Передача цифровых сигналов
При передаче цифровых сигналов по кабелям или между отдельными приборами возникают специфические проблемы. Важную роль начинают играть такие эффекты, как емкостная нагрузка на быстрые сигналы, синфазные перекрестные помехи, а также эффекты «длинных линий». Чтобы обеспечить надежную передачу, в большинстве случаев необходимо использовать специальные средства и соответствующие интерфейсные интегральные схемы (ИС). Некоторые из этих проблем могут возникнуть даже на отдельной печатной плате, поэтому рассмотрим проблемы передачи в пределах одной платы. Затем рассмотрим проблемы, возникающие при передаче сигналов между платами, по шинам данных, и наконец, при передаче сигналов между приборами по витым парам и коаксиальным кабелям.
Соединения внутри плат
Ток переходного процесса выходного каскада
Двухтактная выходная схема в ТТЛ и КМОП ИС состоит из пары транзисторов, включенных между U+ и землей. Когда состояние на выходе изменяется, существует короткий интервал времени, в котором оба транзистора находятся в открытом состоянии. На этом интервале от U+ к земле проходит импульс тока, создавая короткий отрицательный выброс на шине U+ и короткий положительный выброс на земляной шине. Эта ситуация показана на рисунке:
Предположим, что ИМС1 меняет свое состояние. В этом случае от шины +5 В к земле протекает большой кратковременный ток по указанным путям (ток может достигать 100 мА). Этот ток в комбинации с индуктивностью проводников земли и U+ приводит к появлению коротких выбросов напряжения относительно опорной точки, как показано на рисунке. Несмотря на то, что выбросы могут иметь длительность всего 5-20 нс, они доставляют массу неприятностей.
Попробуем предположить, например, что ИМС2, «простодушный свидетель», располагающийся вблизи «кристалла-выброса», находится в состоянии низкого уровня и управляет схемой ИМС3, расположенной несколько дальше. Положительный выброс на земляной шине ИМС2 появляется и на ее выходе и, если этот выброс достаточно велик, ИМС3 воспримет его как короткий выброс высокого уровня. Таким образом, на ИС3, расположенной на некотором расстоянии от ИМС1, появится полноценный логический импульс, готовый помешать нормальной работе схемы. Много усилий не требуется для того, чтобы запустить или сбросить триггер, и такие выбросы тока по земляной шине блестящее умеют делать подобную работу.
Лучшей профилактикой против таких явлений является:
а) использование большого числа земляных шин по всей плате вплоть до применения «земляных поверхностей», одна сторона двухсторонней печатной платы целиком отводится под землю;
б) обильное использование конденсаторов развязки по всей схеме. Чем мощнее шины земли, тем меньше выбросы, индуцированные током (меньше индуктивность и сопротивление). Роль конденсаторов развязки, включенных между U+ и землей и разбросанных по всей плате, заключается в том, чтобы передать импульсы тока по кратчайшим путям с небольшой индуктивностью и существенно уменьшить выбросы по напряжению. Конденсатор работает как локальный источник напряжения, поскольку напряжение на нем существенно не изменяется во время коротких выбросов тока. Лучше всего установить возле каждой ИС конденсатор емкостью от 0,05 до 0,1 мкФ, хотя может оказаться достаточным и один конденсатор на две-три ИС. Кроме того, для запаса энергии полезно расставить по всей плате танталовые конденсаторы большой емкости (достаточно 20 мкФ, 20 В).
Между прочим, конденсаторы развязки между шинами питания и землей рекомендуется ставить в любых схемах, будь то цифровые или линейные. Они помогают превратить шины питания в низкоимпедансные источники напряжения на высоких частотах и предотвращают сигнальную связь между схемами через источник питания. Шины питания без развязок могут привести к непредусмотренному поведению схемы, непредсказуемым колебаниям.
Выбросы, обусловленные емкостными нагрузками
Несмотря на развязки по питанию, проблемы еще не закончились. Взгляните на рисунок:
Цифровой выход обнаруживает паразитную емкость монтажа и входную емкость ИС, которой он управляет (обычно, 5-10 пФ) как часть общей нагрузки. Для того чтобы осуществить быстрый переход от состояния к состоянию, он должен отобрать от этой нагрузки или подать в нее большой ток в соответствии с I=C(dV/dt).
