Дифференциальная передача сигналов

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ

Дифференциальная передача сигналов, являющаяся менее распространенной по сравнению с несимметричной передачей, использует два двухтактных сигнала напряжения для передачи одного информационного сигнала. Таким образом, один информационный сигнал требует пары проводников; первый переносит сигнал, а второй переносит инвертированный сигнал.

 

Обобщенные временные диаграммы несимметричной передачи сигналов и дифференциальной передачи сигналов

 

Приемник извлекает информацию, обнаруживая разность потенциалов между инвертированным и неинвертированным сигналами. Два сигнала напряжения «симметричны», что означает, что они имеют равную амплитуду и противоположную полярность относительно синфазного напряжения. Обратные токи, связанные с этими напряжениями, также сбалансированы и, таким образом, компенсируют друг друга; по этой причине можно сказать, что дифференциальные сигналы имеют (в идеале) нулевой ток через соединение земли.

При дифференциальной передаче сигналов отправитель и получатель необязательно должны иметь общую опорную точку земли. Однако использование дифференциальной передачи не означает, что различия потенциалов земли у отправителя и получателя не влияют на работу схемы.

Если передается несколько сигналов, то для каждого сигнала требуется два проводника, и часто необходимо или, по крайней мере, полезно включить соединение земли, даже если все сигналы являются дифференциальными. Так, например, для передачи 16 сигналов потребуется 33 проводника (для несимметричной передачи было необходимо 17). Это демонстрирует очевидный недостаток дифференциальной передачи сигналов.

Топология дифференциальной передачи сигналов

 

Преимущества дифференциальной передачи сигналов

Нет обратного тока

Поскольку у нас (в идеале) нет обратного тока, опорная земля становится менее важной. Потенциалы земли у отправителя и получателя могут даже различаться или изменяться в пределах допустимого диапазона. Тем не менее, вы должны быть осторожны, потому что дифференциальная передача сигналов со связью по постоянному току (например, USB, RS-485, CAN) обычно требует общего потенциала земли, чтобы сигналы оставались в пределах максимально и минимально допустимого синфазного напряжения.

Устойчивость к внешним электромагнитным помехам и перекрестным помехам

Если электромагнитные помехи (ЭМП) или перекрестные помехи (т.е. электромагнитные помехи, создаваемые соседними сигналами) вводятся извне относительно дифференциальных проводников, то они равномерно добавляются к инвертированному и неинвертированному сигналам. Приемник реагирует на разность напряжений между двумя сигналами, а не на несимметричное (т.е. относительно земли) напряжение, и, таким образом, схема приемника значительно уменьшит амплитуду внешних и перекрестных помех.

Вот почему дифференциальная передача сигналов менее чувствительна к внешним электромагнитным помехам, перекрестным помехам или любым другим шумам, которые добавляются к обоим сигналам дифференциальной пары.

Работа с низким напряжением

Несимметричные сигналы должны поддерживать относительно высокое напряжение для обеспечения достаточного отношения сигнал/шум (С/Ш, SNR). Наиболее распространенными напряжениями несимметричных интерфейсов являются 3,3 В и 5 В. Благодаря своей повышенной устойчивости к шуму дифференциальные сигналы могут использовать более низкие напряжения, поддерживая соответствующее отношение сигнал/шум. Кроме того, отношение сигнал/шум автоматически увеличивается в два раза по сравнению с эквивалентной несимметричной реализацией, поскольку динамический диапазон в дифференциальном приемнике в два раза выше динамического диапазона каждого сигнала в дифференциальной паре.

Возможность успешно передавать данные с использованием более низких напряжений сигналов имеет несколько важных преимуществ:

• могут использоваться более низковольтные источники питания;
• меньшие изменения напряжения во время переходов:
• уменьшаются излучаемые электромагнитные помехи;
• снижается потребление электроэнергии;
• допускается работа на более высоких частотах.

Применения

В настоящее время существует множество стандартов интерфейсов, в которых используются дифференциальные сигналы. К ним относятся следующие:

• LVDS (Low-Voltage Differential Signaling, Низковольтная дифференциальная передача сигналов);
• CML (Current Mode Logic, логика с токовыми переключателями);
• RS485;
• RS422;
• Ethernet;
• CAN;
• USB;
• высококачественный симметричный звук.

