一些工控系统串行通信传输线的阻抗匹配技术

在由微机组成的多机或互联网络的工控系统中，串行通信接口方式是经常用的。串行通信方式不仅接口电路比较简单，可以方便地实现长距离传输，而且相对于并行通信，抗干扰能力比较好。异步串行通信接口标准有三类可供选择，ＲＳ－２３２Ｃ、ＲＳ－

４９９、ＲＳ－４２２Ａ／４２３Ａ／４８５通信标准和２０ｍＡ电流环非标准的

串行接口，同时还可以借助最新出现的ＣＡＮ总线标准来优化串

行通信。但是，在工业测控环境中，电磁环境往往十分恶劣，因此在传输线的选择，接口标准的选择要充分考虑其抗干扰能力，并采取必要的抗干扰措施，保证通信的可靠性。

１传输线效应及其主要参数

当传输信号的速度与导线的长度同为一个数量级时，信号

就会产生传输线效应。传输线有其特征阻抗，假如信号在传输线上传输而不采取任何措施，当传输线上某处出现阻抗突变（不匹配）时，则会产生传输线效应，其传输信号将发生畸变或衰减。表现为：信号通过就会发生反射，反射对原信号造成干扰，严重时就会影响电路的正常工作；接收端信号过冲振铃、上升沿出现抖动、波形前沿变差、信号幅度下降，这将破坏系统的可靠运行。

１．１传输线特性阻抗Ｚ０

传输线可看作是由分布电感和分布电容所组成，其特性阻抗为Ｚ０＝Ｌ０／Ｃ０!。其中Ｌ０、Ｃ０是单位长度传输线的分布电感和分布电容，它们与导线的结构、导磁率及介电常数有关。因此，对于计算机系统中传输信号的各类导线，其特性阻抗均不同，参考值如表１所示。

表１

各类导线的特性阻抗参考值

１．２延迟时间

由传输线效应引起的信号延迟时间τ＝ｘＬ０Ｃ０!。式中ｘ为传输线的长度。由此可知，导线单位长度内的电感量、电容量越大，导线长度越长，则延迟时间也越长。

１．３反射系数

信号按一定的速度在传输线路中传输，当输入电压经分布电感、电容一直传输到传输线终端时，此时一般会出现阻抗不连续点，由于电流不能发生突变并有反向感生电动势，因而引起反

射波向源端传输。这样，原来的电波与反射波相互重叠，引起波形失真。设Ｖｏ为入射电压，ＶＲ为反射电压，则电压反射系数ＫＶ＝ＶＲ／

ＶＯ＝（ＺＬ－ＺＯ）／（ＺＬ＋ＺＯ）。反射系数直接影响到信号传输的失真度。

１．４传输线效应的特点

传输线效应的特点是引起波形畸变的现象是一种暂态过程，通常不会影响电路的静态逻辑功能，仅可能造成暂时性故障。但这种暂时现象足以造成严重后果，传输线上阻抗不匹配造成信号的反射使信号传输质量下降，如视频同轴电缆由于阻抗不匹配造成的影响在视频图像上表现为重影；在控制信号传输线阻抗不匹配会将在脉冲序列的前后沿形成震荡，震荡的存在使高低电平间的阈值差变小，当震荡的幅值再大或有其他干扰引入时就无法正确分辨出脉冲电平值，导致通信时间变长或通信中断，使系统工作不可靠。根据电磁理论，减少长线上信号反射的有效途径是阻抗匹配。

２阻抗匹配技术

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。信号由传输线传输到终端，若无反射波产生，则此时的终端阻抗与传输线阻抗称为匹配，即ＺＬ＝ＺＯ。当传输线终端匹配时，传输的信号电压波没有被反射，电流平稳地进入负载；当传输线始端匹配时，终端的反射波等于入射波，反射波到达始端时，则被匹配的阻抗所吸收，整个传输线被充电而达到稳定状态，不再有反射。采用匹配的方法来消除反射，使信号可靠传输。根据信号传输的方向，可采用终端匹配、始端匹配和总线匹配的方法。

２．１终端匹配

终端匹配方法即在传输线终端接一个阻抗为ＺＯ的负载，由此满足ＺＬ＝ＺＯ为最佳匹配，此时，传输无反射现象。在单个发射源单个接收源的相互通道中传输信号，常采用这种匹配方法。终端匹配常采用的接法有以下三种。

２．１．１匹配电阻反馈到电源电压

如图１所示，将终端匹配电阻ＺＬ＝ＺＯ跨接于接收端及Ｖｃｃ端，利用Ｖｃｃ对交流而言为接地的特点，构成对地回路。如果发送端为ＯＣ门，则采用该方法更为方便。该方法波形改善效果较好，对输出电平影响不大，仅低电平略有提高。但由于电阻ＺＬ接

入，势必消耗一部分有用功率，所以需考虑增加发送端的吸流负载。

工控系统串行通信传输线的阻抗匹配技术

叶志琼

郑春华（福建省湄洲湾职业技术学院电子系，福建莆田３５１２００）

ＩｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆＳｅｒｉａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ

摘

要

针对工控系统串行通信传输线的主要参数及其效应进行了分析和讨论，根据电磁理论，提出了抑制传输线效应的有效措施—阻抗匹配技术。从提高工控系统可靠性的角度出发，对信号反射的不同形式给出了相应的阻抗匹配解决方案，同时提供了相应的电路原理图，具有实际的工程应用价值。

关键词：阻抗匹配，传输线效应，抗干扰

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｅｍａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｅｆｆｅｃｔｏｆｓｅｒｉａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｈａｖｅｂｅｅｎｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｅｐａ－ｐｅｒ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＥＭＣｔｈｅｏｒｙ，ｉｔｃｏｍｅｓｕｐｗｉｔｈａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｉｎｒｅｓｔｒａｉｎｉｎｇｓｉｄｅ－ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ．Ａｉｍｏｎｉｍｐｒｏｖｉｎｇｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｉｎｄｕｓｔｒｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅｌｅｖａｎｔｓｏｌｕｔｉｏｎａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｉｇｎａｌｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ．Ａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｈａｓｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｉｎｄｅｔａｉｌ．ｉｔｉｓｏｆｆａｉｒｌｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｖａｌｕｅｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ，ａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ

导线类型同轴电缆

双绞线

扁平线

印刷板平行线

特性阻抗

５０Ω、７５Ω、１００Ω１００～２００Ω１３０～１５０Ω２００～３００Ω

工控系统串行通信传输线的阻抗匹配技术

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