5.3       Spoje a přenos signálů

Obr. 5.11: Model přenosové soustavy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Digitální signály jsou mezi logickými obvody v celém digitálním systému přenášeny reálnými vodiči, spoji. Pokud tvoří určitá skupina vodičů v systému propojení mezi více logickými obvody, které mohou pracovat jako vysílače nebo přijímače digitálních signálů, označujeme ji jako sběrnici.

Při přenosu signálu používáme v zásadě dva typy přenosových vedení: nesymetrická (jeden vodič je uzemněn) a symetrická (rozdílová). Volba vhodné konstrukce vedení závisí i na požadovaném druhu přenosu: jednosměrný přenos, podmíněně obousměrný přenos a přenos multiplexní sběrnicí.

Nesymetrické vedení je konstrukčně jednoduché, neboť každá signálová cesta je tvořena jedním vodičem, přičemž signál je vztažen ke společnému vodiči (zemi). Model obvodu pro přenos signálu nesymetrickým vedením je nakreslen na obr. 5.11a.

Do vedení se může dostat vnější rušivý signál. Indukcí vzniká z vnějších zdrojů šum uŠ a ve společném vodiči existuje mezi oběma konci vedení potenciální rozdíl uZEM. Indukovaný šum vzniká kapacitní nebo elektromagnetickou vazbou mezi signálovým vodičem a sousedními vodiči, rozvodem napájení apod. Tento indukovaný šum se označuje jako přeslech. Rušivý potenciální rozdíl uZEM vzniká tím, že společným vodičem, který má nenulový odpor a nenulovou indukčnost protékají různé napájecí, signálové i indukované proudy. Dominantní složkou napětí uZEM je rušivá složka se síťovým kmitočtem 50 Hz. Vstupní napětí přijímače je tedy dáno superpozicí

uK = uV + uZEMuŠ                                                                                             (5.11)

a je zřejmé, že přijímač nemůže rozlišit aktivní signál uV od rušivých složek uŠ a uZEM. Podmínkou správnosti přenosu tedy je, aby odstup signálu od šumu byl co největší. K tomu existuje několik způsobů:

1.      použít stíněné vodiče k potlačení přeslechů,

2.      zvětšit úroveň výstupního signálu vysílače,

3.      zmenšit odpor společného vodiče a tím minimalizovat napětí uZEM,

4.      dostatečně oddálit signálové vodiče od napájecího rozvodu a od sousedních signálových vodičů,

5.      upravit sklon hran výstupních impulsů vysílače tak, aby se zmenšily přeslechy vzniklé kapacitní vazbou,

6.      použít přijímač s hysterezní charakteristikou,

7.      zkrátit spoje tak, aby se zmenšila možnost působení rušivých zdrojů na vedení,

8.      použít vhodnou kombinaci předchozích způsobů.

Každý z uvedených způsobů má však i své nedostatky. Např. první tři způsoby jsou ekonomicky náročné, pátý a šestý způsob znamenají zpomalení zpracování signálu a zkracování spojů nebývá vždy možné.

Symetrické vedení využívá k přenosu signálu rozdílový signál dvou vodičů, které jsou buzeny symetricky vůči společnému vodiči, jenž se na přenosu signálu nepodílí. Princip přenosu signálů symetrickým vedením je naznačen na obr. 5.11b. Vedení je buzeno z vysílače se dvěma komplementárními výstupy, přijímač pracuje jako rozdílový zesilovač (komparátor). Rušivé napětí uŠ se tentokrát indukuje do obou signálových vodičů a působí proto jako souhlasné napětí, jímž je podložen přenášený signál. Rušivé napětí uZEM rozdílu zemních potenciálů společného vodiče působí rovněž jako souhlasné napětí na vstupech přijímače. Přijímač s dobrým potlačením souhlasného signálu snadno vybere ze směsi vstupních signálů pouze přenášený signál, který jediný je přiváděn jako rozdílový. Jako symetrická vedení se nejčastěji používají zkroucené vodiče nebo ploché a páskové kabely se souběžně vedenými vodiči.

SPOJE. V konstrukci elektronických přístrojů nejčastěji pro přenos signálů používáme plošné spoje, jednoduché drátové vodiče, dvojité a vícenásobné vodiče, zkroucené vodiče nebo koaxiální kabely. Všechny tyto spoje musí být schopny bezchybně přenést digitální signály mezi spolupracujícími obvody. Vzhledem k velké rychlosti zpracování a strmým hranám procházejících signálů (řádově nanosekundy) může již několikadecimetrový prostý spoj znamenat celou řadu těžkostí při zabezpečování bezporuchového přenosu signálu. Průměrná rychlost šíření elektrického signálu podél prostého drátového vodiče s izolací je přibližně 22 cm/ns (1 metr proběhne za 4,5 ns). Protože doba trvání hran digitálních signálů je řádově srovnatelná s dobou šíření signálu běžnými vodiči, musíme vzít v úvahu možnost vzniku odrazů a respektovat je. Podle možnosti vzniku odrazů pak rozlišujeme vedení elektricky krátká a elektricky dlouhá.

