23. Передача данных и индикация
23.1. СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ЛИНИИ
В предыдущих главах предполагалось, что сигналы от одной интегральной схемы к другим передаются без искажений. Однако при крутом фронте сигнала влиянием соединительных линий пренебречь нельзя. На практике принято считать, что простой провод можно использовать в качестве соединительной линии в случае, если время прохождения сигнала по нему на порядок меньше, чем время нарастания сигнала на выходе схемы. Отсюда получается следующее ограничение: максимальная длина соединения должна составлять 10 см на наносекунду фронта сигнала. Если длина проводника будет большей, возникнут существенные искажения формы импульса, отражения и слабо- или сильнозатухающие колебания. Такие ошибки могут быть исключены введением линий с определенным волновым сопротивлением (коаксиальные кабели, полосковые линии), которые нагружаются на согласованную нагрузку. Их волновое сопротивление обычно лежит в диапазоне 50-300 Ом.
Полосковые линии могут быть реализованы, например, следующим образом: соединительные дорожки выполняются на нижней стороне платы, а сторона, на которой расположены компоненты, полностью металлизируется. Конечно, должны быть предусмотрены небольшие участки для изоляции выводов компонентов. При этом все соединительные дорожки, расположенные на нижней стороне платы, являются полосковыми линиями. Если проводящая плата имеет относительную диэлектрическую постоянную 
и толщину 
то при ширине проводящей дорожки 
волновое сопротивление составляет 75 Ом [23.1].
Для соединения одной платы с другой можно использовать коаксиальную линию. Однако она обладает существенным недостатком: ее сложно подводить к разъемам. Значительно проще передавать сигнал по двум скрученным простым, изолированным проводам, которые можно подсоединить к двум соседним контактам разъема. Если число витков составляет 100 на метр, то волновое сопротивление равно 110 Ом [23.1].
Простейшая возможность передачи данных по витой линии показана на рис. 23.1. Из-за требуемого низкоомного оконечного сопротивления передающий элемент должен обеспечивать соответственно большой выходной ток. Такие элементы, изготовленные в интегральном виде, известны как формирователи, работающие на линию. В качестве приемника целесообразно применять логические элементы типа триггера Шмитта (элементы с гистерезисом) для восстановления фронтов импульса.
Рис. 23.1. Передача данных по скрученной проводной линии с несимметричным управлением.
Несимметричная линия передачи сигнала, представленная на рис. 23.1, относительно восприимчива к внешним помехам, например к импульсам напряжения на земляном (общем) проводе. По этой причине в большинстве систем выгоднее использовать симметричные линии передачи сигнала, подобные показанной на рис. 23.2. При этом на обоих проводах витой линии формируется парафазный сигнал, а в качестве приемного устройства служит компаратор. Информация различается не по абсолютному значению уровня напряжения, а по полярности дифференциального напряжения. Импульсная помеха вызывает лишь синфазное отклонение, которое благодаря использованию компаратора не нарушает работы.
При формировании парафазного сигнала необходимо исключить возможность возникновения временного сдвига обоих сигналов относительно друг друга. По этой причине при использовании ТТЛ-схем вместо простых инверторов применяют специальные схемы с парафазным
Рис. 23.2. Передача данных по скрученной проводной линии с симметричным управлением.
выходом (например, Am 26LS31 фирмы Advanced Micro Devices).
В ЭСЛ-элементах часто используется парафазный выход. Поэтому их очень удобно использовать для симметричной передачи сигнала. Чтобы в полной мере реализовать их высокое быстродействие, в качестве компаратора применяют простой дифференциальный усилитель, который по входу совместим с ЭСЛ-схемами. Его называют приемником линии. Соответствующая схема показана на рис. 23.3.
Функционирование линии парафазной передачи с помощью компаратора на рис. 23.2 и 23.3 возможно только тогда, когда не превышается диапазон изменения синфазного сигнала. Если возникает очень большая разность потенциалов (например, в цифровых вольтметрах с плавающей землей), дифференциальный способ можно реализовать с помощью оптрона (рис. 23.4). Используя фототранзистор в качестве приемника, можно получить выходной сигнал, совместимый с ТТЛ-схемами. В этом случае скорость передачи ограничена значением порядка 100 кбит/с. Используя в качестве приемника фотодиод, можно достичь значительно большей скорости. Однако из-за малой величины фототока необходимо вводить последовательно с фотоприемником усилитель. Такая оптическая связь с интегральным усилителем позволяет повысить скорость передачи до 20 Мбит/с (например, в модели 5082-4364 фирмы Hewlett-Packard).
