高速传输接口串联小电阻(过冲问题).docx

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。

我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实际的电压源，总是有内阻的（请参看输出阻抗一问），我们可以把一个实际电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R，电源电动势为U，内阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为：I=U/(R+r)，可以看出，负载电阻R越小，则输出电流越大。负载R上的电压为：Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，负载电阻R越大，则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为：
P=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2)
=U2×R/[(R-r)2+4×R×r]
=U2/{[(R-r)2/R]+4×r}
对于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)2/R]，当R=r时，[(R-r)2/R]可取得最小值0，这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/(4×r)。即，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。对于纯电阻电路，此结论同样适用于低频电路及高频电路。当交流电路中含有容性或感性阻抗时，结论有所改变，就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部互为相反数，这叫做共扼匹配。在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情况，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑（可以这么理解：因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的）。从以上分析我们可以得出结论：如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R；如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R；如果我们需要输出功率最大，则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思，例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这时我们也会叫做阻抗失配。

在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不相等（即不匹配）时，在负载端就会产生反射。为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们不细说了，有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构以及材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。
例如，常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω，而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线，这在农村使用的电视天线架上比较常见，用来做八木天线的馈线。因为电视机的射频输入端输入阻抗为75Ω，所以300Ω的馈线将与其不能匹配。实际中是如何解决这个问题的呢？不知道大家有没有留意到，电视机的附件中，有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器（一个塑料封装的，一端有一个圆形的插头的那个东东，大概有两个大拇指那么大）。它里面其实就是一个传输线变压器，将300Ω的阻抗，变换成75Ω的，这样就可以匹配起来了。这里需要强调一点的是，特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念，它与传输线的长度无关，也不能通过使用欧姆表来测量。为了不产生反射，负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等，这就是传输线的阻抗匹配。如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢？如果不匹配，则会形成反射，能量传递不过去，降低效率；会在传输线上形成驻波（简单的理解，就是有些地方信号强，有些地方信号弱），导致传输线的有效功率容量降低；功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生震荡，辐射干扰等。

当阻抗不匹配时，有哪些办法让它匹配呢？第一，可以考虑使用变压器来做阻抗转换，就像上面所说的电视机中的那个例子那样。第二，可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法，这在调试射频电路时常使用。第三，可以考虑使用串联/并联电阻的办法。一些驱动器的阻抗比较低，可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配，例如高速信号线，有时会串联一个几十欧的电阻。而一些接收器的输入阻抗则比较高，可以使用并联电阻的方法，来跟传输线匹配，例如，485总线接收器，常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。
    为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题，我来举两个例子：假设你在练习拳击——打沙包。如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包，你打上去会感觉很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手脚，例如，里面换成了铁沙，你还是用以前的力打上去，你的手可能就会受不了了——这就是负载过重的情况，会产生很大的反弹力。相反，如果我把里面换成了很轻很轻的东西，你一出拳，则可能会扑空，手也可能会受不了——这就是负载过轻的情况。另一个例子，不知道大家有没有过这样的经历：就是看不清楼梯时上/下楼梯，当你以为还有楼梯时，就会出现“负载不匹配”这样的感觉了。当然，也许这样的例子不太恰当，但我们可以拿它来理解负载不匹配时的反射情况。
这个电阻有两个作用，第一是阻抗匹配。因为信号源的阻抗很低，跟信号线之间阻抗不匹配（关于阻抗匹配，请参看“如何理解阻抗匹配一问”user1/2198/archives/2006/11024.html），串上一个电阻后，可改善匹配情况，以减少反射，避免振荡等。
第二是可以减少信号边沿的陡峭程度，从而减少高频噪声以及过冲等。因为串联的电阻，跟信号线的分布电容以及负载的输入电容等形成一个RC电路，这样就会降低信号边沿的陡峭程度。大家知道，如果一个信号的边沿非常陡峭，含有大量的高频成分，将会辐射干扰，另外，也容易产生过冲。
    通常，在高速信号线中才考虑使用这样的电阻。在低频情况下，一般是直接连接
高速数字电路中，经常看到在两个芯片的引脚之间串连一个电阻，是为了避免信号产生振铃（即信号的上升或下降沿附近的跳动）。
        原理是该电阻消耗了振铃功率，也可以认为它降低了传输线路的Q值。通常在数字电路设计中要真正做到阻抗匹配是比较困难的，原因有二：1、实际的印制板上连线的阻抗受到面积等设计方面的限制；2、数字电路的输入阻抗和输出阻抗不象模拟电路那样基本固定，而是一个非线性的东西。实际设计时，我们常用22到33欧姆的电阻，实践证明，在此范围内的电阻能够较好地抑制振铃。但是事物总是两面的，该电阻在抑制振铃的同时，也使得信号延时增加，所以通常只用在频率几兆到几十兆赫兹的场合。频率过低无此必要，而频率过高则此法的延时会严重影响信号传输。另外，该电阻也往往只用在对信号完整性要求比较高的信号线上，例如读写线等，而对于一般的地址线和数据线，由于芯片设计总有一个稳定时间和保持时间，所以即使有点振铃，只要真正发生读写的时刻已经在振铃以后，就无甚大影响。

