По мнению специалистов ВОЛС займут доминирующее положение. Это связано:

- с малым поперечным сечением и малой массой волокон;

- большой широкополостностью;

- невосприимчивостью к внешним электромагнитным помехам- отсутствием внешних излучений;

- отсутствием К.З.;

- широким температурным диапазоном работы.

Основу ВОЛС составляет световод или оптическое волокно. Схема прохождения сигнала поясняется следующим рисунком.

1- отраженный луч света

2- выходящий луч света

3- сердцевина

4- оболочка

5- падающий луч света

Луч света падающий под углом q на торец световода, проходит в его сердцевину и отражается под углом R от оболочки.

Отражение происходит вследствие разности коэффициента отражения оболочки n₀ и сердцевины n_c; После многократного отражения луч света выходит из противоположного конца световода практически неизменным.

Показатели преломления сердцевины и оболочки определяют эффективность ввода излучения в световод. Чем больше разница, тем эффективнее световод. Неоправданно большая разница между показателями преломления сердцевины и оболочки ведет к увеличению дисперсии (расширения импульса).

Затухание света в световод обусловлено поглощением и рассеиванием в материале сердцевины и потерям на излучение. Степень поглощения света материалом световода определяется его примесями, каждый вид которой обладает определенной полосой поглощения. Так в волоконных световодах на основе кварцевого стекла основной примесью является ионы ОН^-, имеющие максимальные потери при длине волн 950 мм и слабые полосы поглощения на длинах волн 725, 825, 875 мм.

При концентрации ионов ОН^- равной 10^-6 – потери на длинных волнах вблизи 950 мм составляют~ 1дб/мм.

Уширение импульса в световодах происходит из- за наличия в них: дисперсии материала, межмодовой дисперсии.

Межмодовая дисперсия- следствие того, что свет введенный в световод под углом к оси, проходит более длинный путь, по сравнению со светом распространяющимся вдоль оси. Эта разница длин приводит к расплыванию входного импульса. В многомодовых световодах из кварцевого стекла с полимерной оболочкой уширение импульсов может быть 20 нс/км.

Дисперсия материалаобуславливается нелинейной зависимостью показателя преломления материала от длины волны света. Для стеклянных световодов уширение импульса из- за дисперсии материала (длина волны 820 нм составляет 3,0 – 3,5 нс/км. Отсюда если принять критической длиной световода его длину, при которой уширение импульса равно длительности исходного импульса для определенной скорости передачи информации, то при V= 10 Мбит/с критическая длина световода равна 25 км при использовании в качестве источника света светоизлучающий диод (СИД) и 50 км при использовании лазерных источников света.

Изгибы световода приводят к потерям на излучение, которые сильно возрастают с уменьшением радиуса изгиба.

Наименьший допустимый радиус кривизны ограничен фактической прочностью световодов.

Относительная деформация определяется:

G_s=(((R+2r)/(R+r))-1)*100%

где r- радиус оболочки световода, м

R- радиус изгиба световода, м

Конструктивно световод состоит из сердцевины, покрытой несколькими слоями защитных материалов.

Первичное покрытие (5…10 мкм), лаковая плёнка из ацетата целлюлозы, эпоксидной смолы, силикона, уретана и др., защищает материал сердцевины от внешних воздействий и увеличивает механическую прочность.

Назначение последующих слоёв- устранение действующих поперечных сил и увеличение прочности на разрыв.

Группа световодов- оптический кабель, в который кроме световодов включают силовые элементы, наружные покрытия, демпфирующие элементы.

Отечественная промышленность выпускает большинство конструкций оптических кабелей, характеризующихся широким спектром параметров:

- Æ наружный 4- 8 мм

- прочность на разрыв- 50- 250 Н

- коэффициент затухания 5- 50 дб/км

- погонная масса 10- 50 кг/км

- температура -40…+70 ^оС

В качестве источника света – светодиоды, лазерные диоды.

Рассмотрим некоторые конструкции кабелей.

а)

1- gd 10 световодов

2- упрочняющий элемент

3- покрытие

4- полимерная демпфирующая прокладка

5- полимерная оболочка

Общий диаметр 7 мм.

б)

2- фидер

1- световод

3,7 - упрочняющие элементы

в)

1- световод

2- упрочняющий элемент

3- демпфирующий слой

4- защитный материал

г)

1- световод

2- упрочняющий элемент

3- демпфирующий слой

4- защитный материал

Схема волоконно-оптической линии связи.

I- передатчик 1- возбудитель 4- оптический кабель 7- усилитель

II- приёмник 2- светодиод 6- фотодиод

Потери энергии при вводе в светодиод зависит от числовой аппаратуры и ~ 14- 18 дб., лазерный светодиод ~ 3 дб.

В ВОЛС со скоростью передачи информации до 50 Мбит/с следует использовать светодиоды, при более высоких скоростей- лазерные диоды. В случае необходимости включают регенерирующие устройства, обеспечивающие промежуточное усиление ослабленных сигналов и передачу усиленных сигналов в последующие участки ВОЛС.

Одной из основных проблем является обеспечение надежности разъёмных соединений.

Любые радиальные смещения и переносы приводят к существенной потери сигналов.

радиальное угловое

8.9 Конструирование электрического монтажа

Электромонтажом называется часть конструкция, предназначенная для обеспечения электрических неразрывных связей при объединении нескольких элементов нижестоящего конструктивного уровня. Электромонтаж обычно рассматривается в двух аспектах: межконтактная коммутация (межсоединения) и контактирование.

На разных уровнях используются различные способы реализации электромонтажа. Так для ИС (на первом конструктивном уровне) обычно пленочная межконтактная коммутация и неразъёмное контактирование (наложением металлическим пленок или термокомпрессией). На втором и третьем конструктивном уровне для коммутации преимущественно используют печатный монтаж, контактирование с ИС пайкой или сваркой с другими ФЯ (ТЭЗ) или панелями – пайкой или разъемами. На более высоком конструктивном уровне межсоединения чаще всего выполняются с помощью объемных проводников, а контактирование – пайкой, сваркой, накруткой, разъемами.