DE2023503C3

DE2023503C3 - Anordnung zur Verminderung von Reflexionsstörungen innerhalb von Netzwerken zur Impulsübertragung

Info

Publication number: DE2023503C3
Application number: DE2023503A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr.-Ing. Seinecke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-05-13
Filing date: 1970-05-13
Publication date: 1980-04-17
Also published as: DE2023503A1; NL7106399A; GB1352014A; LU63154A1; US3710282A; DE2023503B2; NL158337B; BE767145A; FR2091422A5

Description

Die Welle h i (t)braucht die Zeit vMA, um vom Punkt M zum Punkt A zu gelangen. Die Zeit, die die Welle benötigt, um vom Punkt A bis zum Punkt B weiterzulaufen, ist mit τΛ angegeben. Als Fußpunkt der Stichleitung S wird der Punkt bezeichnet, an dem die Stichleitung mit der Hauptleitung verbunden ist

Die vom Generator kämmende Welle h 1 (t) mit der Amplitude Hi und der Anstiegszeit Γ erfährt beim Auftreffen aui den Fußpunkt A der Stichleitung S eine Reflexion gemäß

rH =

ZH//ZS-ZH ZH I'/ZS + ZH

denn der Abschnitt I der Hauptleitung H ist für diese Welle bei A mit dem Widerstand ZH parallel ZS abgeschlossen.

Eine reflektierte Welle der Amplitude rH ■ Hi breitet sich ab t=vMA von A ausgehend in beiden Richtungen auf der Hauptleitung H und auf der Stichleitung S aus und überlagert sich der anregenden Welle hi. Es läuft also eine Doppelrampe der Amplitude (1 +rH) ■ Hi nach rechts auf der Hauptleitung weiter.

Die von A ausgehend in die Stichleitung 5 hineinlaufende Welle ist ebenfalls eine Doppelrampe mit der Amplitude (I+rH)· Hi. Trifft sie um die Laufzeit τA später, also zum Zeitpunkt t=xMA + xA auf die Kapazität C am Ende der Stichleitung B, dann wird dort eine reflektierte Welle UBd i ausgelöst Der jo Endwert der reflektierten Welle UBd i ist gleich (1 + rH) ■ H1, da nach der Umladung des Kondensators C das Ende der Stichleitung leerläuft, also eine totale Reflexion mit +1 erfolgt

Die Welle UBdi erreicht nach einer weiteren J5 Laufzeit τA, also zum Zeitpunkt t=zMA + 2zA den Fußpunkt A der Stichleitung S. Der Reflexionsfaktor rA beträgt dann

ZH

-ZS

rA =

ZH

+ ZS

Die Spannung UM erreicht zunächst 100% der Amplituds von Hi der anregenden Welle hi(t). im Zeitraum

2τΜΑ<ί<2τΜΑ+Τ

erfolgt — infolge Oberlagerung der Reflexion rH · hi am Fußpunkt A — ein linearer Abstieg auf 80% von Hi. Von der Zeit

t>2xMA+2vA

beginnt sich die Reflexion vom Ende B der Stichleitung auszuwirken. Es erfolgt ein weiterer Einbruch bis auf 75% von Hi. Später zeigt sich eine Überhöhung der Spannung UM bis auf 114% von Hi. Anschließend pendelt die Spannung UM auf den Endwert ein.

Die Spannung UB am Ende der Stichleitung zeigt zunächst eine Überhöhung von 154% von Hl, dann einen Einbruch bis auf 70% von Hi und schließlich ein langsames Einpendeln auf den Endwert

Bei der Spannung UA am Fußpu^t der Stichleitung ergibt sich zunächst ein linearer Anstieg his auf 80% von Hi dann ein Rückgang auf 75% von Hi, anschließend ein Überschwingen auf 112% von Hi und schließlich ein langsames Einpendeln auf Hi. Die nach rechts auf der Hauptleitung //weiterlaufende Welle hat die Form von UA.

Die F i g. 4 zeigt die kompensierte Stichleitung. Die Benennungen entsprechen denen der Fig.2. Der Unterschied zur F i g. 2 besteht darin, daß am Fußpunkt A der Stichleitung 5 in Serie zu der Stichleitung 5 ein Widerstand RK eingefügt ist Dadurch ändern sich die Reflexionsfaktoren am Fußpunkt A rH für die Wellen, die vom Generator kommen und rA für die Wellen, die vom Ende B der Stichleitung Skommen.

Im Ausführungsbeispiel wird ein Widerstand RK der Größe

Die vom Ende B der Stichleitung kommende reflektierte Welle UBd i wird am Fußpunkt A der Stichkitung S reflektiert, und zwar mit dem Reflexionsfaktor rA. Die reflektierte Welle UAdi am Fußpsnkt A ist M · UBdi Sie läuft zum Ende der Stichleitung zurück. Gleichzeitig breitet sich auf der Hauptleitung H nach beiden Seiten die WeIIe(I ¥rA) · UBdi aus.

