3.5.5 Симметричная и несимметричная схема передачи сигналов
3.5.5.1 Дифференциальный сигнал
Сигнал называется дифференциальным, когда по двум отдельным проводам передается два комплементарных (инверсных друг относительно друга) сигнала.
Рис. 36. Принцип использования дифференциального сигнала.
На рисунке А видно, что от источника, по двум проводам передается два сигнала инверсные друг относительно друга. Оба сигнала попадают на вычитатель (операционный усилитель). После вычитания инверсных сигналов результирующий сигнал усиливается. На рисунке Б показано влияние помех на схему с дифференциальным сигналом. Суть в том, что помеха, например, наведенная от сети 220В будет синфазной, т.е. в обоих проводах она будет с одинаковой фазой. При попадании такой помехи на вход вычитателя мы получим на выходе 0.
Таким образом, видно, что схемы передачи с дифференциальными сигналами обладают защитой от синфазных помех.
3.5.5.2 Несимметричная передача сигнала Несимметричная или однопроводная схема (single-ended) предполагает, что сигнал передается от источника к приѐмнику по одному проводу, а земли источника и приѐмника связаны друг с другом.
На эквивалентной схеме видно, что земли источника и приемника связаны, между отрицательной клеммой источника питания E1 и лампы L1 есть импедансы Z1 и Z2, появляющиеся из-за того, что контакты и проводники имеют ненулевое сопротивление. На самом деле в однопроводной схеме проводов естественно два, просто общий провод по традиции учитывается по умолчанию.
Несимметричная схема передачи данных простая в реализации, но из-за целого ряда проблем не позволяет осуществлять передачу данных с большой скоростью на большие расстояния. Например, интерфейс RS-232C, работающий по несимметричной схеме позволяет передавать данные со скоростью 19200 бит в секунду на расстояние 15 метров, а интерфейс RS-485, работающий по симметричной схеме, позволяет на аналогичном расстоянии работать со скоростью 10 Мб/с.
Рис. 38. Несимметричная передача сигнала. Вариант A используется в интерфейсах RS-232 (CCITT V.24/V.28, X.20bis/X.21bis и ISO IS2110), SPI, I2C, uLAN. Вариант Б, с дифференциальным входом, используется в интерфейсе RS-223A
К особенностям несимметричной схемы передачи сигналов можно отнести следующие:
Для однопроводной (несимметричной) схемы передачи сигналов достаточно одного проводника.
Однопроводная схема передачи сигналов чувствительна к нарушениям опорного напряжения.
Однопроводная схема передачи сигналов восприимчива к дребезгу земли.
Для однопроводной передачи сигналов требуется, чтобы соединение на общую опорную шину (опорный слой) было низкоимпедансным [34].
Рассмотрим несимметричную схему, состоящую из двух источников напряжения E1 и E2. Источник напряжения E1, ключ K1 и импеданс корпусного вывода Z1 является источником сигнала, а лампочка L1 и импеданс корпусного вывода Z2 – приемником. К лампочке подключен минусовой провод второго источника питания E1, к которому подключен ключ K2, образующий второй передатчик, имеющий общую землю с первым.
В схеме протекает два тока i1 и i2. На схеме видно, что через импеданс Z2 протекает два тока i1 и i2, создавая там падение напряжения Z2i1 + Z2i2. Так как сумма напряжений в цепи есть сумма падений напряжений на всех участках цепи, получается, что напряжение на лампе зависит от наличия или отсутствия тока i2. Эффект влияния соседней цепи такого рода называется влиянием через общий импеданс или дребезгом земли. Для того, чтобы влияние соседней цепи было минимальным необходимо, чтобы импеданс Z2 был близок к нулю.
Результатом дребезга влияния является помеха для полезного сигнала в приемнике L1.
Как уже говорилось выше, импедансы Z1 и Z2 появляются из-за того, что контакты и провода далеко не идеальны и имеют сопротивление. Вообще, необходимо помнить, что проводники и соединения имеют не только активное сопротивление, но и реактивное (индуктивность и емкость). Кроме того, они оказывают друг на друга существенное влияние через электрические и магнитные поля.
Однопроводные схемы очень чувствительны к электромагнитным наводкам, например, к помехам, вызываемым электрической сетью (220В, 50Гц). Для обеспечения передачи данных по однопроводной схеме часто используют коаксиальные и экранированные провода, в которых центральная жила является сигнальной, а экран (оплѐтка) – общим проводом.