脉冲信号近距离传输的电路设计

摘 要：对于脉冲信号传输一百米左右距离的情况，首先用传输线理论分析了信号的传输特性，计算了信号传输的延时、衰减和反射；然后采用RS-485 串行总线标准及在传输终端接匹配电阻的电路来传输脉冲信号，一方面提高了信号传输速率和传输距离，另一方面消除了信号因反射引起的畸变和失真，增强了信号的传输可靠性；最后通过实验证明了传输电路结构简单，信号传输可靠性高，具有很大的实用和推广价值。

　　随着脉冲信号频率的越来越高及信号跳变沿（上升沿和下降沿）的越来越短，对脉冲信号传输完整性的分析就变的越来越重要。如何保证脉冲信号传输的完整性，减少信号在传输过程中产生的反射和失真，已成为当前高速电路设计中不可忽视的问题。

　　对脉冲信号传输几十米或者上百米距离的情况，根据高速电路设计理论引入了长线传输的概念，并对脉冲信号的传输特性进行了分析。为了保证脉冲信号传输的完整性采用了RS-485 串行总线标准及跨接匹配电阻的电路方案，经过实验证明这里提出的方案切实可行且性能优越。另外该方案结构简单，成本低廉，对于近距离脉冲信号和高频率数字信号的传输有很大参考和使用价值。

　　1 传输线理论

　　1.1 长线传输定义

　　一般情况下脉冲信号的边沿谐波频率高于自身频率，其快速变化的上升/下降沿会导致信号在传输过程中出现非预期的结果。由高速电路设计理论定义可知，如果脉冲信号传输长度大于信号上升或下降沿时间对应有效长度的1/6时，就可认为信号的传输为长线传输。脉冲信号在长线传输中会出现明显传输延迟、衰减和振荡等影响信号完整性的问题，这就需要用传输线理论来分析。

　　1.2 脉冲信号的传输特性

　　传输线理论为分布参数电路理论，线上所有位置都由分布电阻R、分布电容C、分布电感L 和分布电导G 构成。

　　这些分布参数就决定了脉冲信号长线传输的传输特性。

　　信号传输线的特性阻抗由传输线上入射电压与入射电流之比来表示，一般表达式为：

　　信号的传输延迟由传输线分布参数中的串联电感和并联电容来决定，单位长度传输线上的传输延迟d T 表示为：

　　脉冲信号在传输线上的整体传输情况如图1 所示，其中S Z 为源端阻抗， 0 Z 为传输线阻抗， L Z 为负载阻抗。

图1 脉冲信号在传输线的特点

　　图1 中（ ） X H w 表示信号通过传输线的衰减函数； A（w）和1R （w）表示传输线源端的输入接收函数和反射函数；T（w）和2R （w）表示传输线终端的传输函数和反射函数，表达式分别如下：

　　由以上表达式可知如果传输线特性阻抗与源端阻抗和终端负载不匹配时，传输信号会在阻抗不连续处产生反射，反射信号会在终端和源端往返多次，直至衰减为零。信号的叠加就引起了传输信号的失真和振铃。