Nach einer Zeit, die größer ist als tMA+ ΖτΑ wiederholen sich die Reflexionen am Ende B der Stichleitung und am Fußpunkt der Stichleitung. Dabei klingen die Amplituden infolge der wiederholten Abschwächung mit den Faktoren \rA\ < 1 ab. Die Spannungen an den Punkten M, A und B werden also stark verzerrt, da sie sich aus der Überlagerung aller dieser Teilwellen ergeben. Die Verzerrungen steigen mit wachsender Länge der Stichleitungen und mit bo wachsender Belastung. In F i g. 3 sind die Spannungsverläufe an den Punkten M, A und B gezeigt Es ist die Spannung ί/über der Zeit t aufgezeichnet. Dabei ist deY Wellenwiderstand der Hauptleitung ZH=50 Ohm, der Wellenwiderstand der Stichleitung ZS= 100 Ohm, die b5 Amplitude der Welle Λ1 (t) H1 = 1, die Anstiegszeit der Doppelrampe T=I ns, tiie Laufzeit rM/4 = 0,6ns und die Laufzeit τ MA = 0,6 ns und die Laufzeit τ Α = 0.5 ns.

RK = ZS -

ZH

ge-.vählt

An die Stelle des Reflexionsfaktors RH bei unkompensierter Stichleitung tritt der kleinere Faktor

rH' =

(RK + ZS)II ZH -ZH (RK + ZS)H ZH +ZH

Am Fußpunkt wird die Hauptleitung H nicht mehr durch das parallelliegende ZS, sondern nur noch durch den höheren Widerstand ZS+RKgestört

Die Stichleitung S wird nicht durch eine erste Welle der Amplitue (\+rH)· Hi wie bei unkompensierter Stichleitung, sondern durch eine Welle der kleineren Amplitude

(I +rH')Hl -ZS RK + ZS

= 0,5Hl

angeregt. Es besteht also eine Spannungsteilung zwischen dem Wellenwiderstand ZS und dem Widerstand RK.

Die erste reflektierte Welle am Ende B der Stichleitung 5 UBdi hat nach Ablauf des Einschwingvorganges den Endwert 0,5 ■ //!.Läuft sie im Zeitraum

τ MA + τΑ<ί< τ MA + 2τΑ
zum Anfane flder Stichleitung zurück, dann trifft sie auf

eine Impedanz

RK

= ZS.

Für die vom Ende Ader Stichleitung zum Fußpunkt A der Stichleitung laufenden Wellen ist die Stichleitung also angepaßt. Auf der Stichleitung 5 finden demnach nach Ablauf der Zeit 2τΑ keine weiteren Reflexionen statt, die Spannung UBam Ende der Stichleitung strebt somit monoton steigend ihrem Endwert zu.

Von der ersten und einzigen Reflexion am Ende öder Stichleitung erscheint auf der Hauptleitung A nur der Anteil

ZH

0.5 WI

ZS +

+ RK

Die Spannungsform am Stichende B und die Größe des auf die Hauptleitung H treffenden Anteiles der ersten und einzigen Reflexion am Ende B der Stichleitung sind völlig unabhängig von der Länge der Stichleitung, d. h., auch sehr große Längen der Stichleitung sind erlaubt

Da der Reflexionsfaktor rH' kleiner ist als rH, läuft ein größerer Anteil, nämlich 1+rWder anregenden Welle auf der Hauptleitung H nach rechts weiter. Zugleich erreicht die Spannung am Fußpunkt A der Stichleitung zu einem früheren Zeitpunkt den 50%- Wert von HX.

F i g. 5 zeigt die Spannungsverläufe bei kompensierter Stichleitung. Die Größe von ZH, ZS, HI₁ τΜΑ, Τ. τA entspricht derjenigen der F i g. 3. Der Widerstand RK ergibt sich aus ZHund ZS, er ist 75 Ohm.

In der Figur sind

h 1 (f;und(1 +rH') ■ h i (t-τΜΑ)

der Verlauf der Doppelrampe ohne Beeinflussung durch die Reflexion vom Ende der Stichleitung.

uie Spannung Uni zeigt infolge der Ketiexion am Fußpunkt A der Stichleitung einen Einbruch auf nur 87,5% von Hi, anschließend eine weitere Auslenkung nach unten infolge der Reflexion bei Ende der Stichleitung auf 853% von Hi. Anschließend steigt die Spannung UM monoton auf 100% an.

Die Spannung UB hat — wie bereits erläutert — einen monotonen Anstieg auf 100% H i.

