Разработка блока узкополосного передатчика

дипломная работа

2.10 Вывод

В данной главе было проведено проектирование блока узкополосного приемопередатчика. Были рассмотрены элементы блока, проведен выбор материалов и покрытий печатного узла, а также проведен выбор технологии изготовления. Также был проведен расчет печатной платы одного из элементов. На основе выполненной работы были получены сборочные чертежи готового устройства, с помощью которых можно приступать к изготовлению блока УП. Полученные результаты можно использовать в качестве рекомендаций при проектировании аналогичных устройств.

3. РАЗРАБОТКА ТРЕБОВАНИЙ ПО ЦЕЛОСТНОСТИ СИГНАЛА

В данной главе показан процесс расчета помех отражения и согласования линии связи для их устранения. Это позволит нам обеспечить целостность сигнала внутри проектируемого устройства.

3.1 Теоретические сведения

3.1.1 Волновое сопротивление

Линия связи представляет собой пару расположенных на небольшом удалении проводников: прямого и обратного. Пример такой линии изображен на рисунке 3.1. Проводники создают электромагнитное поле, которое распространяется по направлению от источника к приемнику. При этом проходящие в линии связи электромагнитные волны представляют из себя плоские электромагнитные волны (Т-волны). В линии протекает прямой и обратный ток: первый проходит по направлению от источника к приемнику, а второй соответственно наоборот.

Линия связи имеет следующие электрические параметры: R (сопротивление), C (погонная емкость), G (проводимость), L (погонная индуктивность). Каждый параметр задается для определенной длины проводника и указывает направление проводника. Количество прямых и обратных проводников имеет произвольное значение. Существуют следующие линии связи:

– многопроводные;

– трехпроводные;

– двухпроводные;

Рис. 3.1. Линия связи, модель.

При практических расчетах полагается отсутствие потерь в линии, поэтому значения сопротивления и проводимости принимают равными нулю. Значения погонной емкости и индуктивности включаются в формулу волнового сопротивления

(3.1)

Размерность волнового сопротивления [Ом]. Диапазон значений - от 40 до 120 Ом.

Также следует учесть соотношение, действующее в линии в T-волной. Обычно значение этой постоянной принимается равным, т.е., и - значение диэлектрической и магнитной проницаемости. Далее с учетом C линии получаем:

(3.2)

Волновое сопротивление можно определить из:

(3.3)

Выходит, что погонная емкость является основным электрическим параметром, необходимым для нахождения характеристик линии. В общем случае, волновое сопротивление Z задается изначально (к примеру: 50 ± 1 Ом); далее происходит обнаружение значения емкости[7].

3.1.2 Модель линии связи

На рисунке 3.2 показана модель линии связи. В нее входит: емкость C и проводимость G с параллельным соединением и сопротивление R и индуктивность L с последовательным соединением.

Индуктивность L зависит от конструкции линии связи и ее материала. В качестве материала линии следует использовать немагнитный материал, так как это позволяет уменьшить индуктивность линии и повысить скорость распространения электромагнитной волны в ней.

Емкость C меняется в зависимости от материала и конструкции линии. В шинах питания значение емкости должно быть выше, в сигнальных линиях ниже.

Значение сопротивления R обозначает активные потери в линии. Сюда относят сопротивление низкочастотным токам и постоянному току.

Проводимость G обозначает утечки в материале изоляции линии. Этим параметром довольно часто пренебрегают, так как в применяемых в настоящее время материалах такие токи малы.

Нужно добавить, что модель линии связи для каждого устройства может отличаться.

Рис. 3.2 Модель: а) стандартного отрезка линии б) линии, в которой отсутствуют потери в) линии, напыленной в кристалле

3.1.3 Помехи в короткой линии связи

В случае с короткой линией эта линия имеет индуктивный или емкостной характер. В таком случае возможна замена линии с помощью реактивных компонентов, показанных на рисунке 3.3. Проведя такую замену, мы получаем следующее решение.

Если схема выдает напряжение , то на элементе с условием входное напряжение изменяется по формуле

, (3.4)

- константа времени.

Для линии емкостного типа получаем

, (3.5)

Для линии индуктивного типа получаем

(3.6)

Рис. 3.3 Схема замещения короткой линии и ее модель: а) в случае емкостного типа; б) в случае индуктивного типа;

Далее можно вычислить задержку распространения сигнала в линии. Нужно задать порог срабатывания компонента. В нашем случае возьмем типовое значение

(3.7)

время достижения заданного порога

(3.8)

Отсюда получаем, что параметр нужно уменьшать, поскольку это позволяет ускорить распространение сигнала. Для этого необходимо провести изменение индуктивных и емкостных параметров линии.

