3. Физические основы передачи (процессы физического 1-го уровня)
3.1 Электрические линии как передаточные элементы
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.
Влияние длины проводника на передачу высокочастотных сигналов
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).