高速傳輸接口串聯(lián)小電阻(過沖問題)

1、阻抗匹配是指信號源或者傳輸線跟負載之間的一種合適的搭配方式。阻抗匹配分為低頻和高頻兩種情況討論。我們先從直流電壓源驅(qū)動一個負載入手。由于實際的電壓源，總是有內(nèi)阻的(請參看輸出阻抗一問)，我們可以把一個實際電壓源，等效成一個理想的電壓源跟一個電阻r串聯(lián)的模型。假設負載電阻為R,電源電動勢為U,內(nèi)阻為r,那么我們可以計算出流過電阻R的電流為：I=U/(R+r),可以看出，負載電阻R越小，則輸出電流越大。負載R上的電壓為：Uo=IR=U/1+(r/R),可以看出，負載電阻R越大，則車出電壓Uo越高。再來計算一下電阻R消耗的功率為：P=I2>R=U/(R+r)2XR=U2>R/(R2+2X

2、RXr+r2)=U2XR/(R-r)2+4XRXr=U2/(R-r)2/R+4M對于一個給定的信號源，其內(nèi)阻r是固定的，而負載電阻R則是由我們來選擇的。注意式中(R-r)2/R,當R=r時，(R-r)2/R可取得最小值0,這時負載電阻R上可獲得最大輸出功率Pmax=U2/(4如即，當負載電阻跟信號源內(nèi)阻相等時，負載可獲得最大輸出功率，這就是我們常說的阻抗匹配之一。對于純電阻電路，此結論同樣適用于低頻電路及高頻電路。當交流電路中含有容性或感性阻抗時，結論有所改變，就是需要信號源與負載阻抗的的實部相等，虛部互為相反數(shù)，這叫做共扼匹配。在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號源跟負載

3、之間的情況，因為低頻信號的波長相對于傳輸線來說很長，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮(可以這么理解：因為線短，即使反射回來，跟原信號還是一樣的)。從以上分析我們可以得出結論：如果我們需要輸出電流大，則選擇小的負載R;如果我們需要輸出電壓大，則選擇大的負載R;如果我們需要輸出功率最大，則選擇跟信號源內(nèi)阻匹配的電阻Ro有時阻抗不匹配還有另外一層意思，例如一些儀器輸出端是在特定的負載條件下設計的，如果負載條件改變了，則可能達不到原來的性能，這時我們也會叫做阻抗失配。在高頻電路中，我們還必須考慮反射的問題。當信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當波長短得跟傳輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在

4、原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負載阻抗不相等（即不匹配）時，在負載端就會產(chǎn)生反射。為什么阻抗不匹配時會產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細說了，有興趣的可參看電磁場與微波方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線的結構以及材料決定的，而與傳輸線的長度，以及信號的幅度、頻率等均無關。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75Q,而一些射頻設備上則常用特征阻抗為50Q的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300Q的扁平平行線，這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見，用來做八木天線的饋線。因為電視機的射頻輸入

5、端輸入阻抗為75Q,所以300Q的饋線將與其不能匹配。實際中是如何解決這個問題的呢？不知道大家有沒有留意到，電視機的附件中，有一個300Q到75Q的阻抗轉(zhuǎn)換器（一個塑料封裝的，一端有一個圓形的插頭的那個東東，大概有兩個大拇指那么大）。它里面其實就是一個傳輸線變壓器，將300Q的阻抗，變換成75Q的，這樣就可以匹配起來了。這里需要強調(diào)一點的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念，它與傳輸線的長度無關，也不能通過使用歐姆表來測量。為了不產(chǎn)生反射，負載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配。如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢？如果不匹配，則會形成反射，能量傳遞不過去，降低效率；會

6、在傳輸線上形成駐波（簡單的理解，就是有些地方信號強，有些地方信號弱），導致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至會損壞發(fā)射設備。如果是電路板上的高速信號線與負載阻抗不匹配時，會產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。當阻抗不匹配時，有哪些辦法讓它匹配呢？第一，可以考慮使用變壓器來做阻抗轉(zhuǎn)換，就像上面所說的電視機中的那個例子那樣。第二，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調(diào)試射頻電路時常使用。第三，可以考慮使用申聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動器的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號線，有時會串聯(lián)一個幾十歐的電阻。而一些接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來跟傳

7、輸線匹配，例如，485總線接收器，常在數(shù)據(jù)線終端并聯(lián)120歐的匹配電阻。為了幫助大家理解阻抗不匹配時的反射問題，我來舉兩個例子：假設你在練習拳擊一一打沙包。如果是一個重量合適的、硬度合適的沙包，你打上去會感覺很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手腳，例如，里面換成了鐵沙，你還是用以前的力打上去，你的手可能就會受不了了一一這就是負載過重的情況，會產(chǎn)生很大的反彈力。相反，如果我把里面換成了很輕很輕的東西，你一出拳，則可能會撲空，手也可能會受不了一一這就是負載過輕的情況。另一個例子，不知道大家有沒有過這樣的經(jīng)歷：就是看不清樓梯時上/下樓梯，當你以為還有樓梯時，就會出現(xiàn)“負載不匹配”這樣的感覺了。當然

