Помехи в цифровых и аналоговых схемах

Как известно, надежность и достоверность работы цифровых устройств в существенной степени зависит от их помехозащищенности по отношению к внешним, внутренним, случайным и регулярным помехам.

В связи с ростом быстродействия вычислительных систем, увеличением стоимости затрат на изготовление межсоединений в ЭВМ, усложнения вычислительных систем и других факторов борьба с помехами приобретает все большую актуальность.

Помеха для вычислительного устройства – это внешнее или внутреннее воздействие, приводящее к искажению дискретной информации во время ей хранения, преобразования, обработки и передачи.

При анализе процессов передачи сигналов в линиях связи в общем случае будут рассмотрены линии с распределенными параметрами (электрически «длинные» линии) и линии с сосредоточенными параметрами (электрически «короткие» линии).

Электрически длинные и короткие линии определяются соотношением длительности фронта передаваемого сигнала и времени распространения его по линии связи.

Линия связи считается электрически короткой линией, если выполняется условие:

,

Где и – время спада и нарастания передаваемого сигнала соответственно; – длина линии связи; – скорость распространения сигнала в линии связи.

На практике принимают , где – диэлектрическая постоянная среды; – скорость распространения электромагнитного поля в вакууме.

Линия связи считается электрически длинной, если выполняется условие:

;

Классификация помех:

1. По характеру воздействия на информацию:

   1. Задержки передачи импульсов;

   2. Искажения фронтов импульсов;

   3. Искажения формы импульсов;

   4. Искажения уровней передаваемых потенциалов;

   5. Уменьшение амплитуд импульсов;

   6. Постоянные смещения уровней сигналов

2. По источнику создания:

   1. Внешние, т.е. наводки, создаваемые внешними по отношению к рассматриваемому устройству, аппаратами, условиями эксплуатации (электродвигатели, электромеханика, электрические разряды, удары молнии);

   2. Внутренние, обусловленные конкретным исполнением линий связи в рассматриваемом устройстве.

3. По месту проявления:

   1. Помехи в сигнальных линиях;

   2. Помехи в цепях питания, такие как постоянные смещения уровня «земля», обусловленные активным сопротивлением шины «земля», импульсные ЭДС и динамические токи потребления, периодические колебания напряжения и пр.

Помехи в электрически коротких линиях: помехи в линиях с большой погонной емкостью

Рассмотрим вариант линии связи м большой погонной емкостью относительно общей шины «земля» в предположении, что собственная индуктивность линии связи (ЛС), а также взаимные индуктивности ЛС с другими сигнальными проводниками пренебрежимо малы. На практике такой случай может иметь место при применении объемного монтажа одиночными проводниками или при использовании печатных проводников, расположенных над заземленной плоскостью.

Пренебрегая активным сопротивлением линии связи и заменяя при этом распределенную погонную емкость линии сосредоточенной емкостью , схему можно представить в виде удобной расчетной модели (см. рис.), где – выходное сопротивление передающего элемента; , – выходная емкость передающего элемента, – входная емкость принимающего элемента, – количество принимающих элементов; - входное эквивалентное сопротивление приемных элементов.

Учтем, что длительность фронта выходного сигнала передатчика, также нарастает с конечной скоростью, например, по экспоненте:

.

В операторном виде это напряжение можно переписать в виде:

.

Передаточная функция цепи, изображенной на рисунке в операторном виде:

;

Тогда изображение входного напряжения на стороне приемника будет:

,

Где .

Оригинал входного напряжения на стороне приемника будет равен:

.

Очевидно, что задержка, вносимая линией связи, будет равна времени, за которое входное напряжение на приемнике сигнала достигнет порогового уровня приемного логического элемента.

Принимая ,

На практике логические элементы имеют, как правило, и . С учетом этих допущений, можно получить оценочную величину времени задержки:

. (1)

Можно сделать вывод о том, что для рассмотренной электрически короткой линии с большой погонной емкостью необходимо уменьшать паразитную емкость и иметь малым одно из входных сопротивлений или . На практике малым обычно является в схемах ЛЭ с эмиттерными повторителями на выходе (ТТЛ, ЭСЛ).

Осциллограммы напряжений в линии с большой погонной емкостью: