DE4222163A1

DE4222163A1 - Verfahren zur Übertragung von elektrischen Signalen

Info

Publication number: DE4222163A1
Application number: DE19924222163
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Kreis
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1992-07-06
Publication date: 1994-01-13

Description

Schaltungen zur leitungsgebundenen Übertragung elektri scher Analog- und Digitalsignale weisen eine Signal quelle (beispielsweise der Ausgang eines Logik-ICs), einen oder mehrere Empfänger (beispielsweise der Ein gang eines digitalen ICs) und elektrische Leitungen (beispielsweise Streifenleitungen) auf. Eine Verzwei gung der Signale für unterschiedliche Empfänger wird über die Leitungskonfiguration durch - von Verzwei gungspunkten ausgehenden - Stichleitungen realisiert. Oftmals sind die Leitungen auf einem Träger angeordnet oder in einem Träger integriert - beispielsweise als Streifenleitungen auf einer Leiterplatte oder als Lei tung oder Bandkabel eines BUS-Systems.

Um die Leitungen optimal abzuschließen, müßte der Ein gangswiderstand der Empfänger an den geringen Wellenwi derstand der Signalleitungen angepaßt werden; dies er fordert jedoch einen hohen Treiberstrom der Signal quelle - insbesondere wenn mehrere Empfänger vorhanden sind, kann dieser von der Signalquelle nicht aufge bracht werden, so daß üblicherweise fehlabgeschlossene Leitungen eingesetzt werden. Durch diese Fehlabschlüsse an den Empfängern und durch Fehlanpassungen an der Si gnalquelle entsteht jedoch eine Frequenzabhängigkeit der Leitungen, die an den Empfängern ein Überschwingen bzw. Unterschwingen der übertragenen Signale verur sacht. Diese Überschwinger bzw. Unterschwinger können zu einer Fehlfunktion der Schaltung führen; gleichzei tig wird der Störabstand der Schaltung deutlich redu ziert. Zur Begrenzung der Überschwinger und Unter schwinger werden als Signalquellen meist langsame Schaltkreise eingesetzt, die Leitungen möglichst kurz gehalten und die Leitungsenden durch einen Teilab schlußwiderstand bedämpft; dadurch wird aber zum einen das Übertragungspotential nicht ausgeschöpft und die Belastung der Signalquelle erhöht - d. h. es können nur wenige Eingänge durch eine Quelle gespeist werden - zum andern können die Überschwinger und Unterschwinger und ihre störenden Auswirkungen bei weitem nicht vollstän dig eliminiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, das eine deutlich verbesserte Signalübertragung ermög licht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Innenwiderstand der Signalquelle wird erfindungsge mäß - beispielsweise mit einem externen Ausgangswider stand - an den Wert des Wellenwiderstands der von der Signalquelle ausgehenden Signalleitung angepaßt. An den Verzweigungspunkten erfolgt die Verteilung der Signale an die vom Verzweigungspunkt ausgehenden Leitungen durch ein Widerstandsnetzwerk; die Widerstände des Netzwerks sind so dimensioniert, daß jede an der Ver zweigung beteiligte Leitung vor dem Widerstandsnetzwerk jeweils den eigenen Wellenwiderstand sieht und damit verhindert wird, daß an den Verzweigungspunkten Re flexionen auftreten. Die Enden der Signalleitungen wer den empfängerseitig nicht abgeschlossen, d. h. es fließt kein Grundstrom in das System. Die Signalquelle sieht trotz der Verzweigungen der Signalleitungen immer eine angepaßte nicht-abgeschlossene Leitung.