8、，也許這樣的例子不太恰當，但我們可以拿它來理解負載不匹配時的反射情況。這個電阻有兩個作用，第一是阻抗匹配。因為信號源的阻抗很低，跟信號線之間阻抗不匹配(關于阻抗匹配，請參看“如何理解阻抗匹配一問"user1/2198/archives/2006/11024.ht叫)，串上一個電阻后，可改善匹配情況，以減少反射，避免振蕩等。第二是可以減少信號邊沿的陡峭程度，從而減少高頻噪聲以及過沖等。因為串聯(lián)的電阻，跟信號線的分布電容以及負載的輸入電容等形成一個RC電路，這樣就會降低信號邊沿的陡峭程度。大家知道，如果一個信號的邊沿非常陡峭，含有大量的高頻成分，將會輻射干擾，另外，也容易產(chǎn)生過沖。通常，

9、在高速信號線中才考慮使用這樣的電阻。在低頻情況下，一般是直接連接高速數(shù)字電路中，經(jīng)常看到在兩個芯片的引腳之間串連一個電阻，是為了避免信號產(chǎn)生振鈴(即信號的上升或下降沿附近的跳動)。原理是該電阻消耗了振鈴功率，也可以認為它降低了傳輸線路的Q值。通常在數(shù)字電路設計中要真正做到阻抗匹配是比較困難的，原因有二：1、實際的印制板上連線的阻抗受到面積等設計方面的限制；2、數(shù)字電路的輸入阻抗和輸出阻抗不象模擬電路那樣基本固定，而是一個非線性的東西。實際設計時，我們常用22到33歐姆的電阻，實踐證明，在此范圍內(nèi)的電阻能夠較好地抑制振鈴。但是事物總是兩面的，該電阻在抑制振鈴的同時，也使得信號延時增加，所以通常只

10、用在頻率幾兆到幾十兆赫茲的場合。頻率過低無此必要，而頻率過高則此法的延時會嚴重影響信號傳輸。另外，該電阻也往往只用在對信號完整性要求比較高的信號線上，例如讀寫線等，而對于一般的地址線和數(shù)據(jù)線，由于芯片設計總有一個穩(wěn)定時間和保持時間，所以即使有點振鈴，只要真正發(fā)生讀寫的時刻已經(jīng)在振鈴以后，就無甚大影響。關于RS232/RS485轉(zhuǎn)換器，是老生長談，收索了一些資料和貼子，感覺有一些問題，其實不是什么高科技，本人最后耐心的做了幾款，總結如下：1、一是供電的問題，也牽涉到有源和無源的問題。先說無源的，用谷歌圖片搜索，大部分原理圖雷同，不適用，因為直接從串口取的是正極性電壓，主要來自DTR、RTS兩根線

11、，但是對的軟件來說，打開并使用串口時并不設置這兩跟線，也就是說，這兩根線默認為負極性電壓輸出，無法使用。這些圖片熱火朝天的有圖有真相，其實只能局限于自己的串口調(diào)試程序。另外，如果應用電路只用RXD,TXD,GND,這三根線的話，正極性取點電路根本就沒法加電，而實際這種情況不少。再說有源和無源的區(qū)別問題，看了有些貼子說，有源的防雷能力或防止電脈沖能力一定比無源的強，我不知這是什么理論。據(jù)我的理解，防雷保護的關鍵是減弱來自485線路的電荷沖擊，或者說減弱RS485端的電荷向RS232端的電荷對電路敏感器件如(MAX485)的沖擊。MAX485有兩根線需要輸出到485總線，且其為集成IC,是受保護的

12、關鍵對象。怎么保護呢？在非隔離的應用中，只可能有如下方法：(1)總線的A、B腳對地加TVS管(2)MAX485的A、B到總線的A、B腳之間串聯(lián)小20歐姆左右的小電阻，其對信號的衰減小，對沖擊電荷的衰減卻意義重大。同時也促使沖擊電荷提前從TVS短路到地(3)電路板上的地線保持足夠的寬度(4)優(yōu)化電源地和信號地的走線(5)必要時在MAX485的A、B與總線A、B腳之間串聯(lián)共模濾波器2、關于通信，關鍵在于收發(fā)切換的問題。有些轉(zhuǎn)換器沒有專門的切換電路，RS232高電壓來了，就當發(fā)送有效信號，MAX485輸出有效；但是RS232低電壓時，發(fā)送無效，但是此時低電壓可能不是空閑位而是數(shù)據(jù)位，那么輸出怎么辦呢

13、，這些轉(zhuǎn)換器就通過設置的A、B腳上、下拉電阻來實現(xiàn)。電阻不能太小，因而驅(qū)動能力很弱。若線路過長，寄生電容大，如200米普通3芯線電源電纜的電容達30nF,通信速率明顯不能上去。針對以上問題，本人的設計如下：離子風端口保護器工作室之一無源、準隔離、對稱驅(qū)動的RS-232轉(zhuǎn)RS-485一般的轉(zhuǎn)換器沒有方向切換電路，則其485正電平的輸出依靠的是其A、B的偏置電阻，這樣驅(qū)動能力大大受限。因此這里增加了方向切換電路，是的A、B輸出驅(qū)動對稱。其二采用74HC14做電荷泵電源器件，完成負壓轉(zhuǎn)正亞，相對廣為應用的ICL7660成本略低，但是輸出整流管多出一個，效率偏低，故推薦使用ICL7660,相關電路如有需要，我們將繼續(xù)上傳。第三