 

 

Заключение

Применение ферритовых трубок на всех кабелях дало возможность слушать, на весьма чувствительный радиоприемник, в метре - полутора от ПК радиостанции работающие в длинноволновом диапазоне на ферритовую антенну. Ранее это можно было делать на расстоянии не менее 3-5 м.

Ферритовые кольца и трубки простой и удобный, а главное недорогой способ увеличить потери в высокочастотной части спектра, не внося потерь на постоянном токе и рабочей частоте сигнала. Наиболее эффективно кольца работают при подавлении нежелательной помехи с частотой выше 1-5 МГц. При правильном применении они могут выполнять:

• высокочастотную развязку,
• подавление паразитных сигналов,
• экранирование.

По сути ферритовое кольцо или трубка представляют собой индуктивность имеющую все присущие ей составляющие. Этим графиком производители характеризуют свои изделия.

 

Z = {(R²+(2πfL)²}^1/2

Где:
R - эквивалентное сопротивление,
L- эквивалентная индуктивность кольца или трубки.

Это индуктивность и сопротивление включенные последовательно.

Изготавливаются 2 типа ферритовых колец и трубок для подавления помех. Тип 1 - является резистивным в рабочем диапазоне частот, а тип 2 - Индуктивным.

 

MODBUS

Modbus — открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий — ведомый (master-slave). Широко применяется в промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использоваться для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232, и сети TCP/IP (Modbus TCP). Также существуют нестандартные реализации, использующие UDP

Основные достоинства стандарта — открытость и массовость.

Недостатки

· специфицирует метод передачи только двух типов данных

· не регламентирует начальную инициализацию системы

· Не предусмотрена передача сообщений по инициативе подчинённого устройства (прерываний)

· Длина запроса ограничена, а данные могут быть запрошены только из последовательно расположенных регистров

· Не предусмотрен способ, с помощью которого подчинённое устройство могло бы обнаружить потерю связи с ведущим

Контроллеры на шине Modbus взаимодействуют, используя master-slave модель, основанную на транзакциях, состоящих из запроса и ответа.

Обычно в сети есть только одно ведущее, так называемое, «главное» (англ. master) устройство, и несколько ведомых — «подчинённых» (англ. slaves) устройств. Главное устройство (мастер) инициирует транзакции (передаёт запросы). Мастер может адресовать запрос индивидуально любому подчиненному или инициировать передачу широковещательного сообщения для всех подчиненных устройств. Подчинённое устройство, опознав свой адрес, отвечает на запрос, адресованный именно ему. При получении широковещательного запроса ответ подчинёнными устройствами не формируется.

Спецификация Modbus описывает структуру запросов и ответов. Их основа — элементарный пакет протокола, так называемый PDU (Protocol Data Unit). Структура PDU не зависит от типа линии связи и включает в себя код функции и поле данных. Код функции кодируется однобайтовым полем и может принимать значения в диапазоне 1…127. Диапазон значений 128…255 зарезервирован для кодов ошибок. Поле данных может быть переменной длины. Размер пакета PDU ограничен 253 байтами.

Для передачи пакета по физическим линиям связи PDU помещается в другой пакет, содержащий дополнительные поля. Этот пакет носит название ADU (Application Data Unit). Формат ADU зависит от типа линии связи. Существуют три варианта ADU, два для передачи данных через асинхронный интерфейс и один — через TCP/IP сети:

• Modbus ASCII — для обмена используются только ASCII символы. Для проверки целостности используется однобайтовая контрольная сумма. Начало и конец сообщения помечаются специальными символами (начало сообщения ":", конец сообщения CR/LF).
• Modbus RTU — компактный двоичный вариант. Сообщения разделяются по паузе в линии. Сообщение должно начинаться и заканчиваться интервалом тишины, длительностью не менее 3,5 символов при данной скорости передачи. Во время передачи сообщения не должно быть пауз длительностью более 1,5 символов. Для скоростей более 19200 бод допускается использовать интервалы 1,75 и 0,75 мс, соответственно. Проверка целостности осуществляется с помощью CRC.
• Modbus TCP — для передачи данных через TCP/IP соединение.

