Влияние длины проводника на передачу высокочастотных сигналов

Электрические линии как передаточные элементы

Физические основы передачи (процессы физического 1-го уровня)

Важнейшими передаточными элементами являют­ся однородные электрические линии. В измерительных устройствах (см. рис. 1) они служат не только для прямого подключения одного элемента к другому, но и для передачи сигналов на большие расстояния. Для этого обычно используют, т.н. коаксиаль­ные кабели. В таком кабеле проводники имеют форму цилиндров: внутреннего и внешнего, между которыми расположен цилиндрический слой диэлектрика. Электрические и магнитные поля сигналов, проходящих по такому кабелю, локализуются в пространстве между цилиндрическими проводниками, причем внешний проводник одновременно играет роль экрана за­щищающего сигнал от воздействия помех.

100 мВ/деление

10 нс/деление

50 мВ/деление

50 нс/деление

50 мВ/деление

10 нс/деление

Рис. 1. а – сигнал фотодиода, подсоединенного к высокоомному входу (R0=1МОм) осциллографа; длина кабеля l=1м; б – l=11м; R0=1Мом; в – l=1м; R0=50 Ом.

50 мВ/деление

5 нс/деление

50 мВ/деление

5 нс/деление

50 мВ/деление

5 нс/деление

Рис. 2. Сигнал быстродействующего фотодиода на конце кабеля длиной l. Волновое сопротивление ка­беля согласовано с входным сопротивлением осциллографа. Полоса пропускания осциллографа равна. 1 ГГц. а – l=1 м; б – l=11 м; в – l=79 м. Тип кабеля: RС58С/U.

К сожалению, кажущаяся простота такого переда­точного элемента часто приводит к тому, что передаточные характеристики электрических линий не принимают в расчет. Это может привести к грубым ошибкам при измерениях. Ниже приведены некото­рые примеры таких ошибок. Пусть короткий импульс света от лазера на красителях регистрируется с помощью фотодиода, а сигнал отображается на экране быстродействующего осциллографа. На рис. 1, а показан сигнал, возникающий на экране осциллогра­фа, если выход фотодиода подсоединить к высокоомному входу осциллографа (R0=1 МОм) с помощью обычного коаксиального кабеля длиной 1 м. Если длина кабеля равна l=11 м, то на экране осциллографа возникнет последовательность импуль­сов, показанная на рис. 1, б. И лишь когда пол­ное входное сопротивление будет равно волновому сопротивлению кабеля (здесь R0=50 Ом), мы полу­чим на экране осциллографа правильную форму им­пульса напряжения (рис. 1, в).

На рис. 2 показано, как влияет длина провод­ника на передачу высокочастотного сигнала, хотя обычно считают, что потери в так называемом высо­кочастотном кабеле пренебрежимо малы. Во всех трех случаях, показанных на рис. 2, волновое со­противление кабеля было подобрано правильно. При длине кабеля l=1 м модуляция лазерного импульса еще хорошо видна на экране осциллографа (рис. 2, а). Когда длина кабеля равна l=11 м, модуляция существенно ослабляется (рис. 2, б). При длине кабеля l=79м затухание в электриче­ской линии уже очень сильно искажает форму им­пульса (рис. 2, в).

Дата добавления: 2014-01-06