Рассмотрим, например, схему 74АСхх (5-вольтовый выходной перепад за 3 нс), которая управляет общей емкостью нагрузки 25 пФ. Это соответствует 3-4 логическим нагрузкам с короткими проводниками. Ток в момент логического перехода составляет 40 мА, т. е. почти на максимальной нагрузочной способности выхода управляющей ИС! Этот ток возвращается через землю (при переходе от высокого к низкому) или через шину +5 В (при переходе от низкого к высокому). При этом ток индуцирует эти «шустрые» меленькие выбросы, о которых шла речь ранее. Для того, чтобы получить представление об их величине, необходимо принять к сведению тот факт, что индуктивность монтажа составляет примерно 5нГн/см. На дюйме земляного провода, по которому протекает этот ток логического перехода, появится выброс U = L(dI/dt) = 0,2 В.
Похожие выбросы по земле появятся вблизи управляемой ИС, где выбросы тока возвращаются на землю через входную емкость управляемого прибора.
В синхронных системах с большим числом элементов, одновременно меняющих состояние, ситуация с выбросами-помехами становится настолько серьезной, что схема не в состоянии работать надежно. Особое значение это приобретает для больших печатных плат с длинными межсоединениями и длинным земляным путем. В такой схеме могут происходить сбои, когда целая группа линий данных меняет свое состояние от верхнего уровня к низкому, вызывая появление кратковременного очень большого тока по земле. Такая информационная зависимость является характерной особенностью сбоев, обусловленных помехами, и хорошим обоснованием для прогона расширенных тестов памяти в микропроцессорных системах.
Наилучший подход к проектированию состоит в том, чтобы использовать массивную разводку земли (для обеспечения низкой индуктивности), лучше всего в виде внутреннего слоя земли на многослойной плате или по крайней мере перпендикулярных земляных проводников с обоих сторон более простой двухсторонней платы. Обильное использование конденсаторов развязки обязательно.
Острота этих проблем не так велика для высоковольтных КМОП-элементов (благодаря медленным фронтам). С другой стороны, для логических семейств F, AS и АС (Т) эти проблемы достигают наивысшей остроты. Действительно, семейство АС (Т) настолько склонно к динамическим выбросам тока, что некоторые изготовители отказались от традиционного «углового» расположения выводов земли/питания в пользу «центрального» расположения с более низкой индуктивностью выводов. Они пошли еще дальше, использовав для снижения индуктивности земли четыре соседних вывода. Учитывая эти проблемы, лучше не применять без нужды быстродействующее логическое семейство. Лучше использовать для общих целей логику НС, а не АС.
Соединения между платами
В случае логических сигналов, передаваемых между платами, возможностей для появления помех становится все больше. Возрастает емкость проводников, цепь земли становится длиннее, поскольку теперь она проходит по кабелям, разъемным соединителям, платным расширителям и т.п. Поэтому выбросы по земле, возникающие за счет токов во время логических переходов, как правило, больше и вызывают больше беспокойств. Лучше всего стараться избегать передачи между платами тактирующих сигналов с большим коэффициентом разветвления. А провода заземления к отдельным платам сделать достаточно мощными.
Если тактирующие сигналы все же передаются между платами, то целесообразно использовать на каждой плате вентиль в качестве входного буфера. В крайнем случае может понадобится ИС линейного формирователя и приемника. В любом случае критические схемы лучше располагать на одной плате: тогда появляется возможность контролировать индуктивность цепи земли и свести к минимуму емкость монтажа. Проблемы, которые возникают при пересылке быстрых сигналов через несколько плат, трудно даже оценить. Они могут обернуться настоящим бедствием для всего проекта.
Шины данных
Когда большое число подсхем объединяются в шину данных, упомянутые проблемы становятся еще более острыми. Более того, появляются новые моменты — эффекты длинных линий, обусловленные длиной и индуктивностью самих сигнальных линий. Для самых быстрых ИС эмиттерно-связанной логики (с фронтом менее 1 нс) эти эффекты становятся настолько важными. Все сигнальные цепи длиной более 1 дюйма следует рассматривать как линии передачи и соответствующим образом их согласовывать.