Elektricky krátké vedení je takové vedení, jímž signál projde za kratší dobu než je trvání nejstrmější hrany signálu. Odražený signál doznívá se skončením hrany přenášeného signálu. Elektricky krátké vedení může být tedy impedančně nepřizpůsobeno a přesto nedojde k rušení signálu odraženým impulsem.

Elektricky dlouhé vedení je takové vedení, podél něhož signál prochází déle než je doba trvání hrany jeho impulsu. Rušivý signál vzniklý odrazem na nepřizpůsobeném konci vedení doznívá až po skončení hrany signálu a způsobuje rušení.

V tab. 5.1 jsou uvedeny mezní hodnoty délek elektricky krátkých vedení pro používané digitální obvody, je-li spojem prostý izolovaný drát. Rychlost šíření signálu drátem předpokládáme 0,22 m/ns. Délky lm určují největší přípustnou délku spoje pro přenos signálu bez rušivého vlivu odrazů.

Problém impedančního přizpůsobení vedení je komplikován tím, že dynamické odpory vstupů a výstupů nejsou stejné a navíc se liší i podle druhu hrany impulsu, tedy při změně H®L a L®H. V tab. 5.2 jsou uvedeny hodnoty dynamického výstupního odporu rVÝST a dynamického vstupního odporu rVST pro obě hrany procházejícího impulsu.

Jednoduchý vodič spojující dva logické obvody se z hlediska přenosu signálu jeví jako nesymetrické vedení. Jednoduchý vodič nemůže mít jednoznačně definovanou charakteristickou impedanci , neboť záleží na jeho geometrickém tvaru a poloze vzhledem ke společné zemnicí ploše. Hodnota jeho charakteristické impedance bývá od stovek do tisíců ohmů. K potlačení odrazů je proto nutné vést spoj co nejblíže společnému vodiči nebo použít elektricky krátké vedení (popř. zmenšit strmost hran impulsů). Při připojování několika přijímačů k jednomu vysílacímu místu se přednostně používá hvězdicové propojení.

  

Tab. 5.1: Maximální délky lm elektricky krátkých vedení pro různé typy digitálních obvodů

                         (thr udává dobu trvání nejkratší hrany přenášeného impulsu)

typ

thr

lm

74

5 ns

0,5 m

74AS

1,5ns

0,3 m

74S

2,5 ns

0,3 m

74L

15 ns

1,5 m

74LS

6 ns

0,55 m

74ALS

3 ns

0,35 m

74H

7 ns

0,65 m

 Tab. 5.2: Hodnoty dynamických odporů některých logických obvodů NAND pro obě hrany

                                                     přenášeného impulsu

obvod

hrana HL

hrana LH

 

rVÝST

rVST

rVÝST

rVST

7400

12 W

1200 W

120 W

1200 W

74S00

10 W

800 W

50 W

800 W

74HC00

10 W

1200 W

60 W

1200 W

 

 

 

 

  

Dvojitý vodič a paralelní vícenásobné vodiče. Charakteristická impedance těchto vodičů jako symetrických vedení silně závisí na jejich geometrickém uspořádání a na blízkosti ostatních vodičů v přístroji. Přenosové vlastnosti se zlepšují při prokládání signálového vedení paralelními vodiči s potenciálem společného vodiče. Pokud jsou tyto paralelní vodiče použity jako symetrická vedení, blíží se jejich vlastnosti parametrům vedení se zkroucenými vodiči.

Obr. 5.12: Přenos signálu nepřizpůsobeným vedením

Vedení se zkroucenými vodiči je tvořeno dvěma souběžnými izolovanými vodiči s průměrem drátu 0,5 mm nebo 0,3 mm, navzájem kolem sebe zkroucenými tak, že na 1 m délky připadá 25 až 40 zkrutů. Předepsaným mechanickým uspořádáním je zaručena konstantní hodnota charakteristické impedance, ta by měla být co nejmenší, jinak vzrůstají přeslechy. Impedanční přizpůsobení je proto snadné a tento typ symetrického vedení může být použit i pro přenos na elektricky dlouhé vzdálenosti. Symetrické vedení se zkroucenými vodiči je odolné proti rušení. Rušivé signály se projevují jako souhlasná napětí a jsou rozdílovým přijímačem potlačeny. Vnější příčné rušivé magnetické pole indukuje do vodičů proud, který se však zruší díky střídající se polaritě elementárních magnetických obvodů tvořenými jednotlivými zkruty (závity). Pokud se používají paralelní nezkroucené vodiče, indukovaný proud se nezruší, protože jako elementární magnetický obvod působí celé vedení. Indukovaný proud však ovlivňuje přenos užitečného rozdílového signálu jen nepatrně, neboť z hlediska vstupů rozdílového přijímače představuje souhlasný signál, který je při zpracování signálu potlačen.