关于RS232/RS485转换器，是老生长谈，收索了一些资料和贴子，感觉有一些问题，其实不是什么高科技，本人最后耐心的做了几款，总结如下：     1、一是供电的问题，也牵涉到有源和无源的问题。
      先说无源的，用谷歌图片搜索，大部分原理图雷同，不适用，因为直接从串口取的是正极性电压，主要来自DTR、RTS两根线，但是对的软件来说，打开并使用串口时并不设置这两跟线，也就是说，这两根线默认为负极性电压输出，无法使用。这些图片热火朝天的有图有真相，其实只能局限于自己的串口调试程序。另外，如果应用电路只用RXD，TXD，GND，这三根线的话，正极性取点电路根本就没法加电，而实际这种情况不少。
    再说有源和无源的区别问题，看了有些贴子说，有源的防雷能力或防止电脉冲能力一定比无源的强，我不知这是什么理论。据我的理解，防雷保护的关键是减弱来自485线路的电荷冲击，或者说减弱RS485端的电荷向RS232端的电荷对电路敏感器件如（MAX485）的冲击。MAX485有两根线需要输出到485总线，且其为集成IC，是受保护的关键对象。怎么保护呢？在非隔离的应用中，只可能有如下方法：
     （1）总线的A、B脚对地加TVS管
     （2）MAX485的A、B到总线的A、B脚之间串联小20欧姆左右的小电阻，其对信号的衰减小，对冲击电荷的衰减却意义重大。同时也促使冲击电荷提前从TVS短路到地
    （3）电路板上的地线保持足够的宽度
    （4）优化电源地和信号地的走线
    （5）必要时在MAX485的A、B与总线A、B脚之间串联共模滤波器

   2、关于通信，关键在于收发切换的问题。有些转换器没有专门的切换电路，RS232高电压来了，就当发送有效信号，MAX485输出有效；但是RS232低电压时，发送无效，但是此时低电压可能不是空闲位而是数据位，那么输出怎么办呢，这些转换器就通过设置的A、B脚上、下拉电阻来实现。电阻不能太小，因而驱动能力很弱。若线路过长，寄生电容大，如200米普通3芯线电源电缆的电容达30nF，通信速率明显不能上去。
     针对以上问题，本人的设计如下：   

   离子风端口保护器工作室之一
无源、准隔离、对称驱动的RS-232转RS-485

一般的转换器没有方向切换电路，则其485正电平的输出依靠的是其A、B的偏置电阻，这样驱动能力大大受限。因此这里增加了方向切换电路，是的A、B输出驱动对称。
      其二采用74HC14做电荷泵电源器件，完成负压转正亚，相对广为应用的ICL7660成本略低，但是输出整流管多出一个，效率偏低，故推荐使用ICL7660，相关电路如有需要，我们将继续上传。
第三，对于端口敏感的场合，经过我们试验发现，使用铁氧体制作的音频变压器，初级和次级电感大于2H以上，做A、B输出隔离后连接电话线的专线点对点，可传送１ｋＭ／４８００ｂｐｓ。但是对端设备未使用此变压器。
     通信速率：115200bps
      无源：RS232取电
      防雷：TVS保护
      隔离：外加音频变压器可支持800m的隔离通信，通信速率4800-9600bps     对于防雷通信，我做了一些研究和测试，