Для шин данных любой существенной длины (30 см и более) наилучшим подходом, по-видимому, является применение объединительной платы с «земляной плоскостью». Объединительная плата представляет собой простую печатную плату, содержащую ряд разъемных соединителей под печатный монтаж для подключения отдельных схемных плат, составляющих всю логическую схему. Объединительные платы — это экономное решение проблемы объединения плат, а если они выполнены соответствующим образом, то это и решение электрических проблем.
Проводники, расположенные вблизи земли, имеют меньшую индуктивность и менее склонны к образованию емкостной связи с близлежащими сигнальными линиями, поэтому для создания простой объединительной платы все сигнальные линии следует расположить на одной стороне, а другую сторону отвести под основательную земляную плоскость. Двухсторонние печатные платы имеют широкое распространение, но для сложных схем все чаще применяются многослойные печатные платы.
Последнее замечание на эту тему. Когда эффекты длинной линии типа «звонов» и выбросов по земле сильно допекут, можно прибегнуть к распространенному приему: подключить конденсатор прямо к вентилю, управляемому длинной линией. Тем не менее не рекомендуется прибегать к этому, малоизящному приему, поскольку он только усложняет проблему больших токов по земле во время логических переходов.
Оконечная нагрузка шин
Сигнальные линии шин большой длины принято нагружать на самом дальнем конце резисторами, подключенными к питанию или к земле. Длинные пары проводов или коаксиальные кабели обладают «характеристическим импедансом» Zo. Сигнал, распространяющийся по кабелю, который нагружен этим импедансом (кстати, всегда резистивный), полностью поглощается без всяких отражений. Любая другая величина нагрузки, в том числе и холостой ход, вызывает отраженные волны, амплитуда и фаза которых зависит от рассогласования импедансов. Ширина печатных проводников и расстояние между ними таковы, что характеристический импеданс линий связи на печатной плате составляет примерно 100 Ом. Это почти соответствует характеристическому импедансу витой пары из обычного изолированного провода сечением 15 мм или другого, близкого сечения.
Распространенным способом завершения ТТЛ-шины является подключение делителя напряжения между + 5 В и землей. Логический высокий уровень удерживается при этом на уровне + 3 В, а это означает, что при переключении нужен меньший перепад напряжения и поэтому через емкость нагрузки протекает меньший ток. Обычно выбирают комбинацию из резисторов 180 и 390 Ом, подключенных соответственно к + 5 В и земле:
Другой способ, хорошо работающий и для ТТЛ, и для КМОП, состоит в том, чтобы использовать нагрузку по переменному току, состоящую из последовательной цепочки резистор-конденсатор между линией данных и землей:
Величина резистора обычно выбирается близкой к характеристическому импедансу шины (типовое значение 100 Ом). Величина емкости должна быть выбрана из расчета низкого емкостного сопротивления на частоте, равной обратной величине времени подъема сигнала (в общем случае достаточно 100 пкФ).
Кабельные связи
Передачу цифровых сигналов от одного устройства к другому нельзя осуществлять с помощью простого одиночного проводника, такое соединение подвержено влиянию взаимных помех. Цифровые сигналы обычно передаются по коаксиальным кабелям, витым парам, плоским кабелям (иногда с земляной поверхностью или в экране), многожильным кабелям и по оптоволоконным кабелям.
Стандарт RS-232
Для сравнительно медленной передачи сигналов (несколько тысяч бит в секунду) по многожильным кабелям обычно используют известный сигнальный стандарт RS-232C (или более новый RS-232D). Стандартом определены биполярные уровни от ± 5 до ± 15 В. Для формирователей необходимы положительное и отрицательное напряжения питания, но приемники обычно этого не требуют. Приемники допускают, как правило, управление гистерезисом и временем отклика под конкретную ситуацию с помехами.
