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　　摘　要：研究數字傳感器信號遠傳時，傳輸線路引起的信號畸變與抑制技術，以及對傳感器遠距離供電時的穩壓方法。 
　　關鍵詞：數字傳感器；信號遠傳；傳輸線；畸變；穩壓

　　1　傳輸線路引起的數字信號畸變與抑制

　　在數字傳感器信號遠傳時，因數字信號對外界干擾不敏感，故傳輸線路引起的信號畸變成為影響傳感器信號傳輸距離的主要因素。如用普通信號電纜傳輸數字溫度傳感器DS18B20的信號，長度超過50m時，讀取的測溫數據將發生錯誤，原因在于總線電纜分布電容引起信號波形畸變。可見，研究傳輸線路引起的數字信號畸變與抑制技術，對實現數字傳感器信號遠傳是必要的。

　　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線對地分布電容（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。

　　數字信號通過傳輸線時，其上的電容會出現充放電過程，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的頻率越高，畸變越嚴重。

　　所以，在實踐中應注意以下幾點：①合理估算畸變的允許程度和電容的允許值，注意將信號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，但電容較大；③傳輸線越短， 電容越小；④合理布線，可減小電容。

　　1．2　長線傳輸引起的振蕩

　　設傳輸線的特性阻抗為ZO、信號源的輸出阻抗為RS、負載阻抗為RL，則始端電壓反射系數ρS和終端電壓反射系數ρL分別為

　　可見，阻抗不匹配時，反射系數不等于零，即存在反射現象。

　　研究表明：存在反射時，原始波在阻抗不連續點發生繁殖，原來的一個入射波到后來變成許多雜亂的紋波。由于出現多次反射與透射，若每次反射都滯后一個時間，反射波與原始波疊加起來，就使信號發生嚴重畸變。

　　對于數字信號，最常見的畸變是在脈沖的上升沿和下降沿出現過沖或振蕩（振鈴）現象，圖2為振蕩現象示意圖。振蕩幅度足夠大時，就會在負載電路（接收端）的輸入端產生非法的電平過渡，使傳送的信息出錯。在有些情況下，振蕩幅度可能超過電壓的極限值， 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間td和脈沖信號上升時間tr。當傳輸延遲達到td＝tr／2的程度，即信號的跳變過程在信號傳到終端又被反射回始端之前就已結束，則必須在始端及終端進行阻抗匹配。對選定的傳輸線，可估算出相應的最大匹配長度lmax。長度超過lmax，即作長線處理，應進行阻抗匹配。

　　傳輸線的lmax可由下式估算：

　　式（3）中，tr為脈沖信號的上升時間（ns）；v為電磁波速度，v＝（1．4～2）×108m／s；k為經驗常數，k＝4～5。應當指出，當負載變重、延遲時間變長時，lmax需相應縮短。

　　常用的阻抗匹配方法有三種：發送端阻抗匹配、終端特性阻抗匹配和終端二極管匹配。每種方法各有特點，可根據具體情況選用。傳輸數字信號時，通常按傳輸電纜的長度來選擇終端匹配方法。

　　1．3　傳輸線造成的幅度衰減

　　導線的阻抗可視為電阻與電感的串聯，低頻時二者都很小，但二者都隨頻率的升高而增大，對信號幅度的衰減也隨之增大。例如，截面積為5．5mm2的銅圓導線直流電阻是3．3mΩ／m，1MHz時增加到30mΩ／m，10MHz時增加到90mΩ／m；直徑2mm、長度1m的銅圓直導線的電感約為1μH，1MHz時的感抗（2πfL）為6．3Ω，10MHz時的感抗為63Ω；數控裝置和計算機用的雙絞線每米有50～60個絞結時，分布電感為0．73～0．80μH／m。可見，當傳輸的數字信號頻率較高時，傳輸線造成的信號幅度的衰減不可忽視。

　　此外，信號串擾引起的附加噪聲、過渡引起的毛刺等也會引起數字信號的畸變。

　　傳輸線的合理鋪設對抑制數字信號畸變也很重要，具體操作可參考文獻［7］。

　　理論與實踐表明，恰當的傳輸線設計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電纜，來傳輸數字溫度傳感器DS18B20的信號，傳輸距離由50m增加到150m。

　　2　遠距離供電的穩壓方法

　　采用三線制供電實現對遠距離供電的穩壓電路如圖3所示。L1、L2為兩根相同的供電導線，且處在相同的環境中，故引線電阻相同，設為r；L3為采樣導線，其引線電阻設為rS。A1接成電壓跟隨器，起隔離作用。A2接成差分輸入放大器，據運放“虛斷”的概念可知，L3中的電流趨于零（故L3可用較細的導線）。可見

　　式（4）、（5）中ZS為傳感器的等效阻抗。據差分輸入放大器的放大規律和給定的電阻值可知，A2的輸出電壓為（2VS－Vset）。在穩定狀態下，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，不受供電導線的引線電阻影響。不僅實現了對遠距離供電的穩壓，而且供電電壓調節方便。

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

　　這種方法也可用于對其他負載遠距離供電的穩壓。
　　3　結束語

　　在測控實踐中，傳感器信號需要遠傳的場合較多。在這些場合除了選擇數字信號作為遠傳信號外，也可以選擇電流信號等作為遠傳信號（有些傳感器輸出不是電流信號，但需要時易于轉換成電流信號）。無論遠傳信號是何種信號形式，都會不同程度地存在前面討論的兩個技術問題。故本文的討論具有較普遍的意義。

　　參考文獻

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