Obr. 5.13: Přizpůsobení konce nesymetrického vedení

Charakteristický odpor vedení se zkroucenými vodiči bývá 100 až 130 (někdy 50 až 200  ) při průměru drátu 0,5 mm, tloušťce izolace 0,05 až 0,1 mm a při 20 až 40 zkrutech na 1 metr délky. Průměrná kapacita je 30 až 80 pF na 1 metr délky vedení. Díky konstantní hodnotě charakteristické impedance jsou zkroucené vodiče vhodné pro přenosy na velké vzdálenosti (až 1000 m) s poměrně vysokými kmitočty (až nad 15 MHz). Maximální útlum na kmitočtu 15 MHz je přibližně 2,8 dB pro vedení dlouhé 30 m.

Koaxiální kabely jsou většinou používány jen v nejnáročnějších případech. Charakteristický odpor bývá 50 až 180 a kapacita 30 až 100 pF/m. Dobrým přenosovým vlastnostem odpovídá i malý útlum, asi 2 až 5 dB/100 m na kmitočtu 10 MHz. Výborné parametry vykazuje kabel Microdat 293-3913 s charakteristickým odporem 93 . Koaxiální kabely jsou používány jako nesymetrická vedení. Ve zvláštních případech lze použít koaxiální kabel se dvěma stíněnými vodiči, které jsou pak zapojeny jako symetrické vedení. Koaxiální kabely mají však i nevýhody. Zabírají více místa, obtížně se napojují, mají větší hmotnost, jsou dražší a většinou mají poměrně velkou kapacitu, která vyžaduje použít větší budicí proudy.

PŘENOS SIGNÁLŮ VEDENÍM je tedy možný několika různými způsoby. Na obr. 5.12a je nakresleno schéma jednoduchého přenosového spoje pomocí zkrouceného dvojvodiče, který není správně impedančně zakončen. Signál na výstupu vedení (obr. 5.12b) je typický několika zákmity při skokové změně budicího signálu. Při delším vedení mohou zákmity zasahovat až do rozhodovací úrovně napětí vstupu obvodu 2, přenést se i na jeho výstup a způsobit tak chybný přenos informace.

Výrobci integrovaných obvodů doporučují při aplikaci delších elektrických vedení zakončit tato vedení pomocným rezistorem, který se zapojí mezi konec signálového vodiče a kladné napájecí napětí (např. Texas Instruments doporučuje odpor 300 pro obvody 74AS). Na obr. 5.13a je uvedeno alternativní ošetření konce vedení odporovým děličem R1, R2, který je zakončuje zátěží s odporem R1||R2, aniž by kladl nadměrné požadavky na proudovou vydatnost předřazeného logického členu. Vedení je tedy impedančně přizpůsobeno, děličem však teče přídavný proud asi 12 mA při přenášené úrovni H. Je-li přenášen signál s úrovní L, teče vedením proud přibližně 20 mA. Zvyšuje se tím úroveň logické nuly na konci vedení a zmenšuje se proto šumová imunita přijímače.

Na rozdíl od předchozího způsobu je v zapojení podle obr. 5.13b přizpůsobovací rezistor zapojen na vstup vedení. U nepřizpůsobeného vedení se nejhůře přenáší hrana HL impulsů. Na přizpůsobovacím rezistoru R na začátku vedení se zmenší skok HL tak, že na konci vedení bude součet předchozí úrovně H, přímého a odraženého impulsu nulový. Podle toho se navrhne odpor

R = 2 Z - rVÝST    ,                                                                                               (5.12)

přičemž

2  = (rVST - Z)/(rVST + Z)                                                                                    (5.13)

označuje činitel odrazu na konci vedení, Z je charakteristický odpor vedení, rVÝST je výstupní odpor vysílače a rVST vstupní odpor přijímače při přenášené hraně HL. Pro běžné hradlo NAND s rVÝST 12 a rVST 1,2 k a zkroucený dvojvodič s Z 130 dostaneme podle rovnice (5.12) činitel odrazu  2 0,8 a dále přizpůsobovací odpor R 92 podle rovnice (5.12). Volíme R = 100 , nebo, což je lepší, při sledování průběhu u2(t) na osciloskopu optimalizujeme hodnotu R experimentálně nastavením trimru. Dioda D má za úkol překlenout rezistor R při hraně impulsu LH. Vzhledem k úbytku 0,7 V na jejím přechodu v propustném směru je však její vliv jen malý a ve většině případů nemusí být použita.

Paralelní sběrnice pro přenos více signálů současně se zcela běžně vyskytují v systémech počítačů a mikropočítačů. Pro návrh mikroprocesorových a obecně vícebitových systémů, pracujících se signály v paralelním kódu, je k dispozici řada integrovaných obvodů, které umožňují snadno realizovat paralelní sběrnice. Kromě těchto podpůrných obvodů však i mnoho pamětí má vstupy a výstupy dat vyvedeny stejnými vývody pouzdra a směr přenosu dat, případně úplné impedanční odpojení paměti od vývodu je řízeno zvláštními logickými signály. Podobně spolupracují se sběrnicemi i další obvody (např. obvody pro připojení standardních a nestandardních periferií). V těchto případech se však přenos dat děje na relativně elektricky krátké vzdálenosti v poměrně málo rušeném prostředí a přenosové vedení není nutno impedančně přizpůsobovat. Ve většině případů vyhoví i paralelní leptané spoje na desce plošných spojů, nebo paralelně vedené prosté drátové spoje s izolací.