Применяя стандарт RS-232, можно использовать многожильный кабель без всякой экранировки, так как максимальная скорость изменения напряжения формирователей для минимизации перекрестных помех намерено ограничена величиной 30 В/мкс. Кроме основного ТТЛ-совместимого элемента, состоящего из 4 пар «формирователь(1488)/приемник(1489)», имеется несколько улучшенных ИС, включая маломощные варианты (LT1032, MCI45406) и варианты, работающие от одного источника +5 В (серии МАХ-232 и LT1130, LT1080). Последние содержат преобразователь напряжения для формирования необходимого отрицательного напряжения. Типовая схема показана на рисунке:
RS-232 широко используется для обеспечения связи между компьютерами и терминалами на стандартизованных скоростях передачи данных, входящих в диапазон от 110 до 38400 бит/с. Полный стандарт определяет даже распайку контактов 25-контактного миниатюрного соединителя типа D и используется для передачи данных в коде ASCII.
Управление от 5-вольтовой логики
Линиями средней длины, как и шинами данных, можно управлять непосредственно логическими уровнями. На рисунках ниже показано несколько способов управления.
На первой схеме буфер (может иметь открытый коллектор) управляет нагруженной линией с ТТЛ-триггером Шмитта в качестве приемника для повышения помехоустойчивости.
Если уровень помех высок, то можно использовать, как показано на следующей схеме, замедляющую RС-цепь с подстройкой постоянной времени (и скорости передачи!) в соответствии с конкретной обстановкой.
В этой схеме триггер Шмитта играет важную роль.
В последней схеме мощный КМОП-буфер управляет линией с комплексной нагрузкой и КМОП-триггером Шмитта в качестве приемника.
Непосредственное управление с помощью логических уровней будет нормально работать на витой паре, плоском и коаксиальном кабелях средней длины (около 3 м). Из-за быстрых фронтов большое значение приобретает емкостная связь с соседними линиями. Обычное «лекарство» — это чередование с земляными линиями или спаривание сигнальных линий с земляными (витая пара).
Проблема взаимосвязи сигналов практически лишает возможности осуществить непосредственное управление от логики с использованием многожильных кабелей.
Важное замечание: никогда не пытайтесь управлять длинными линиями от не буферированных тактируемых элементов (триггеров, одновибраторов, счетчиков и некоторых регистров сдвига). Емкостная нагрузка и эффекты «длинных линий» могут вызвать неправильное поведение схемы. «Буферированные» элементы содержат выходные формирователи, включенные между внутренними регистрами и выходными контактами и поэтому «не видят» реальных сигналов (с плохими параметрами) на выходных линиях и не сталкиваются с этой проблемой.
Управление от высоковольтной логики
Если для передачи сигналов по кабелям используется непосредственное управление от логики, то можно повысить помехоустойчивость, увеличивая перепад сигналов. В примере, показанном на рисунке ниже, в качестве генератора 12-вольтового логического перепада для витой пары используется элемент 75361 «формирователь ТТЛ-МОП».
Приемником является элемент 75152, который позволяет устанавливать входной порог (входное сопротивление составляет примерно 9 кОм, следовательно, резистор смещения 12 кОм установит порог на + 5 В) и гистерезис (в данном случае до ±2 В). Нагрузка линии 120 Ом согласовывает характеристический импеданс витой пары.
Дифференциальное управление. Стандарт RS-422
Намного более высокую помехоустойчивость можно получить, используя дифференциальные сигналы, т. е. подавая Q и Q’ на витую пару с дифференциальным приемником:
Здесь парные ТТЛ-инверторы посылают в нагруженную витую пару прямой и инверсный сигналы, а дифференциальный линейный приемник 75115 воспроизводит чистые уровни ТТЛ. Биполярные ТТЛ-формирователи менее склонны к разрушению от статического электричества и к тиристорному защелкиванию из-за отражений в линии. Эта схема обеспечивает высокую степень подавления синфазных помех и восстанавливает четкие логические уровни из линейных сигналов, которые могут выглядеть довольно устрашающе. Показанная на рисунке форма колебаний дает лишь общее представление о том, что можно увидеть на отдельных сигнальных линиях в сравнительной чистой системе. Реальные сигналы могут быть довольно сильно искажены, хотя и будут оставаться монотонными (отсутствует обратная волна).
