數(shù)字傳感器信號(hào)遠(yuǎn)傳時(shí)的兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題

摘　要：研究數(shù)字傳感器信號(hào)遠(yuǎn)傳時(shí)，傳輸線路引起的信號(hào)畸變與抑制技術(shù)，以及對(duì)傳感器遠(yuǎn)距離供電時(shí)的穩(wěn)壓方法。

關(guān)鍵詞：數(shù)字傳感器；信號(hào)遠(yuǎn)傳；傳輸線；畸變；穩(wěn)壓

1　傳輸線路引起的數(shù)字信號(hào)畸變與抑制

在數(shù)字傳感器信號(hào)遠(yuǎn)傳時(shí)，因數(shù)字信號(hào)對(duì)外界干擾不敏感，故傳輸線路引起的信號(hào)畸變成為影響傳感器信號(hào)傳輸距離的主要因素。如用普通信號(hào)電纜傳輸數(shù)字溫度傳感器DS18B20的信號(hào)，長(zhǎng)度超過(guò)50m時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤，原因在于總線電纜分布電容引起信號(hào)波形畸變�？梢�，研究傳輸線路引起的數(shù)字信號(hào)畸變與抑制技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字傳感器信號(hào)遠(yuǎn)傳是必要的。

1．1　傳輸線上電容引起上升沿和下降沿畸變

各種傳輸線上都有電容，主要包括線間分布電容和信號(hào)線對(duì)地分布電容（一般后者比前者小得多）。不同傳輸線上的電容可能相差很大。

數(shù)字信號(hào)通過(guò)傳輸線時(shí)，其上的電容會(huì)出現(xiàn)充放電過(guò)程，引起矩形脈沖的上升沿和下降沿變壞，造成波形畸變，圖1為畸變波形的示意圖。電容越大或脈沖信號(hào)的頻率越高，畸變?cè)絿?yán)重。

所以，在實(shí)踐中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①合理估算畸變的允許程度和電容的允許值，注意將信號(hào)接收端的輸入電容一并考慮；②不同傳輸線的電容相差很大，如同軸電纜抗干擾能力最強(qiáng)，但電容較大；③傳輸線越短， 電容越��；④合理布線，可減小電容。

1．2　長(zhǎng)線傳輸引起的振蕩

設(shè)傳輸線的特性阻抗為ZO、信號(hào)源的輸出阻抗為RS、負(fù)載阻抗為RL，則始端電壓反射系數(shù)ρS和終端電壓反射系數(shù)ρL分別為可見，阻抗不匹配時(shí)，反射系數(shù)不等于零，即存在反射現(xiàn)象。

研究表明：存在反射時(shí)，原始波在阻抗不連續(xù)點(diǎn)發(fā)生繁殖，原來(lái)的一個(gè)入射波到后來(lái)變成許多雜亂的紋波。由于出現(xiàn)多次反射與透射，若每次反射都滯后一個(gè)時(shí)間，反射波與原始波疊加起來(lái)，就使信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重畸變。

對(duì)于數(shù)字信號(hào)，最常見的畸變是在脈沖的上升沿和下降沿出現(xiàn)過(guò)沖或振蕩（振鈴）現(xiàn)象，圖2為振蕩現(xiàn)象示意圖。振蕩幅度足夠大時(shí)，就會(huì)在負(fù)載電路（接收端）的輸入端產(chǎn)生非法的電平過(guò)渡，使傳送的信息出錯(cuò)。在有些情況下，振蕩幅度可能超過(guò)電壓的極限值， 造成器件損壞。

畸變的程度主要取決于傳輸線的傳輸延遲時(shí)間td和脈沖信號(hào)上升時(shí)間tr。當(dāng)傳輸延遲達(dá)到td＝tr／2的程度，即信號(hào)的跳變過(guò)程在信號(hào)傳到終端又被反射回始端之前就已結(jié)束，則必須在始端及終端進(jìn)行阻抗匹配。對(duì)選定的傳輸線，可估算出相應(yīng)的最大匹配長(zhǎng)度lmax。長(zhǎng)度超過(guò)lmax，即作長(zhǎng)線處理，應(yīng)進(jìn)行阻抗匹配。

傳輸線的lmax可由下式估算：

式（3）中，tr為脈沖信號(hào)的上升時(shí)間（ns）；v為電磁波速度，v＝（1．4～2）×108m／s；k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，k＝4～5。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)負(fù)載變重、延遲時(shí)間變長(zhǎng)時(shí)，lmax需相應(yīng)縮短。

　　常用的阻抗匹配方法有三種：發(fā)送端阻抗匹配、終端特性阻抗匹配和終端二極管匹配。每種方法各有特點(diǎn)，可根據(jù)具體情況選用。傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，通常按傳輸電纜的長(zhǎng)度來(lái)選擇終端匹配方法。