Die Spannung UA steigt zunächst linear bis auf 87,5% von HI an, wird dann infolge der Reflexion am Ende B der Stichleitung auf 85,5% H i ausgelenkt und nähert sich anschließend monoton 100% Hi.

Setzt man die zur F i g. 3 angegebenen Größen in die Formeln für die Reflexionsfaktoren ein, dann ergeben sich folgende Ergebnisse:

rH 0,2; rH' 0.125

für die Reflexionsfaktoren an der Stelle Λ auf der Hauptleitung:

rA 0,6; rA'=0

für die Reflexionsfaktoren am Fußpunkt der Stichleitung. Auch an diesen Werten ist ersichtlich, daß durch die Einfügung des Widerstandes RK am Fußpunkt der Stichleitung die Verzerrung der anregenden Welle irerinirar ii>i*.r4 6*"""6*-" ··■■"·

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen darin, daß

1. die Reflexion, die die Stichleitung auf der Hauptleitung verursacht, verkleinert wird:

2. die infolge des Anschlusses der Stichleitung 2'< entstehende zusätzliche Signalverzögerung auf der

Hauptleitung geringer wird (am Fußpunkt der Sf'.-hleitung und allen darauffolgenden Punkten der Hauptleitung erreicht das Signal früher den 50%-Wert);

3d 3. die Wellen, die vom Ende der Stichleitung zum Fußpunkt laufen, den Wellenwiderstand der Stichleitungen sehen (Anpassung am Anfang der Stichleitung). Der Einschwingvorgang ist also nach einem Hinlauf und einem Rücklauf beendet, das

ji Signal am Ende der Stichleitung strebt monoton seinem stationären Endwert zu (keine Überschwinger und Spannungseinbrüche). Der Spannungsverlauf am Ende der Stichleitung ist somit völlig unabhängig von der Länge der

Stichleitung;

4. bei gegebener Anstiegszeit und Störsicherheit der Uatterscnaltkreise wesentlich gröbere kapazitive Belastungen (z. B. größere Zahl von Gattereingängen) am Ende der Stichleitung zugelassen werden können;

5. die Stichleitungslänge beliebig groß gewählt werden kann;

6. die Stichleitungen in dichterer Folge entlang der Hauptleitung angeordnet werden können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Anordnung zur Verminderung von Reflexionsstörungen innerhalb von Netzwerken zur Impulsüber- tragung, die aus Liner Hauptleitung und dazu von abzweigenden, am Ende vorwiegend kapazitiv belasteten Stichleitungen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß am Fußpunkt (A) einer jeden Stichleitung (S) ein in Serie zu der Stichleitung ι ο (S) liegender Widerstand (RK) eingefügt ist, wobei der Widerstand (RK) gleich dem Wellenwiderstand (ZS) der Stichleitung (S) abzüglich des halben Wellenwiderstandes (ZH) der Hauptleitung (H) gewählt ist

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Verminderung von Reflexionsstörungen innerhalb von Netzwerken zur Impulsübertragung, die aus einer Hauptleitung und davon abzweigenden, am Ende vorwiegend kapazitiv belasteten Stichleitungen bestehen.

In schnellen digitalen Rechenanlagen müssen impulsförmige Signale möglichst verzerrungsfrei über Netze aus Wellenleitern, die z.B. aus Streifenleitern mit definiertem Wellenwiderstand bestehen, verteilt werden. Ein typisches Schaltnetzwerk dieser Art ist in F i g. 1 dargestellt Hier betreibt der Ausgang eines Gatters GO als 'ender eine längere Hauptleitung /-/mit dem Wellenwiderstand ZH. Die Hauptleitung H ist am Ende angepaßt abgeschlossen, d. ~n, ein Abschlußwiderstand R 2 ist gleich dem Wellenwiderstand ZH der Hauptleitung H gewählt Auf der Hauptleitung H verteilt sind Stichleitungen 51 bis SN mit dem Wellenwiderstand ZS angeordnet Am Ende der Stichleitungen S1 bis S/V sind die Eingänge von Gattern G1 bis CM angebracht Die Gattereingänge belasten die Enden der Stichleitungen im wesentlichen wie eine Kapazität. Λ/und A/sind ganze Zahlen.