Примером линейного приемника с настраиваемым временем отклика является элемент 75115. Другой дифференциальный приемник (75152) позволяет управлять гистерезисом. Для душевного спокойствия желательно использовать приемник с гистерезисом (и с настраиваемой постоянной времени). Такие приемники как раз и призваны для того, чтобы разбираться с самыми причудливыми формами сигналов.
Элемент 75107 является парным дифференциальным приемником, который обычно используется с согласующей нагрузкой, как показано на рисунке. Несколько формирователей могут совместно использовать одну дифференциальную линию в режиме «групповой линии», поскольку их выходы могут отключаться в 3-е состояние. В этом случае нагрузку на каждом формирователе не ставят, а переносят ее в самый дальний от приемника конец линии.
Дифференциальные формирователи с отводом тока позволяют достичь действительно впечатляющей скорости передачи данных. Это объясняется, по-видимому, тем, что высокоимпедансное управление с отдачей тока гарантирует возможность нагрузки кабеля на его характеристическое сопротивление для обоих состояний формирователя. В соответствии с техническими данными скорость передачи составляет более 1 Мбит/с на линии длиной 500 м и достигает 10 Мбит/с на линии длиной несколько десятков метров и менее.
Стандарт RS-422/423. Этот стандарт передачи данных, разработанный с целью замены распространенного стандарта RS-232, предназначен прежде всего для работы с витой парой или плоским кабелем. Его можно использовать как в несбалансированной схеме (RS-423, 100 кбит/с макс.), так и сбалансированной схеме (RS-422, 10 Мбит/с макс.). В несбалансированном режиме можно использовать биполярные сигнальные уровни (источники ± 5 В) с управляемой скоростью нарастания, как и в RS-232. В сбалансированном режиме используются однополярные ТТЛ-уровни (и по одному источнику питания 4-5 В) без ограничения скорости нарастания.
Распространенной серией формирователей/приемников для RS-422/3 является серия 26LS30-34 фирмы AMD. Элементы 75ALS192/4 имеют повышенное быстродействие при меньшей мощности.
Предпочтительно использовать дифференциальную передачу сигналов в тех случаях, где важную роль играют надежность и хорошая помехозащищенность. За счет эффектов компенсации дифференциальный сигнал обеспечивает низкую степень связи с другими сигналами («перекрестные помехи»). Использование витой пары, а не плоского кабеля, иногда улучшает работу. RS-422 чрезвычайно надежен даже при передаче по длинному кабелю, в то время как непосредственное управление от логики весьма ограничено в своих возможностях даже на средних длинах, хотя его можно несколько улучшить, используя нагрузку и плоский кабель с общей земляной поверхностью.
Вопреки ожиданиям, витая оказывается нисколько не лучше плоского кабеля при непосредственном управлении от логики.
Дифференциальные линейные приемники работают нормально до тех пор, пока принимаемые сигналы находятся в пределах допустимого диапазона синфазных напряжений, обычно в несколько вольт (для 75108-±3 В). При использовании длинных линий можно, однако, очутиться в ситуации либо высокочастотных синфазных помех, либо низкочастотных разностей напряжений между источником и линией, превышающими в обоих случаях синфазный диапазон приемника. Если эти проблемы встают слишком остро, можно использовать пару резистивных делителей на входе приемника, или использовать приемник с встроенным аттенюатором, например 26LS33 — приемник для RS-422 с синфазным диапазоном ±15 В.
При передаче сигналов по действительно длинным кабелям или при передаче в условиях очень сильных помех обычно используют индуктивную связь. Применив трансформаторы, разумеется, мы лишаемся возможности передавать логические сигналы постоянного тока. Приходится кодировать данные определенным способом, например с использованием «несущего» сигнала. Локальные сети обычно используют индуктивную связь.
Формирователи для коаксиальных кабелей. Благодаря своей геометрии коаксиальные кабели обладают очень хорошей защитой от внешних влияний. Кроме того, однородность диаметра и внутренних размеров (по сравнению со случайными отклонениями в случае жгутов и витых пар) позволяет достаточно точно предсказывать величину характеристического импеданса. Следовательно, позволяет обеспечить превосходные условия для передачи. Именно по этой причине только они используются для передачи аналоговых радиочастотных сигналов.
