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文档简介
1、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,则车出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为:P=I2>R=U/(R+r)2XR=U2>R/(R2+2X
2、RXr+r2)=U2XR/(R-r)2+4XRXr=U2/(R-r)2/R+4M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如即,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
3、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Ro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
4、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75Q,而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Q的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Q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
5、端输入阻抗为75Q,所以300Q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300Q到75Q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300Q的阻抗,变换成75Q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
6、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,可以考虑使用申联/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
7、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:假设你在练习拳击一一打沙包。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一一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,手也可能会受不了一一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
8、,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.ht叫),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,
9、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
10、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
11、,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
12、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
13、,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
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