星型拓?fù)銻S422信號傳輸特性研究?

段曉超,段玲琳,李化雷

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088;2.通航飛控實驗室,安徽合肥230088)

0 引言

RS422標(biāo)準(zhǔn)的全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”,由美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)制定并發(fā)布。作為一種業(yè)界最常用的串行數(shù)據(jù)通信接口標(biāo)準(zhǔn),其具有抗共模干擾能力強(qiáng)、驅(qū)動能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、支持總線傳輸、信號容差性好等諸多優(yōu)點,目前被廣泛應(yīng)用在多種工控數(shù)據(jù)通信場合。對于RS422傳輸電路,標(biāo)準(zhǔn)給出的經(jīng)典拓?fù)溥B接方式為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。但在某些特定的應(yīng)用場合,如對含有多個固態(tài)組件的雷達(dá)發(fā)射機(jī)實施監(jiān)控[1],由于受多個接收端的物理位置、接收端電路的一致性要求、可靠性設(shè)計和失效影響分析等因素所限,工程中無法順利使用經(jīng)典的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu),而不得不使用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式。本文就如何有效使用RS422的星型拓?fù)溥B接方式給出必要的參數(shù)選取和試驗結(jié)果。

1 傳輸原理

之所以存在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會影響信號傳輸特性的問題,是因為電路收發(fā)端之間總是需要傳輸線進(jìn)行信號連接,進(jìn)而產(chǎn)生了信號的傳輸線效應(yīng),特別是對數(shù)據(jù)率高的信號尤為明顯。

1.1 傳輸線特征阻抗

對于特性單一均勻的傳輸線,可以等效成無數(shù)個微電阻、電感和電容串并聯(lián)組成的電路模型,如圖1所示[2]。

圖1 傳輸線等效電路模型

圖示電路的輸入阻抗Z0為

可以求出：

對于低損耗的傳輸線,其電阻損耗Z很小,主要表現(xiàn)為感抗特性;線間電導(dǎo)Y主要表現(xiàn)為容性阻抗,故Z可以簡化成微電感(即L→0),Y可以簡化成微電容(即C→0),求極限后得

從式(3)可以看出,傳輸線的特征阻抗Z0只與其制造材料和成型工藝有關(guān),而與傳輸線的長短無關(guān),概念上也不同于傳輸線的直流歐姆阻抗R0。

1.2 反射特性

為了研究信號的傳輸特性,還需要推導(dǎo)出反射系數(shù)和傳輸線特征阻抗之間的關(guān)系,如圖2所示。

圖2 電路反射特性模型

由圖2可知：

從式(5)可以看出,只有當(dāng)ZL=Z0時反射系數(shù)才等于0。否則必然存在反射波,即入射波的能量沒有被負(fù)載完全吸收,反射回來的信號勢必疊加影響入射波,使波形進(jìn)一步惡化。反射是造成信號波形上沖、下沖和振鈴的直接原因,是高速數(shù)字電路中最常見的信號完整性問題。

對于RS422傳輸電路,標(biāo)準(zhǔn)給出的經(jīng)典拓?fù)溥B接方式為如圖3所示的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。從圖中看出在同時連接多個接收器的應(yīng)用場合時,需要在最后一個接收器前端并接一個終端匹配電阻RT,同時要求中間接收器的分叉線長度Lstub盡可能短[3]。

圖3 經(jīng)典RS422拓?fù)溥B接圖

在接口芯片的用戶資料或設(shè)計指導(dǎo)手冊上,一般還會特別強(qiáng)調(diào)不推薦用戶采取星型結(jié)構(gòu)和環(huán)型結(jié)構(gòu),因為這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)破壞了傳輸線匹配特性,對保證傳輸信號的信號完整性非常不利[4]。

2 試驗條件

為了深入研究RS422信號的傳輸特性,特地設(shè)計了專門的試驗電路進(jìn)行實際測試,使用到的元器件和材料參數(shù)如下：

驅(qū)動器：型號JS26C31BD,高電平輸出阻抗約為9Ω,低電平輸出阻抗約為7Ω[5],試驗中取平均值8Ω進(jìn)行計算。

接收器：型號JS26C32BD,輸入阻抗在4～20 kΩ之間[6],試驗中取10 kΩ計算。

傳輸線：AWG26雙絞線,差分阻抗和單端阻抗均約為120Ω。

傳輸信號：最高頻率為5 MHz的時鐘方波信號。

2.1 鏈?zhǔn)酵負(fù)湓囼?/h3>

鏈?zhǔn)酵負(fù)涫菢?biāo)準(zhǔn)推薦的RS422經(jīng)典拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖3所示,只要保證各分支的抽頭長度Lstub盡量短就可以獲得理想的波形。各分支的抽頭長度應(yīng)滿足如下公式：

式中,tr為信號的上升沿時間,c為光速。例如,在上述試驗中波形的上升沿時間為10 ns,則抽頭長度最大不應(yīng)超過45 cm。圖4為收端匹配電阻時驅(qū)動器正端和接收器正端的實測波形圖。

從圖4中可以看出,波形的上升/下降時間均在10 ns以內(nèi),過沖約為1 V,這在差分電路中不會引起問題。經(jīng)計算,接收端的匹配電阻上約產(chǎn)生0.15 W左右的熱耗,這對驅(qū)動器端的熱設(shè)計和長期運行的可靠性都非常不利。

