Как работать с линиями?

Пользуясь авторским правом творить произвол, я решил сам задать такой вопрос.

Сегодня любителей интересуют, порой, такие разработки, за которые я и не стал бы браться, слишком много документации предстоит прочитать, прежде, чем выполнишь работу. Вместе с тем многие простые вопросы оказываются за пределами внимания любителей, и они больше склонны доверять мнению профессионалов, чем собственному.

Линии используются очень часто. Это и линии питания, соединяющие разные модули конструкции, это и коаксиальный кабель для передачи изображения, и витая пара, например, компьютерной линии. Proteus предлагает много интересных интерфейсов, таких как USB и сетевая карта, для проведения экспериментов с симуляцией в ISIS. Меня же интересует более простой вопрос, нельзя ли в Proteus увидеть, как ведет себя линия в разных, не свойственных ей ситуациях?

В библиотеке компонентов есть линия с потерями, элемент LOSSYLINE в разделе Modeling Primitives. Как любая линия с распределенными параметрами она должна обладать рядом характеристик: сопротивление на метр, погонная индуктивность и емкость. Для начала воспользуемся поиском в Интернете, чтобы найти следующий вариант: 9.4 Ом на 100 м, 5.6 нФ на 100 м, индуктивность отсутствует, поэтому решим, что это 1 мкГн на 100 м.

Эти параметры можно добавить в свойства линии, используя редактирование этих свойств. Там же есть возможность задать длину линии. Собственно, я использую два отрезка линии, каждый по 50 м, между которыми добавляю сопротивление 50 Ом. Схема для проведения эксперимента содержит импульсный генератор с короткими и редкими импульсами, сопротивлением 50 Ом, как бы внутреннее сопротивление генератора, и нагрузка всей линии тоже 50 Ом. Я не знаю волновое сопротивление получившейся линии, и выбранные мною резисторы достаточно случайны. Однако первый эксперимент в программе Proteus я бы назвал ознакомительным.

Мне приходилось порой решать простой вопрос, все ли будет хорошо, если линия, а из четырех проводов по двум передавалось питание, имеет сопротивление около 2 Ом. Это небольшое сопротивление, но когда устройство, подключаемое к этой линии потребляет ток порядка ампера на проводах может падать напряжение около 2 В. Если таких устройств не одно, а два или три, то забыть о сопротивлении линии значит впоследствии ломать голову, что не так с системой? Устройства могут работать при напряжении питания ниже номинального, как правило разработчики предусматривают некоторые дополнительные меры по блокированию этого, но пониженное питание по меньшей мере может приводить к неустойчивой работе, зависящей от «настроения» устройства. Бывает обидно обнаружить такую простую ошибку, как неучтенное падение напряжения на проводах. Но не так уж часто случается подобное, чтобы концентрировать на этом внимание.

Однако другие особенности линий, если исследование проблем происходит не в лабораторных условиях, могут доставить большие неприятности. Далеко не всегда в вашем распоряжении есть все необходимое оборудование для проверки линии, да и проверка желательна при отключенном оборудовании, что возможно тоже далеко не всегда, поэтому мне представляется очень удобной возможность в программах САПР провести ряд экспериментов, позволяющих наблюдать, что происходит в реальной линии в тех или иных нештатных ситуациях. На рисунке ниже дополнительное сопротивление R2 в 50 Ом между двумя отрезками линии должно изображать плохой контакт в разъеме.

Рис. 5.1. Эксперименты с линией в Proteus

Верхний график — это импульсы от генератора, редкие и красивые прямоугольные импульсы. Многие информационные сигналы имеют такую же природу и переносят сигналы от устройства к устройству по линиям.

Нижняя диаграмма показывает, что первый импульс приходит к концу линии с запозданием в 70 нС, его форма искажена, но это не самое неприятное. Следом за ним, или между двумя дошедшими до конца линии импульсами, есть еще один импульс (150 нС на диаграмме). Этот импульс появляется из-за отражения первого импульса, он опережает второй импульс, но запаздывает относительно первого. В дальнейшем появляются отражения и первого и второго импульсов и т.д. С каждым последующим отражением амплитуда отраженных импульсов уменьшается, но они могут вызывать помехи и при амплитуде меньшей, чем у «правильного» импульса. Чтобы проверить себя я уменьшу паразитное сопротивление R2 с 50 до 1 Ом.

Рис. 5.2. Осциллограмма сигнала в линии при улучшении ее параметров

Паразитный сигнал явно уменьшился. Ликвидация такой неприятности займет одну-две секунды, достаточно вытащить патч-корд и вернуть его на место. Соединение может после этого проработать долгие годы без проблем. Но сколько времени уйдет на поиск этого злополучного места соединения? И очень повезет, если вы начнете решение проблемы не с разборки устройства на другом конце линии.

Пока я рисовал линию, мне вспомнился еще один случай, который мне интересно было бы перенести из давней оказии в проверку с помощью программы. Все знают, что интерфейс RS232 (точнее COM-порт) вполне успешно может работать на расстоянии в 10-15 метров. Реальное расстояние было вдвое меньше, но соединение работало «через пень-колоду». Как выяснилось, из-за монтажной ошибки в одном месте компьютерный кабель UTP-8 переходил в коротенький участок кабеля другой природы. С точки зрения электрического соединения это не должно сказываться на работе, да и на амплитуде импульсов тоже. Но любые неоднородности линии, тем не менее, сказываются на работе сети. Посмотрим, что покажет Proteus, если второй участок линии OL2, короче первого в 10 раз будет иметь другие погонные сопротивление и емкость.

Рис. 5.3. Осциллограмма импульсного сигнала при разнородных участках линии

Неоднородность линии, видимо, вызывает отражения, как и при повреждении соединения. Не скажу, что это для меня откровение, я знаю о существовании приборов для отыскания повреждений в линиях, работающие на принципе отражения сигнала от любых неоднородностей линии. Но прибор, который мне довелось видеть, показывает условное изображение повреждения и позволяет прочитать по ручкам настройки расстояние до места повреждения. Сами сигналы он не позволяет увидеть.

Я не знаю, насколько необходимо в любительской практике исследовать линии, но знать о возможных проблемах полезно, полезно и увидеть поведение импульсных сигналов в линии при наличии разных «несоответствий» в ней. Имея представление о происходящих процессах, легче принять решение о том, что нужно сделать, если, соединив видеопроигрыватель с телевизором случайным кабелем, вместо четкого изображения получаешь дополнительные контуры. Можно заменить кабель, но не всегда. И в этом случае, причина скорее всего в том, что волновое сопротивление кабеля отличается от штатного, можно постараться осуществить согласование с помощью дополнительных устройств.

Все осциллограммы, приведенные выше, соответствуют частоте генератора 10 МГц, но многие линии работают на более высоких частотах. Что произойдет в последнем случае, если увеличить частоту генератора до 100 МГц? Если не забыть уменьшить в свойствах графика время наблюдения в 10 раз, то симуляция проходит быстро, иначе, на моем компьютере, она идет слишком долго, но результат представляет определенный интерес.

Рис. 5.5. Осциллограмма предыдущего эксперимента при увеличении частоты

Нет оснований углубляться в эту тему, но тот факт, что система проектирования Proteus поддерживает симуляцию и таких процессов, делает заявление о полезности изучения электроники за компьютером отнюдь не голословным.