 

Максимальный размер ADU для последовательных сетей RS232/RS485 — 256 байт, для сетей TCP — 260 байт.

Для Modbus TCP ADU выглядит следующим образом:

ID транзакции

ID протокола

длина пакета

адрес ведомого устройства

код функции

данные

где

• ID транзакции — два байта, обычно нули
• ID протокола — два байта, нули
• длина пакета — два байта, старший затем младший, длина следующей за этим полем части пакета
• адрес ведомого устройства — адрес подчинённого устройства, к которому адресован запрос. Обычно игнорируется, если соединение уже установлено с конкретным устройством, или в системе только одно устройство. Может использоваться, если соединение установлено с мостом, который связан физически, например, с сетью RS-485.

RS-232

RS-232 (англ. Recommended Standard 232, другое название EIA232 ^[1]) — стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса (UART). Устройство, поддерживающее этот стандарт, широко известно как последовательный порт персональных компьютеров. Исторически стандарт имел широкое распространение в телекоммуникационном оборудовании. В настоящее время используется для подключения к компьютерам широкого спектра оборудования, нетребовательного к скорости обмена, особенно при значительном удалении его от компьютера и отклонении условий применения от стандартных. В компьютерах, занятых офисными и развлекательными приложениями, практически вытеснен интерфейсом USB.

RS-232 обеспечивает передачу данных и некоторых специальных сигналов между терминалом (англ. Data Terminal Equipment, DTE) и коммуникационным устройством (англ. Data Communications Equipment, DCE) на расстояние до 15 метров на максимальной скорости (115200 бод). Так как этот интерфейс известен не только простотой программирования, но и неприхотливостью, в реальных условиях это расстояние увеличивается во много раз с примерно пропорциональным снижением скорости.

Протокол интерфейса предполагает два режима передачи данных синхронный и асинхронный, а также два метода управления обменом данных: аппаратный и программный. Каждый режим может работать с любым методом управления. В протоколе также предполагается вариант управления передачей данных по специальным сигналам, устанавливаемым хостом (DSR — сигнал состояния готовности, DTR — сигнал готовности передачи данных).

Для передачи данных по интерфейсу RS-232 используется код NRZ, который не является самосинхронизирующимся, поэтому для синхронизации используется стартовый и стоповый бит, позволяющие выделить битовую последовательность и синхронизировать приёмник с передатчиком.

Принцип работы

Основная статья: UART

RS-232 — проводной дуплексный интерфейс. Метод передачи данных аналогичен асинхронному последовательному интерфейсу UART.

Информация передаётся по проводам двоичным сигналом с двумя уровнями напряжения (код NRZ). Логическому «0» соответствует положительное напряжение (от +5 до +15 В для передатчика), а логической «1» — отрицательное (от −5 до −15 В для передатчика). Для электрического согласования линий RS-232 и стандартной цифровой логики UART выпускается большая номенклатура микросхем драйверов, например, MAX232.

Помимо линий входа и выхода данных, RS-232 регламентировал ряд необязательных вспомогательных линий для аппаратного управления потоком и специальных функций.

Для успешного обмена данными ряд переменных параметров протокола должны быть заданы одинаково на стороне приёмника и передатчика:

· скорость обмена данными в битах в секунду (300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, или другая, если она поддерживается обеими сторонами);

· количество бит данных — от 4 до 8;

· контроль чётности может быть чётным, нечётным или вообще отсутствовать;

· длина стоп бита может достигать одну, полторы или две длительности бита данных.

К основным электрическим характеристикам относят:

· логические уровни передатчика: «0» – от +5 В до +15 В, «1» – от -5 В до -15 В;

· логические уровни приёмника: «0» – от +3 В и выше, «1» – от -3 В и ниже;

· максимальная нагрузка передатчика: входное сопротивление приёмника не менее 3 кОм.