Существуют несколько пар формирователей/приемников, удобных для цифровой передачи по коаксиальному кабелю. пример показан на рисунке:
Кабель нагружен на характеристическое сопротивление, в данном случае 51 Ом. Элемент 8Т23(559ИП4) может непосредственно управлять 50-омной нагрузкой, а 8Т24(559ИП5) обладает гистерезисом фиксированной величины для обеспечения помехоустойчивости и малым временем переключения выхода. Скорость передачи в такой схеме достигает 100 кбит/с на кабеле в 1609 м и до 20 Мбит/с на более коротких линиях.
Другая пара формирователей/приемников входит в интерфейсные семейства 8Тхх и 75ххх. Элементы 74F3037 (счетверенный) и 74F30244 (октальный) предназначены для управления кабелями с импедансом ниже 30 Ом (например, кабелем, нагруженным с двух концов). При управлении 50-омными коаксиальными линиями необходимо использовать приемники с соответствующими техническими характеристиками, поскольку уровни напряжений на нагруженном кабеле могут оказаться меньше обычных логических уровней.
Превосходным коаксиальным формирователем является ИС MC10194. По существу, это шинный приемопередатчик, предназначенный для одновременной передачи и приема по одной линии:
При использовании этого способа каждая ИС может осуществлять передачу к другому приемопередатчику и одновременно принимать от него данные в асинхронном режиме без перекрестных помех на скорости 100 МГц и выше.
С помощью одного эмиттерного n-р-n-повторителя можно непосредственно управлять коаксиальным кабелем определенной длины от + 5-вольтовой логики
Транзистор 2N4401 — это небольшой мощный транзистор с большим коэффициентом усиления по току в схеме с общим эмиттером при большом токе (h21Э > 100 при IК= 150 мА). 10-омный резистор включен для защиты от короткого замыкания. По сравнению с тщательно спроектированным и дорогостоящими ИС-формирователями для 50-омных кабелей эта схема до удивления проста. Заметьте, что для нормальной работы выход с открытым эмиттером должен нагружаться на низкое сопротивление на землю, что справедливо и для некоторых интегральных кабельных формирователей.
Волоконно-оптические кабели. Еще один способ передачи сигналов основан на применении волоконно-оптических кабелей. Это кабели с превосходным пластиковым покрытием с согласующими соединителями, излучателями и детекторами. Высококачественные волоконно-оптические кабели могут осуществлять передачу в полосе частот до нескольких гигагерц на расстояния в десятки и сотни километров без потери дробных децибел на километр.
По сравнению с коаксиальными кабелями, которые могут иметь разброс параметров (скорость распространения зависит от частоты, количество потерь также определяется частотой, что вызывает искажения колебаний), дисперсия волоконно-оптических кабелей незначительна. Кроме того, волоконно-оптические кабели являются изоляторами, поэтому их можно использовать для передачи сигналов между устройствами с изолированной землей, или на различных напряжениях. В отличие от обычных кабелей они не являются антеннами по отношению к радиочастотным и импульсным помехам. Они легче, безопаснее, обладают более высокой стойкостью, чем традиционные кабели, к тому же, они потенциально дешевле.
Существует несколько типов волоконно-оптических кабелей, позволяющих сделать выбор между стоимостью и производительностью (длина на ширину полосы). Самым дешевым является многомодовое волокно со ступенчатым изменением коэффициента преломления; обычно это пластиковое волокно диаметром 1 мм. Вы можете передавать по нему излучение инфракрасного светодиода (а не лазерного диода), а в качестве детектора использовать фототранзистор или p-i-n-диод.
Кабели более высокого качества используют стекловолокна-многомодовые со ступенчатым изменением коэффициента преломления, многомодовые с плавным изменением коэффициента преломления (лучше) или одномодовые (самые лучшие).
Подробнее о волоконно-оптической связи смотрите в статье «Волоконно-оптическая связь. Варианты реализации«