Das vorgestellte Verfahren vereinigt mehrere Vorteile in sich:

- Da das von der Signalquelle ausgehende Signal mit tels angepaßter Leitungen übertragen wird, tritt eine Frequenzabhängigkeit der Signalleitungen nicht mehr auf; es können folglich auch keine Überschwinger/Unterschwinger des übertragenen Si gnals entstehen.
- Durch das Fehlen von Überschwingern und Unter schwingern wird der Störabstand beträchtlich er höht.
- Da die Enden der Signalleitungen empfängerseitig nicht abgeschlossen sind, können sehr viele Ein gänge von einer Signalquelle gespeist werden.
- Die Geschwindigkeit bzw. das Potential schneller Schaltkreise kann bei der Signalübertragung voll genutzt werden.
- Die Signalleitungen können beliebig oft verzweigt werden, d. h. es kann eine beliebige Zahl an Emp fängern vorgesehen werden.
- Die Übertragungseigenschaften sind unabhängig von der Leitungslänge.
- Eine dem Verfahren entsprechende Schaltungsanord nung kann sehr leicht auf einer Leiterplatte rea lisiert werden; beispielsweise, indem Widerstände in Dickfilmtechnik auf die Leiterplatte aufge druckt werden oder diskrete Widerstände eingesetzt werden oder bei einem BUS-System in den Stecker integriert werden.

In den Fig. 1 und 2 wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die Figur zeigt das Prinzipschaltbild einer auf einer Leiterplatte angeord neten Schaltungsanordnung zur Übertragung digitaler Si gnale, die Fig. 2 eine Gegenüberstellung der Übertra gungseigenschaften von konventionellen und erfindungs gemäßen Signalübertragungsverfahren.

Gemäß dem Prinzipschaltbild der Fig. 1 sind auf einer Leiterplatte LP unsymmetrische Streifenleitungen L₁, L₂, L₃ zur Übertragung digitaler Signale angeordnet; das von der Signalquelle SQ (beispielsweise der Ausgang eines digitalen integrierten Schaltkreises) mit dem In nenwiderstand R_i ausgehende Signal wird den beiden Emp fängern E₁ und E₂ (beispielsweise die Eingänge digita ler Schaltkreise) zugeführt. Die Verzweigung des Si gnals erfolgt am Verzweigungspunkt VZP, an dem die von der Signalquelle SQ ausgehende Leitung L₁ mit dem Wel lenwiderstand Z₁ und die beiden von den Empfängern E₁ bzw. E₂ ausgehenden Signalleitungen L₂ bzw. L₃ mit den Wellenwiderständen Z₂ bzw. Z₃ aufeinandertreffen.

Am Ausgang der Signalquelle SQ ist ein externer Wider stand R_E angeordnet, der zusammen mit dem Innenwider stand R_i der Signalquelle SQ den Wert des Wellenwider stands Z₁ der Signalleitung L₁ ergibt. Weiterhin ist am Verzweigungspunkt VZP ein Widerstandsnetzwerk RN mit den Widerständen R₁, R₂, R₃ angeordnet, das jede Si gnalleitung L₁, L₂, L₃ über jeweils einen Widerstand R₁, R₂, R₃ mit dem Verzweigungspunkt VZP verbindet. Ob wohl die Signalleitungen L₂ und L₃ nicht abgeschlossen sind - der Eingangswiderstand der Empfänger E₁ und E₂ ist sehr viel größer als der jeweilige Wellenwiderstand Z₂ und Z₃ der betreffenden Signalleitungen L₂ und L₃ -, kann durch die Dimensionierung der Widerstände R₁, R₂ und R₃ des Widerstandsnetzwerks RN erreicht werden, daß das von der Signalquelle SQ ausgehende Signal immer auf eine angepaßte Leitung trifft. Beispielsweise müssen bei gleichem Wellenwiderstand der drei Leitungen L₁, L₂, L₃ (Z₁ = Z₂ = Z₃ = Z) die Widerstände R₁, R₂ und R₃ den gleichen Widerstandswert
R₁ = R₂ = R₃ = R = (n - 2) · Z/n
besitzen, wobei n die Zahl der an der Verzweigung be teiligten Leitungen ist (Fig. 1: n = 3). Beispielswei se werden bei einem Wellenwiderstand der Leitungen L₁, L₂, L₃ von Z = 100 Ω und einem Innenwiderstand R_i der Signalquelle SQ von 30 Ω der Widerstand R_E zu 70 Ω und die Widerstände R₁, R₂ und R₃ zu jeweils 33,3 Ω ge wählt.

