脈沖信號近距離傳輸的電路設計

摘 要：對于脈沖信號傳輸一百米左右距離的情況，首先用傳輸線理論分析了信號的傳輸特性，計算了信號傳輸的延時、衰減和反射；然后采用RS-485 串行總線標準及在傳輸終端接匹配電阻的電路來傳輸脈沖信號，一方面提高了信號傳輸速率和傳輸距離，另一方面消除了信號因反射引起的畸變和失真，增強了信號的傳輸可靠性；最后通過實驗證明了傳輸電路結構簡單，信號傳輸可靠性高，具有很大的實用和推廣價值。

　　隨著脈沖信號頻率的越來越高及信號跳變沿（上升沿和下降沿）的越來越短，對脈沖信號傳輸完整性的分析就變的越來越重要。如何保證脈沖信號傳輸的完整性，減少信號在傳輸過程中產生的反射和失真，已成為當前高速電路設計中不可忽視的問題。

　　對脈沖信號傳輸幾十米或者上百米距離的情況，根據高速電路設計理論引入了長線傳輸的概念，并對脈沖信號的傳輸特性進行了分析。為了保證脈沖信號傳輸的完整性采用了RS-485 串行總線標準及跨接匹配電阻的電路方案，經過實驗證明這里提出的方案切實可行且性能優越。另外該方案結構簡單，成本低廉，對于近距離脈沖信號和高頻率數字信號的傳輸有很大參考和使用價值。

　　1 傳輸線理論

　　1.1 長線傳輸定義

　　一般情況下脈沖信號的邊沿諧波頻率高于自身頻率，其快速變化的上升/下降沿會導致信號在傳輸過程中出現非預期的結果。由高速電路設計理論定義可知，如果脈沖信號傳輸長度大于信號上升或下降沿時間對應有效長度的1/6時，就可認為信號的傳輸為長線傳輸。脈沖信號在長線傳輸中會出現明顯傳輸延遲、衰減和振蕩等影響信號完整性的問題，這就需要用傳輸線理論來分析。

　　1.2 脈沖信號的傳輸特性

　　傳輸線理論為分布參數電路理論，線上所有位置都由分布電阻R、分布電容C、分布電感L 和分布電導G 構成。

　　這些分布參數就決定了脈沖信號長線傳輸的傳輸特性。

　　信號傳輸線的特性阻抗由傳輸線上入射電壓與入射電流之比來表示，一般表達式為：

　　信號的傳輸延遲由傳輸線分布參數中的串聯電感和并聯電容來決定，單位長度傳輸線上的傳輸延遲d T 表示為：

　　脈沖信號在傳輸線上的整體傳輸情況如圖1 所示，其中S Z 為源端阻抗， 0 Z 為傳輸線阻抗， L Z 為負載阻抗。

圖1 脈沖信號在傳輸線的特點

　　圖1 中（ ） X H w 表示信號通過傳輸線的衰減函數； A（w）和1R （w）表示傳輸線源端的輸入接收函數和反射函數；T（w）和2R （w）表示傳輸線終端的傳輸函數和反射函數，表達式分別如下：

　　由以上表達式可知如果傳輸線特性阻抗與源端阻抗和終端負載不匹配時，傳輸信號會在阻抗不連續處產生反射，反射信號會在終端和源端往返多次，直至衰減為零。信號的疊加就引起了傳輸信號的失真和振鈴。