Интерфейс RS-232 построен на униполярных линиях передачи данных. Это определяет невысокую производительность и небольшую длину кабеля. Этот интерфейс используется при подключении периферийного оборудования к управляющим ПК. RS-232 - радиальный интерфейс, что исключает наличие адреса и определяет направления его использования в системах сбора данных, с периферийным оборудованием

  КОАКСИАЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ

Коаксиальный кабель(coaxial), или коаксиал имеет длинную историю. Если в вашем доме есть кабельное телевидение, то вы имеете коаксиальный кабель. Кабельное телевидение использует те же самые принципы, что и широкополосная передача, применяемая в сетях передачи данных. Широкополосная сеть и кабельное телевидение используют важное достоинство коаксиального кабеля - его способность передавать в один и тот же момент множество сигналов. Каждый такой сигнал называется каналом. Все каналы организуются на разных частотах, поэтому они не мешают друг другу.

Коаксиальный кабель обладает широкой полосой пропускания; это означает, что в ней можно организовать передачу трафика на высоких скоростях. Он также устойчив к электромагнитным помехам (по сравнению с витой парой) и способен передавать сигналы на большое расстояние. Кроме того, с технологией передачи сигналов по коаксиальному кабелю хорошо освоились многие поставщики и инсталляторы как кабельных систем, так и различных сетей передачи данных.

Коаксиальный кабель состоит из четырех частей (см. рис. 1). Внутри кабеля размещена центральная жила (проводник, сигнальный провод, линия, носитель сигнала, внутренний проводник), окруженная изоляционным материалом (диэлектриком). Указанный слой изоляции охвачен тонким металлическим экраном. Ось металлического экрана совпадает с осью внутреннего проводника - отсюда и следует название "коаксиал". И, наконец, внешней частью кабеля является пластиковая оболочка.

Центральная жила может состоять из одного сплошного проводника (одножильный) или нескольких, являющихся одним проводником (многожильный). Она обычно выполнена из меди, медного сплава с оловом или серебром; алюминия или стали с медным покрытием. Диэлектрик - полиэтилен или тефлон с воздушной прослойкой или без нее. Экран может быть выполнен в виде фольги или оплетки. Внешняя оболочка изготавливается из поливинилхлорида или полиэтилена (noplenun), тефлона или кинара (plenun).

Внешний экран может быть выполнен из фольги, оплетки или из их комбинаций. Возможна также многослойная (например, четырехслойная) защита.

Существует несколько размеров коаксиального кабеля. Различают толстый (диаметром 0.5 дюйма) и тонкий (диаметром 0.25 дюйма) коаксиальные кабели. Толстый коаксиальный кабель более крепкий, стойкий к повреждению и может передавать данные на более длинные расстояния, но недостатком такого кабеля является сложность его подсоединения.

Заметим также, что существуют такие разновидности коаксиального кабеля, как твинаксиал, тринаксиал, quad-кабель и т.д.

Полное сопротивление коаксиального кабеля определяется по формуле:

Характеристический импеданс не зависит от длины кабеля и частоты, но зависит от емкости и индуктивности на единицу длины.

Эта формула означает, что характеристический импеданс не зависит от длины кабеля и частоты, но зависит от емкости и индуктивности на единицу длины. Однако, это не так, если длина кабеля превышает 200 метров. В этом случае сопротивление и емкость имеют значение и оказывают влияние на видеосигнал.

 

  ИНТЕРФЕЙС RS-485

Интерфейс RS-485, как и RS-422 реализованы на дифференциальных линиях связи, обладают хорошей помехозащищенностью. Применяются при длине линии до 1 км, на концах линий устанавливаются согласующие резисторы. У интерфейса RS-422 снижены выходные токи передатчиков, что определяет меньшую нагрузочную способность, для улучшения данных параметров применяют повторители данных. Интерфейс RS-422 используется реже, чем RS-485, как правило, для соединения устройств, находящихся на большом расстоянии, а не для создания сети.