圖4 鏈狀結(jié)構(gòu)試驗波形圖

2.2 發(fā)端串聯(lián)匹配

發(fā)端匹配是一種將匹配電阻串接在RS422發(fā)送端的匹配方式,如圖5所示。

圖5 發(fā)端匹配電路圖

圖中RS的選取為120Ω。這樣,從驅(qū)動器端輸出的信號將以半幅度進(jìn)行傳播,由于接收端呈高阻態(tài),反射系數(shù)約等于1,信號在發(fā)端將疊加到滿幅,發(fā)射波達(dá)到驅(qū)動器后也不再繼續(xù)反射。但此種匹配方式的缺點是必須保證傳輸線延時遠(yuǎn)小于信號的碼元周期。如果電信號在雙絞線中的傳輸速度為0.6c(c為光速),則2 m傳輸線的往返延時約為22 ns。為了保證傳輸信號的完整性,信號的理論最高頻率為22.7 M Hz,但限于收發(fā)端芯片性能的限制,工程中不可能達(dá)到如此高的傳輸頻率。

5 MHz信號的理論最遠(yuǎn)傳輸距離為9 m。圖6給出了點對點2 m傳輸線長時的實測波形圖,在接收端波形的邊沿特性及單調(diào)性保持仍較理想,上升/下降沿時間依然在10 ns以內(nèi),滿足工程使用要求。

顯然,采取發(fā)端匹配時匹配電阻的功耗僅幾十微瓦,比收端匹配要小得多。

圖6 點對點發(fā)端匹配波形圖

2.3 星型拓?fù)溥B接方式

在使用星型拓?fù)溥B接方式時,當(dāng)然在每個接收器端分別并接匹配電阻RT可以有效保證接收端的信號完整性,但此時驅(qū)動器端的輸出驅(qū)動電流將大到器件不能接受。根據(jù)2.2節(jié)的分析試驗結(jié)果,考慮使用發(fā)端匹配技術(shù)。同時考慮到不同路徑的反射波疊加效應(yīng),下面重點研究4分支星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中分支等長的應(yīng)用情況,如圖7所示。

圖7 4分支星型拓?fù)浒l(fā)端匹配等長分支圖

根據(jù)傳輸線理論,對于4分支的發(fā)端匹配連接,電阻RS的選取應(yīng)滿足條件：

式中,R0為驅(qū)動器的輸出阻抗。據(jù)此計算,RS的理論值為88Ω。由于4路接收器存在較大的并聯(lián)電容,當(dāng)傳輸線長度L為2 m±5 cm時,經(jīng)過反復(fù)試驗驗證,RS的取值為120Ω時波形質(zhì)量最理想,試驗實測波形如圖8所示。

圖8 4分支星型拓?fù)浒l(fā)端匹配等長分支波形圖

從圖中可以看出,接收端(1通道)的波形質(zhì)量比發(fā)送端(2通道)略好,測量兩者波形的上升/下降沿,分別約為20 ns和25 ns,但相比點對點的發(fā)端匹配電路,收發(fā)端波形的邊沿均有所惡化,但依然可以滿足工程應(yīng)用要求。

進(jìn)一步的試驗證明,當(dāng)4條傳輸線的長度不相等時,特別是長度差大于50 cm后,收發(fā)端的波形均有明顯惡化,5 MHz頻率下的通信誤碼率明顯提高,已不適合工程應(yīng)用。

為了得出接收端數(shù)量增多會進(jìn)一步惡化通信效果的結(jié)論,又進(jìn)行了8分支2 m等長分支的試驗。按照式(7)的要求并經(jīng)試驗驗證,RS取值75Ω為宜。此時收發(fā)端的波形前后沿均較4分支(圖8)有進(jìn)一步惡化,并出現(xiàn)較明顯的抖動,但仍可滿足通信誤碼率要求,可以在工程中應(yīng)用。

3 結(jié)束語

綜合以上理論分析和試驗數(shù)據(jù),說明RS422信號在合理的電參數(shù)設(shè)計條件下可以使用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但為了保證信號完整性和傳輸誤碼率,應(yīng)滿足以下約束條件：(1)使用發(fā)端匹配電路,且各分支的傳輸線特征阻抗和接收器輸入阻抗特性必須相同,傳輸線長度差應(yīng)控制在5 cm以內(nèi);(2)不得用于長線傳輸,如5 MHz傳輸速率時建議分支長度不大于5 m;(3)發(fā)端匹配電阻RS按式(7)的原則進(jìn)行選取,可適當(dāng)放大阻值;(4)接收端數(shù)量建議不大于8個,且越少越有利于保證收發(fā)端波形質(zhì)量;(5)PCB設(shè)計時要求差分線等長,印制線對參考平面的特征阻抗為120Ω±10%,線間緊耦合,線間距為1倍線寬;(6)各收發(fā)端有效共地,嚴(yán)禁信號浮地傳輸。

[1]李冬芳,崔忠林.基于串行總線和分布式測控的發(fā)射監(jiān)控系統(tǒng)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2006,4(6)：382-386.LI Dongfang,CUI Zhonglin.A Transmit Monitoring System Based on Seria Bus and Distributed Measurement and Control[J].Radar Science and Technology,2006,4(6)：382-386.(in Chinese)

[2]朱亞地.高速PCB信號反射及串?dāng)_仿真分析[D].西安：西安電子科技大學(xué),2012.

[3]SOLTERO M,ZHANG J,COCKRIL C.RS-422 and RS-485 Standards Overview and System Configurations[R].Dallas,Texas：Texas Instruments,2010：14-15.

[4]劉健.提高串行總線的可靠性[J].硅谷,2010(6)：34-36.

[5]JS26C31四路差分驅(qū)動器技術(shù)說明書[Z].無錫：中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所,2013：5-6.

[6]JS26C32四路差分接收器技術(shù)說明書[Z].無錫：中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所,2013：5.