3.1.4 Помехи в длинной линии связи

Современные быстродействующие РЭС содержат много длинных линий, что приводит к возникновению искажений сигнала в этих линиях. Искажения сигнала опасны тем, что могут приводить к нарушению заданного режима работы устройства. Поэтому для уменьшения искажений необходимо проводить согласование линий, которое компенсирует несогласованность и параметры линии. При этом нужно учесть, что согласование линии приводит к уменьшению информационных сигналов в линии. Поэтому при разработке РЭА нужно делать правильный выбор в выборе метода согласования.

3.2 Способы расчета помех отражения

Для расчета помех отражения мощно использовать следующие методы:

1. Аналитический, основанный на вычислении коэффициентов отражения.

2. Графический, основанный на применении метода характеристик.

В настоящее время при разработке РЭС используют КМОП и ТТЛ схемы, где имеет место нелинейность входных и выходных сопротивлений. Поэтому для расчета искажений следует использовать метод характеристик, который является довольно эффективным графическим методом.

3.2.1 Аналитический метод

Аналитический метод применяется при линейных нагрузках. Он состоит в следующем:

1) Расчет коэффицентов отражения Гr и Гs.

2) Расчет амплитуд отраженных и падающих волн:

(3.9)

3) Расчет формы сигнала U(x,t) как суммы отраженных и падающих волн:

(3.10)

3.2.2 Графический метод

Графический метод применяется при линейных и нелинейных нагрузках. Точность исходных данных прямо пропорциональна точности результатов.

Данный метод основывается на графических уравнениях, которые описывают напряжения и токи в длинных линиях. В случае отсутствия потерь в линии получаем

(3.11)

Решение получается при указании начальных условий при t=0 и граничных условий в точке s; , в точке r.

3.2.3 Начальные условия

Для определения начальных условий следует использовать эквивалентную схему, приведенную на рисунке 3.4. Rг является нелинейным параметром, линейное. В начальный момент времени нагрузкой является сопротивление Z.

Рис. 3.4. Эквивалентные схемы каскада с формами сигнала для начала и конца линии

Входное напряжение находится по формуле:

(3.12)

всегда <1.

При этом возникает дополнительная задержка:

(3.13)

Значение волнового сопротивления обратно пропорционально значению сопротивления R и прямо пропорционально.

Далее идет следующий этап.

3.2.4 Определение граничных условий

Определение граничных условий происходит с помощью ВАХ микросхемы. Нам необходимы следующие характеристики: . Данные характеристики описывают напряжения в конце и начале линии. Их можно взять из описания микросхемы.

3.2.5 Решение телеграфных уравнений графическим методом

Решение уравнений происходит методом характеристик. Существуют две характеристики:

– ХПВ - падающей волны;

– ХОВ - отраженной волны.

Для падающей волны характеристика имеет вид

(3.14)

где - напряжение в точке при, - ток падающей волны, Z - значение волнового сопротивления равное углу наклона прямой. обозначает константу, зависящую от граничных условий. Поэтому для построения характеристики необходимо знать значение Z и точку, принадлежащую ей.

Для отраженной волны характеристика имеет вид

(3.15)

где значения аналогичны предыдущей характеристике, а является еще одной константой.

Также для расчетов необходимо знать значение угла, заданное в градусах. Значение определяется по формуле

, (3.16)

где M - отношение масштаба оси U к масштабу оси I, определяемое по формуле

(3.17)

Обычно масштаб задается таким, чтобы при значении волнового сопротивления Z = 75 Ом угол имел значение 45°.

Таким образом, для проведения расчета необходимо последовательно построить ХПВ и ХОВ из начальной точки.

3.2.6 Проведение расчета

Для расчета мы применяем графический метод, так как в схеме присутствует нелинейный параметр. Рассмотрим вариант переключения из нуля в единицу.

Значение U в точке s находится из:

– падения U на волновом сопротивлении Z;

– ВАХ генератора.

Рис. 3.5. Пример расчета линии в случае ТТЛ-схемы.

На рисунке 3.5 изображен пример построения характеристик. Падение напряжения на сопротивлении Z определяется нагрузочной прямой, строящейся под угломдо пересечения. Вторая характеристика определяется ВАХ выхода. Точка A является начальным условием, и с помощью нее осуществляется построение ХПВ и ХОВ.