Преимущества интерфейса RS-485 перед сигналом RS-232 заключаются в следующем:

- использование однополярного источника питания упрощает конструкцию и согласование устройств;

- превосходство сигнала передатчика RS-485 в мощности в 10 раз позволяет организовать широковещательную передачу данных (за счет подключения большого числа приемников);

- увеличенная дальность связи за счет работы передатчика на низкоомную нагрузку дает возможность применения эффекта подавления синфазных помех (свойства витой пары).

Преимущества:

· двусторонний обмен данными всего по одной витой паре проводов;

· работа с несколькими трансиверами, подключенными к одной и той же линии, т. е. возможность организации сети;

· большая длина линии связи;

· достаточно высокая скорость передачи.

Сравнение

Таким образом, последовательные интерфейсы широко востребованы, длительное время их применения позволило разработать большое количество изделий, элементную базу, программные модули. Популярность коммуникационных интерфейсов заключается в невысокой стоимости портов и кабелей, объясняется стабильностью их использования. Наиболее важным отличием рассмотренных интерфейсов является то, что протокол RS-232 использует небалансный сигнал, в то время как RS-422/RS-485 используют балансный сигнал, разница в свойствах определяет как условия реализации интерфейсов, так и длину кабеля между устройствами, возможность организации широковещательной передачи данный, уровень помехоустойчивости.

 

 

HART

HART (англ. Highway Addressable Remote Transducer) — набор коммуникационных стандартов для промышленных сетей.

Предназначен для подключения промышленных датчиков. Включают проводной и беспроводной физические уровни, а также протокол обмена. Проводной вариант позволяет передавать цифровые данные и питание по двум проводам, сохраняя совместимость с аналоговыми датчиками стандарта токовая петля 4-20 мА.

HART-команды бывают трех типов: универсальные, общепринятые и специфические. Универсальные и общепринятые команды устанавливаются стандартом на HART-протокол и выполняют чтение и запись серийного номера устройства, тега, дескриптора, даты, рабочей области памяти, номера версии устройства и т. п. Эти параметры изменяются редко и поэтому хранятся в ЭППЗУ.

Приведем примеры универсальных команд:

"Считать имя изготовителя и тип устройства",

"Считать переменную и единицу измерения",

"Считать переменную как величину тока и в процентах от диапазона"

Примеры распространенных команд:

"Считать четыре динамические переменные",

"Записать постоянную демпфирования",

"Записать диапазон измерения",

"Калибровать",

Примеры специфических команд:

"Записать уставку ПИД-регулятора",

"Включить ПИД-регулятор",

"Считать или записать калибровочные коэффициенты"

IEC-625

Стандарт IEC-625 предписывает использовать 25-контактные D-subminiature разъёмы, такие же, как использует IBM PC-совместимый компьютер для параллельного порта. Этот соединитель, по сравнению с 24-контактным типом разъёма, не приобрел существенного признания на рынке.

Стандарт GРIB

Поскольку шина IEEE-488 хорошо стандартизована и протестирована, большинство производителей автоматизированных измерительных систем и инструментов встраивают в свои изделия интерфейсы GPIB в качестве основного канала передачи данных.

Стандарт GPIB определяет три различных типа устройств, которые могут быть подключены к шине: "слушатель", "говорящий" и/или контроллер (точнее, устройства могут находиться в состоянии "слушатель" либо "говорящий" либо быть типа "контроллер").Устройство в состоянии "слушатель" считывает сообщения с шины; устройство в состоянии "говорящий" посылает сообщения на шину. В каждый конретный момент времени в состоянии "говорящий" может быть одно и только одно устройство, в то время как в состоянии "слушатель" может быть произвольное количество устройств. Контроллер выполняет функции арбитра и определяет, какие из устройств в данный момент находятся в состоянии "говорящий" и "слушатель".

 

СКИН-ЭФФЕКТ

Скин-эффект (данный эффект также иногда называют поверхностным эффектом). Суть его в следующем. При протекании переменного тока по проводнику в проводнике и вне его создается переменное магнитное поле. Сам ток был создан электрическим полем в проводнике (назовем это поле первичным). Магнитное поле индуцирует вихревое электрическое поле, часть его оказывается в том же проводнике с током и направлено навстречу первичному. Сложение первичного и индуцированного электрических полей приводит к экспоненциальному уменьшению суммарного электрического поля при движении вглубь проводника. Ток в проводнике, пропорциональный электрическому полю, соответственно, концентрируется у поверхности проводника. Говорят, что ток концентрируется на поверхности проводника. Возможна и альтернативная формулировка: электромагнитное поле, создающее ток в проводнике, вытесняется из проводника.

