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数字传感器信号远传时的两个技术问题

2006/7/17    来源:仪表技术    作者:周胜海      
关键字:数字传感器  信号远传  传输线  畸变  稳压  
研究数字传感器信号远传时,传输线路引起的信号畸变与抑制技术,以及对传感器远距离供电时的稳压方法。

    1、传输线路引起的数字信号畸变与抑制

    在数字传感器信号远传时,因数字信号对外界干扰不敏感,故传输线路引起的信号畸变成为影响传感器信号传输距离的主要因素。如用普通信号电缆传输数字温度传感器DS18B20的信号,长度超过50m时,读取的测温数据将发生错误,原因在于总线电缆分布电容引起信号波形畸变。可见,研究传输线路引起的数字信号畸变与抑制技术,对实现数字传感器信号远传是必要的。

    1.1 传输线上电容引起上升沿和下降沿畸变

    各种传输线上都有电容,主要包括线间分布电容和信号线对地分布电容(一般后者比前者小得多)。不同传输线上的电容可能相差很大。

    数字信号通过传输线时,其上的电容会出现充放电过程,引起矩形脉冲的上升沿和下降沿变坏,造成波形畸变,图1为畸变波形的示意图。电容越大或脉冲信号的频率越高,畸变越严重。


图1 传输线上电容引起的畸变

    所以,在实践中应注意以下几点:①合理估算畸变的允许程度和电容的允许值,注意将信号接收端的输入电容一并考虑;②不同传输线的电容相差很大,如同轴电缆抗干扰能力最强,但电容较大;③传输线越短, 电容越小;④合理布线,可减小电容。

    1.2 长线传输引起的振荡

    设传输线的特性阻抗为ZO、信号源的输出阻抗为RS、负载阻抗为RL,则始端电压反射系数ρS终端电压反射系数ρL分别为

   
    
    可见,阻抗不匹配时,反射系数不等于零,即存在反射现象。

    研究表明:存在反射时,原始波在阻抗不连续点发生繁殖,原来的一个入射波到后来变成许多杂乱的纹波。由于出现多次反射与透射,若每次反射都滞后一个时间,反射波与原始波叠加起来,就使信号发生严重畸变。

    对于数字信号,最常见的畸变是在脉冲的上升沿和下降沿出现过冲或振荡(振铃)现象,图2为振荡现象示意图。振荡幅度足够大时,就会在负载电路(接收端)的输入端产生非法的电平过渡,使传送的信息出错。在有些情况下,振荡幅度可能超过电压的极限值, 造成器件损坏。

 
图2 长线传输引起的振荡

    畸变的程度主要取决于传输线的传输延迟时间td和脉冲信号上升时间tr。当传输延迟达到td=tr/2的程度,即信号的跳变过程在信号传到终端又被反射回始端之前就已结束,则必须在始端及终端进行阻抗匹配。对选定的传输线,可估算出相应的最大匹配长度lmax。长度超过lmax,即作长线处理,应进行阻抗匹配。

    传输线的lmax可由下式估算:

   

    式(3)中,tr为脉冲信号的上升时间(ns);v为电磁波速度,v=(1.4~2)×108m/s;k为经验常数,k=4~5。应当指出,当负载变重、延迟时间变长时,lmax需相应缩短。

    常用的阻抗匹配方法有三种:发送端阻抗匹配、终端特性阻抗匹配和终端二极管匹配。每种方法各有特点,可根据具体情况选用。传输数字信号时,通常按传输电缆的长度来选择终端匹配方法。

    1.3 传输线造成的幅度衰减

    导线的阻抗可视为电阻与电感的串联,低频时二者都很小,但二者都随频率的升高而增大,对信号幅度的衰减也随之增大。例如,截面积为5.5mm2的铜圆导线直流电阻是3.3mΩ/m,1MHz时增加到30mΩ/m,10MHz时增加到90mΩ/m;直径2mm、长度1m的铜圆直导线的电感约为1μH,1MHz时的感抗(2πfL)为6.3Ω,10MHz时的感抗为63Ω;数控装置和计算机用的双绞线每米有50~60个绞结时,分布电感为0.73~0.80μH/m。可见,当传输的数字信号频率较高时,传输线造成的信号幅度的衰减不可忽视。

    此外,信号串扰引起的附加噪声、过渡引起的毛刺等也会引起数字信号的畸变。

    传输线的合理铺设对抑制数字信号畸变也很重要,具体操作可参考文献[7]。

    2、远距离供电的稳压方法


图3 远距离供电的稳压方法

    采用三线制供电实现对远距离供电的稳压电路如图3所示。L1、L2为两根相同的供电导线,且处在相同的环境中,故引线电阻相同,设为r;L3为采样导线,其引线电阻设为rS。A1接成电压跟随器,起隔离作用。A2接成差分输入放大器,据运放“虚断”的概念可知,L3中的电流趋于零(故L3可用较细的导线)。可见

   
     
    式(4)、(5)中ZS为传感器的等效阻抗。据差分输入放大器的放大规律和给定的电阻值可知,A2的输出电压为(2VS-Vset)。在稳定状态下,A3的同相端与反相端电位相等,故(2VS-Vset)=VO。代入式(4)、(5)并整理得

   

    可见,传感器上的电压(IOZS)由Vset精确控制,不受供电导线的引线电阻影响。不仅实现了对远距离供电的稳压,而且供电电压调节方便。

    若Vset取自基准电压源,则传感器上的电压稳定度更高。A1、A2和A3一般选用通用运放(如μA741)即可,若A2选用高输入阻抗专用运放,则电路性能更好。

    这种方法也可用于对其他负载远距离供电的稳压。

    3、结束语

    在测控实践中,传感器信号需要远传的场合较多。 在这些场合除了选择数字信号作为远传信号外,也可以选择电流信号等作为远传信号(有些传感器输出不是电流信号,但需要时易于转换成电流信号)。无论远传信号是何种信号形式,都会不同程度地存在前面讨论的两个技术问题。故本文的讨论具有较普遍的意义。
   
    参考文献
   
    [1]江太辉,邓展威.DS18B20数字温度传感器的特性与应用[J].电子技术,2003,30(12):46-49.
    [2]马明建,周长城.数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社,1999:182-191.
    [3]赵元平,汤林森.高速数字逻辑电路设计技巧[J].电子技术应用,1997,23(5):52-54.
    [4]张捍东.微机控制系统传输线的考虑[J].电子技术应用,1996,22(3).
    [5]庄梓新,张纶,梁恺,等.测量与控制核心系统手册[M].北京:宇航工业出版社,1989.
    [6]周胜海,马建中.传输线路引起的数字信号畸变与抑制[J].计算机测量与控制,2002,10(10):695-697.
    [7]张松春,竺子芳,赵秀芬,等.电子控制设备抗干扰技术及其应用(第2版)[M].北京:机械工业出版社,1995:300-304.
    [8]夏敖敖.消除引线电阻影响的三线制测量方法[J].电子工程师,2003,29(11):24-26.

责任编辑:江琦
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