Die Fig. 2 zeigt die Signalverläufe bei der Signal übertragung mittels einer in der Fig. 1 dargestellten Schaltung. Von der Signalquelle SQ mit dem Innenwider stand R_i = 30 Ω wird ein Rechteckimpuls mit der Ampli tude 5 V den beiden Empfängern E₁ und E₂ über Streifen leitungen mit dem Wellenwiderstand Z = 100 Ω zugeführt.

Anhand der gestrichelt gezeichneten Signalverläufe (1) und (2) bei einem konventionellen Signal-Übertragungs verfahren ohne Widerstand R_E und Widerstandsnetzwerk RN wird ersichtlich, daß an den beiden Empfängern E₁ und E₂ starke Über- und Unterschwinger auftreten, die die Übertragungseigenschaften wesentlich verschlechtern bzw. die Funktionsfähigkeit der Schaltung beeinträchti gen. Anhand der Signalverläufe (3) und (4) wird evi dent, daß bei Einführen des Widerstands R_E und des Wi derstandsnetzwerks RN mit den Werten R_E = 70 Ω und R₁, R₂, R₃ = 33,3 Ω das Übertragungsverhalten signifikant verbessert wird und keine Über- oder Unterschwinger des von der Signalquelle SQ abgegebenen Rechteckimpulses auftreten (Kurve (3) für den Empfänger E₁ und Kurve (4) für den Empfänger E₂). Die minimalen Spannungsstufen - die die Funktionsfähigkeit der Schaltung jedoch nicht beeinträchtigen - ergeben sich aufgrund frequenzunab hängiger laufzeitbedingter Reflexionen.

Das vorgestellte Verfahren läßt sich bei beliebigen Schaltungsanordnungen zur Übertragung und Verzweigung elektrischer Signale anwenden, insbesondere jedoch bei auf Leiterplatten angeordneten Signalleitungen (bei spielsweise Streifenleitungen) und BUS-Systemen.

Die benötigten Widerstände können beispielsweise als diskrete Bauelemente ausgebildet sein oder zusammen mit einer integrierten Schaltung im gleichen Herstellungs prozeß mit den benötigten Widerstandswerten gefertigt werden.

Claims

1. Verfahren zur Übertragung von elektrischen Signalen mittels fehlabgeschlossener elektrischer Leitungen (L₁, L₂, L₃), die eine Signalquelle (SQ) und mindestens zwei Empfänger (E₁, E₂) über Verzweigungspunkte (VZP) mit einander verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß der In nenwiderstand (R_i) der Signalquelle (SQ) an den Wellen widerstand (Z₁) der von der Signalquelle (SQ) ausgehen den Leitung (L₁) angepaßt wird, daß die an den Verzwei gungspunkten (VZP) angeschlossenen Leitungen (L₁, L₂, L₃) über ein Widerstandsnetzwerk (RN) mit dem Verzwei gungspunkt (VZP) verbunden werden, und daß die Wider stände (R₁, R₂, R₃) des Widerstandsnetzwerks (RN) so gewählt werden, daß jede an den Verzweigungspunkt (VZP) angeschlossene Leitung (L₁, L₂, L₃) vor dem Wider standsnetzwerk (RN) ihren Wellenwiderstand (Z₁, Z₂, Z₃) sieht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwiderstand (R_i) der Signalquelle (SQ) durch einen am Ausgang der Signalquelle (SQ) ange schlossenen Widerstand (R_E) zum Wellenwiderstand (Z₁) der von der Signalquelle (SQ) ausgehenden Leitung (L₁) ergänzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenwiderstand (R_i) der Signalquelle (SQ) so gewählt wird, daß er dem Wellenwiderstand (Z₁) der von der Signalquelle (SQ) ausgehenden Leitung (L₁) ent spricht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede zu einem Verzweigungspunkt (VZP) führende Leitung (L₁, L₂, L₃) über jeweils einen Widerstand (R₁, R₂, R₃) mit dem Verzweigungspunkt (VZP) verbunden wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (L₁, L₂, L₃) auf ei ner Leiterplatte (LP) angeordnet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen als Streifenleitungen ausgebildet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen in einem BUS-System integriert wer den.