1．3　傳輸線造成的幅度衰減

導(dǎo)線的阻抗可視為電阻與電感的串聯(lián)，低頻時(shí)二者都很小，但二者都隨頻率的升高而增大，對(duì)信號(hào)幅度的衰減也隨之增大。例如，截面積為5．5mm2的銅圓導(dǎo)線直流電阻是3．3mΩ／m，1MHz時(shí)增加到30mΩ／m，10MHz時(shí)增加到90mΩ／m；直徑2mm、長(zhǎng)度1m的銅圓直導(dǎo)線的電感約為1μH，1MHz時(shí)的感抗（2πfL）為6．3Ω，10MHz時(shí)的感抗為63Ω；數(shù)控裝置和計(jì)算機(jī)用的雙絞線每米有50～60個(gè)絞結(jié)時(shí)，分布電感為0．73～0．80μH／m�？梢�，當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)頻率較高時(shí)，傳輸線造成的信號(hào)幅度的衰減不可忽視。
　　此外，信號(hào)串?dāng)_引起的附加噪聲、過(guò)渡引起的毛刺等也會(huì)引起數(shù)字信號(hào)的畸變。

傳輸線的合理鋪設(shè)對(duì)抑制數(shù)字信號(hào)畸變也很重要，具體操作可參考文獻(xiàn)［7］�！　�

理論與實(shí)踐表明，恰當(dāng)?shù)膫鬏斁�設(shè)計(jì)可使傳輸距離大大增加。如用雙絞線帶屏蔽電纜取代普通信號(hào)電纜，來(lái)傳輸數(shù)字溫度傳感器DS18B20的信號(hào)，傳輸距離由50m增加到150m。

2　遠(yuǎn)距離供電的穩(wěn)壓方法

采用三線制供電實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離供電的穩(wěn)壓電路如圖3所示。L1、L2為兩根相同的供電導(dǎo)線，且處在相同的環(huán)境中，故引線電阻相同，設(shè)為r；L3為采樣導(dǎo)線，其引線電阻設(shè)為rS。A1接成電壓跟隨器，起隔離作用。A2接成差分輸入放大器，據(jù)運(yùn)放“虛斷”的概念可知，L3中的電流趨于零（故L3可用較細(xì)的導(dǎo)線）。可見
　　
式（4）、（5）中ZS為傳感器的等效阻抗。據(jù)差分輸入放大器的放大規(guī)律和給定的電阻值可知，A2的輸出電壓為（2VS－Vset）。在穩(wěn)定狀態(tài)下，A3的同相端與反相端電位相等，故（2VS－Vset）＝VO。代入式（4）、（5）并整理得
　　
　

可見，傳感器上的電壓（IOZS）由Vset精確控制，不受供電導(dǎo)線的引線電阻影響。不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)距離供電的穩(wěn)壓，而且供電電壓調(diào)節(jié)方便。

若Vset取自基準(zhǔn)電壓源，則傳感器上的電壓穩(wěn)定度更高。A1、A2和A3一般選用通用運(yùn)放（如μA741）即可，若A2選用高輸入阻抗專用運(yùn)放，則電路性能更好。

這種方法也可用于對(duì)其他負(fù)載遠(yuǎn)距離供電的穩(wěn)壓。
 
3　結(jié)束語(yǔ)

在測(cè)控實(shí)踐中，傳感器信號(hào)需要遠(yuǎn)傳的場(chǎng)合較多。在這些場(chǎng)合除了選擇數(shù)字信號(hào)作為遠(yuǎn)傳信號(hào)外，也可以選擇電流信號(hào)等作為遠(yuǎn)傳信號(hào)（有些傳感器輸出不是電流信號(hào)，但需要時(shí)易于轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)）。無(wú)論遠(yuǎn)傳信號(hào)是何種信號(hào)形式，都會(huì)不同程度地存在前面討論的兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題。故本文的討論具有較普遍的意義。

參考文獻(xiàn)

［1］江太輝，鄧展威．DS18B20數(shù)字溫度傳感器的特性與應(yīng)用［J］．電子技術(shù)，2003，30（12）：46－49．
［2］馬明建，周長(zhǎng)城．?dāng)?shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］．西安：西安交通大學(xué)出版社，1999：182－191．
［3］趙元平，湯林森．高速數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)技巧［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，1997，23（5）：52－54．
［4］張捍東．微機(jī)控制系統(tǒng)傳輸線的考慮［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，1996，22（3）．
［5］莊梓新，張綸，梁愷，等．測(cè)量與控制核心系統(tǒng)手冊(cè)［M］．北京：宇航工業(yè)出版社，1989．
［6］周勝海，馬建中．傳輸線路引起的數(shù)字信號(hào)畸變與抑制［J］．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，10（10）：695－697．
［7］張松春，竺子芳，趙秀芬，等．電子控制設(shè)備抗干擾技術(shù)及其應(yīng)用（第2版）［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995：300－304．
［8］夏敖敖．消除引線電阻影響的三線制測(cè)量方法［J］．電子工程師，2003，29（11）：24－26．