Скин-эффект проявляется не только для токов, но и для «запертого» в кабеле поля. При низких частотах магнитное поле, созданное током в центральной жиле, проникает и в центральную жилу, и в экран. Снаружи от экрана, согласно теореме о циркуляции, оно компенсируется магнитным полем тока экрана. При высоких частотах магнитное поле практически полностью вытесняется из центральной жилы и экрана и полностью концентрируется в области диэлектрика (рис. 9). При этом уменьшается площадь контура, пронизываемого магнитными силовыми линиями, и снижается связанная с магнитным полем погонная индуктивность.

Существует явление, вызываемое, как и скин-эффект, полем, индуцированным переменным током, его называют эффектом близости. Данный эффект наблюдается в многожильных проводах, состоящих из нескольких или многих изолированных друг от друга проводников (например, двухпроводная линия, многожильная витая пара) и заключается в
следующем. Переменное магнитное поле тока, протекающего по одному из проводников (будем называть такие токи собственными), индуцирует токи в соседних проводниках (рис. 10). Собственный ток и индуцированный им ток всегда направлены навстречу. Индуцированные в соседних проводниках токи могут как складываться с собственными токами этих
проводников, так и уменьшать их. В итоге плотность тока в проводнике либо «отталкивается» (сонаправленные собственные токи) от соседних проводников, либо «притягивается» к ним (противоположно направленные собственные токи).

Отличие от скин-эффекта состоит в том, что при скин-эффекте собственный ток посредством переменного магнитного поля «вытесняет» сам себя. При проявлении эффекта близости собственный ток «вытесняет» токи в соседних проводниках. Эффективные сопротивления одинаковых проводников многожильного провода из-за эффекта близости могут оказаться разными на высоких частотах в зависимости от того, ближе к центру или к внешней поверхности провода находится данный проводник, сколько вокруг него соседних проводников и в каком направлении по ним текут токи. Если все собственные токи сонаправлены, а проводники одинаковы, у центральных проводников сопротивление для высоких частот окажется выше, чем у тех, что расположены дальше от оси многожильного провода, несмотря на одинаковые размеры проводников и одинаковые электромагнитные характеристики материала проводников. Эффект близости обычно проявляется в тех же случаях,
когда проявляется скин-эффект.

 

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ

Дифференциальная передача сигналов, являющаяся менее распространенной по сравнению с несимметричной передачей, использует два двухтактных сигнала напряжения для передачи одного информационного сигнала. Таким образом, один информационный сигнал требует пары проводников; первый переносит сигнал, а второй переносит инвертированный сигнал.

 

Обобщенные временные диаграммы несимметричной передачи сигналов и дифференциальной передачи сигналов

 

Приемник извлекает информацию, обнаруживая разность потенциалов между инвертированным и неинвертированным сигналами. Два сигнала напряжения «симметричны», что означает, что они имеют равную амплитуду и противоположную полярность относительно синфазного напряжения. Обратные токи, связанные с этими напряжениями, также сбалансированы и, таким образом, компенсируют друг друга; по этой причине можно сказать, что дифференциальные сигналы имеют (в идеале) нулевой ток через соединение земли.

При дифференциальной передаче сигналов отправитель и получатель необязательно должны иметь общую опорную точку земли. Однако использование дифференциальной передачи не означает, что различия потенциалов земли у отправителя и получателя не влияют на работу схемы.

Если передается несколько сигналов, то для каждого сигнала требуется два проводника, и часто необходимо или, по крайней мере, полезно включить соединение земли, даже если все сигналы являются дифференциальными. Так, например, для передачи 16 сигналов потребуется 33 проводника (для несимметричной передачи было необходимо 17). Это демонстрирует очевидный недостаток дифференциальной передачи сигналов.

Топология дифференциальной передачи сигналов