На следующем этапе из точки A строится характеристика падающей волны до пересечения с входной вольтамперной характеристикой микросхемы нагрузки. Таким образом, мы получаем точку B.

Затем строится ХОВ из точки B до пересечения с вольтамперной характеристикой генератора. Здесь мы получаем точку C.

Процесс построения заканчивается, когда получаемые нами характеристики достигают состояния единицы.

3.2.7 Определение осциллограммы

Для определения осциллограмм полученного сигнала также используется метод характеристик. Нам необходимо знать время распространения сигнала от начала до конца линии T и значение Z. Определение проводится в пять этапов:

1. Обозначение граничных условий (схемы типа КМОП или ТТЛ).

2. Определение режима 0 и 1.

3. Определение начальных условий. Для этого строится нагрузочная прямая из точки 0 под углом Z для определения точки A.

4. Определение амплитуд падающих и отраженных волн. Для этого строятся ХПВ и ХОВ до достижения состояния “1”.

5. Построение осциллограмм. Построение начинается с осциллограммы в начале линии (точки A,C,E). На рисунке 3.6 приведен пример построения осциллограмм. После этого строятся осциллограммы для(точки B,D,F).

Рис. 3.6. Готовые осциллограммы.

3.3 Расчет искажений сигнала

Перед расчетом искажений необходимо обозначить схемы включения нагрузки и генератора. Данные схемы приведены на рисунке 3.7 и 3.8.

Рис 3.7. Схема включения линейных генератора и нагрузки

Рис 3.8. Cхема включения активных нелинейных генератора и нагрузки (Нелинейный двухполюсник на схеме обозначен НД)

Теперь определим граничные условия согласно ВАХ;

- выходная ВАХ генератора для состояния логической единицы;

- выходная ВАХ генератора для состояния логического нуля;

- входная ВАХ нагрузки.

В качестве вольтамперных характеристик заданы параметры КМОП-микросхемы SN74AHC240, используемой в блоке узкополосного передатчика (рис. 3.9). Следует отметить, что подобные характеристики являются типовыми для большинства КМОП-микросхем. Значение волнового сопротивления Z будет равняться 50 Ом.

Рис 3.9. ВАХ используемой микросхемы.

Перейдем непосредственно к расчетам. Масштабный коэффицент M будет равняться 0,25, значение углабудет равняться 22є. Расчет будет производиться для режимов переключения из “0” в “1” и из “1” в “0”.

Рис 3.10. Расчет отражения сигнала при Z = 50 Ом.

Как мы видим на рисунке 3.10, в несогласованной линии изначально присутствуют искажения сигнала. Построение графика отражения начинается с построения нагрузочной прямой из “0”, а затем строятся характеристики падающей и отраженной волны до достижения “1”. Теперь можно перейти к построению осциллограмм.

Рис 3.11. Осциллограмма сигнала для режима из “0” в “1”.

Рис 3.12. Осциллограмма сигнала режима из “1” в “0”

На рисунках 3.11 и 3.12 приведены готовые осциллограммы c отражениями для режимов переключения из нуля в единицу и наоборот соответственно. Такие отражения характерны для большинства несогласованных линий, в которых применяются КМОП-микросхемы.

3.4 Способы согласования линии связи

Согласование линии необходимо для устранения помех отражения, возникающих в линии. Для согласования линии применяют согласующие резисторы. Для согласования линии могут применяться следующие методы согласования: согласование по входу, согласование по выходу с помощью согласующего резистора и согласование по выходу с помощью делителя напряжения. Единственным полностью устраняющим помехи отражения методом является согласование по выходу согласующим резистором, однако при этом снижается уровень установившегося напряжения в линии. Согласование по входу незначительно ослабляет отражения сигнала, также изменяя уровень установившегося напряжения. Согласование делителем напряжения является промежуточным вариантом, ослабляющим помехи отражения и незначительно понижающим уровни напряжения в линии, однако оно требует установки двух согласующих резисторов вместо одного по сравнению с согласованием по входу и выходу. Далее будут рассмотрены все три метода относительно их применяемости для нашей схемы.

3.4.1 Согласование линии связи по входу

Для согласования линии по входу необходимо последовательно с генератором (у которого выходное сопротивление) поставить согласующий резистор с сопротивлением, определяемым по формуле

(3.18)

Делись добром ;)