千字干货,信号反射与反弹图

原创 工程师看海 2022-10-16 13:10
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我们总说阻抗不连续会导致信号反射,今天介绍下信号反射的过程与反弹图。

如下图所示,对于传输线而言,当信号从左向右传播时,如果走线突然加粗,那么对应的单位长度电感和电位长度电容就会发生变化,使得阻抗突变,Z1≠Z2,阻抗突变会引起信号反射。

这个信号反射的现象可以类比于液体在管道中传播时的具有的水锤效应,在水管内部,管内壁光滑,整个水管连续平滑,水就流动自如。当水管阀门突然关闭,水流对阀门会突然产生一个压力。由于管壁光滑,后续水流在惯性的作用下,迅速达到最大,并产生破坏作用。

当然也可以类比声波的反射,声波的反射在日常生活中更常见一些。声波在均匀的空气中传播时不会反射,如果传播过程中遇到墙等较高的声阻抗介质时就会发生反射,产生回音。

反射系数

而电信号在传播时,如果阻抗突然变大,也会反射,反射系数R的计算公式如下:

根据公式,R的变化范围从-1到1,正数表示正反射,复数表示负反射,0表示阻抗连续无反射。下图中信号源阻抗50Ω,传输线阻抗50Ω,负载开路时相当于阻抗无穷大,反射系数R≈1,为全反射,我们分析下反射过程。

下图虚线是信号源输出端结果,实线是接收端的波形。假设信号传输延迟为2 ns,第0秒时,信号源产生一个1V信号向负载传输,经过两秒后到的接收端,接收端开路阻抗为无穷大,计算的反射系数R≈1,那么反射回来的信号电压也是1V,反射的1V和入射的1V叠加后,幅值变为2V,那么在第2ns,接收端测量时就会看到一个2V的信号,如下图实线所示。反射的信号经过2ns后传播回发射端,与发射端的1V叠加后,发射端的信号也变为2V,见下图实线曲线在第4ns的波形。发射端是50Ω的阻抗,信号反射停止。

上面的例子很有意思,即信号是以半幅度在传输线中传播,经过反射后幅值变为二倍,反射到源端的信号不会继续反射,这就是通常所说的源端端接有效。

如果源端与传输线之间阻抗不匹配,反射回源端的信号就会再次反射,向负载端传播,到负载端后再次反射到源端,来来回回,导致振铃,这就是接下来要将的反弹图。

当阻抗不匹配时,会在源端与走线之间串联小电阻进行匹配,就是这个原理,关于电阻端接匹配后面还会继续介绍。

反弹图

下面这个图就是反弹图,B端阻抗无穷大,从B点反射回A的信号会再次反射,A点的反射系数是(10-50)/(10+50) = -0.67,B点的反射系数是1是全反射。

我们还是假如在传输线的延迟是2ns,假如信号源刚加载到传输线时A点的电压为1V。

2ns后到的B,入射电压是1V,反射电压是1*1=1V,入射电压与反射电压叠加后此时B点电压为1+1=2V,反射的1V电压反向往源端A传播。

再经过2ns后,1V反射电压到达A点,在A又发生反射,A点的反射电压是1*(-0.67)=-0.67V,向B传播。

再过2ns后,-0.67V这个电压从A点传播到B点。到达B点后,发生全反射,反射的电压也是-0.67V,B点原来的电压是2V,入射电压是-0.67V,反射电压是-0.67V,三者叠加后:2-0.67-0.67=0.66V,

再过2ns后,-0.67V反射电压到达A点,在A又发生反射,A点的反射电压是(-0.67)*(-0.67)=0.45V,向B传播。

再过2ns后,0.45V这个电压从A点传播到B点。到达B点后,发生全反射,反射的电压也是0.45V,B点原来的电压是0.66V,入射电压是0.45V,反射电压是0.45V,三者叠加后:0.66+0.45+0.45=1.56V,

再过2ns后,0.45V反射电压到达A点,在A又发生反射,A点的反射电压是(0.45)*(-0.67)=-0.3V,向B传播。

再过2ns后,-0.3V这个电压从A点传播到B点。到达B点后,发生全反射,反射的电压也是-0.3V,B点原来的电压是1.56V,入射电压是-0.3V,反射电压是-0.3V,三者叠加后:1.56-0.3-0.3=0.96V。

。。。。。。

我们根据上面的分析过程画出B点的波形,见下左图,可以看到信号的震荡过程,那么如果在源端做到阻抗匹配的话,B端的电压升到2V就会稳定下来停止震荡,现在A端没有做阻抗匹配,那么信号就会来回反射,产生振铃。下面右图是实测某信号的振铃波形。

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