In vielen Anwendungsfällen sind die einzelnen Abschnitte D1 bis DN der Hauptleitung H und die Längen LS1 bis LSNder Stichleitungen S1 bis SN nicht mehr als elektrisch kurz zu betrachten, d. h, die doppelte Leitungslaufzeit ist nicht mehr klein gegenüber der Anstiegszeit der zu übertragenden Signale. Da jede angeschlossene Stichleitung S1 bis SN eine Stoßstelle auf der Hauptleitung //bildet, und da jede Stichleitung S1 bis SN am Ende mit einer kleinen Kapazität und am

Anfang ungefähr mit —γ- abgeschlossen ist (Fehlanpassung an beiden Enden), löst ein vom Sendergatter GO ausgehendes Sprungsignal an allen Fußpunkten A 1 bis /l/V der Stichleitungen und allen Enden BX bis SM der Stichleitungen mehrfache Reflexionen aus, die zu einer empfindlichen Verzerrung der Spannungen an den Gattereingängen führen können. Sollen diese durch die Verzerrungen entstehenden Störungen an den Eingängen der Gatter kleiner als die Störsicherheit der Schaltkreise gehalten werden, dann ergeben sich starke Einschränkungen für die Längen der Stichleitungen LS1 bis LSN für die Zahl der Gattereingänge am Ende der Stichleitungen und für die Zahl und Dichte der anschließbaren Stichleitungen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin eine Anordnung anzugeben, bei der die Längen der Stichleitungen keinen Einschränkungen mehr unterlie-

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60 gen und eine dichtere Anordnung von Stichleitungen auf der Hauptleitung möglich ist Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß am Fußpunkt einer jeden Stichleitung eine in Serie zu der Stichleitung liegender Widerstand eingefügt ist, wobei der Widerstand gleich dem Wellenwiderstand der Stichleitung abzüglich des halben Wellenwiderstandes der Hauptleitung gewählt ist

Aus der deutschen Auslegeschrift 12 80 298 ist zwar eine Schaltungsanordnung mit einer Hochfrequenzleitung bekannt, bei der am Fuße der Hochfrequenzleitung ebenfalls ein Widerstand eingefügt ist Diese Schaltungsanordnung dient aber zur Verbindung schnell schaltender digitaler Schaltkreise mit einer entfernt angeordneten Gleichspannungsquelle. Hier tritt das Problem auf, daß bei zu langen Verbindungsleitungen zwischen den Schaltern und der Gleichspannungsquelle beim Schließen des Schalters ein rascher Anstieg des Stromes über den Schalter nicht mehr gewährleistet ist Durch Verwendung einer Hochfrequenzleitung zwischen Gleichspannungsquelle und Schalter wird erreicht daß sich bei geöffnetem Schalter eine Spannung auf der Hochfrequenzleitung bildet Wird der Schalter geschlossen, dann kann sich die Hochfrequenzleitung über den Schalter und einen in Serie zu dem Schalter liegenden Lastwiderstand entladen. Gleichzeitig entstehen Wellen auf der Hochfrequenzleitung, die sich überlagern. Durch die Verwendung eines Widerstandes am Anfang der Hochfrequenzleitung wird sichergestellt daß sich nach dem öffnen des Schalters die Hochfrequenzleitung nach kurzer Zeit wieder auf die Ausgangsspannung auflädt Der Wert des Widerstandes ist darum gleich dem Wellenwiderstand der Hochfrequenzleitung gewählt Der bekannten Anordnung liegt somit ein anderes Problem zugrunde als der Erfindung.

Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispieles weiter erläutert werden. Es zeigt

Fig.2 einen Abschnitt der Hauptleitung mit einer Stichleitung, an deren Fu-3.punk\ kein Widerstand eingefügt ist,

Fig.3 Spannungsverläufe bei der Anordnung der Fig. 2,

Fig.4 einen Abschnitt der Hauptleitung mit einer Stichleitung, an deren Fußpunkt ein Widerstand eingefügt ist

F i g. 5 Spannungsverläufe der Anordnung der F i g. 4.

Im folgenden sollen die Spannungsverhältnisse bei einer Hauptleitung mit einer Stichleitung, an deren Fußpunkt kein Widerstand eingefügt ist (unkompensierte Stichleitung) mit den Spannungsverläufen bei einer Hauptleitung mit einer Stichleitung, an deren Fußpunkt ein Widerstand eingefügt ist (kompensierte Stichleitungen), verglichen werden. In F i g. 2 ist die Hauptleitung mit H, die Stichleitung mit 5 benannt. Die Hauptleitung H hat den Wellenwiderstand ZH und ist mit einem Widerstand R 2, der gleich dem Wellenwiderstand ZH ist, abgeschlossen. Am Eingang der Hauptleitung an der Stelle M liegt die Spannung UM, die abhängig ist von der vom Generator gelieferten Welle h 1 (t) Diese Welle A 1 (t) soll aus einer Doppelrampe, wie sie in der Fig.2 dargestellt ist, bestehen. U ist dabei die Spannung, (die Zeit.

Durch die Stichleitung Swird die Hauptleitung //in zwei Abschnitte I und Il unterteilt. Am Fußpunkt der Stichleitung 5, am Punkt A, liegt die Spannung UA. Das Ende der Stichleitung S, am Punkt B, ist mit einer Kapazität C belastet, über der sich die Spannung UB bildet. Der Wellenwiderstand der Stichleitune Sist ZS.