RU2099793C1 - Система передачи двуполярного сигнала - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к системам передачи двуполярного сигнала для передачи двоичного сигнала в обоих направлениях. Техническим результатом изобретения является расширение области применения, повышение дальности передачи, обеспечение гибкости управления направлением передачи, упрощение системы. Технический результат достигается тем, что система включает в себя приемопередающий блок, соединенный с адаптером, подключенным к линии связи, блок питающего напряжения, приемопередающий блок состоит из элемента, понижающего сопротивление цепи, и приемный элемент, подключенные к одному выводу адаптера сигналов. В систему введен по крайней мере один нагрузочный резистор, включенный между блоком питающего напряжения, другим выводом адаптера сигналов и линией связи, адаптер сигналов содержит первый элемент, понижающий сопротивление цепи, элемент управления направлением передачи, включенный последовательно в линию связи соответственно первым и вторым выводами и выход которого соединен с управляющим входом первого элемента, понижающего сопротивление цепи, включенного между линией связи и блоком питающего напряжения, выводы элемента управления направлением передачи являются выводами адаптера сигналов. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретение относится к системе передачи двуполярного сигнала, включающей в себя двусторонний сигнальный канал с секцией низкого сопротивления, соединенной с секцией высокого сопротивления, для передачи двоичного сигнала в обоих направлениях. Изобретение относится также к адаптеру для этой системы.

Пример такой системы известен как шинная система И²С, описанной, например, в Технических данных Филипс ИС12а, "ИС совместимые по И²С-шинам, типы МАВ84XI семейства РСГ8579", 1989, с. 31-53. Система И²С-шин является системой последовательных шин с блоками /интегральными схемами, ИС/, которые взаимно соединены посредством двуполярного двужильного канала передачи: одна жила для двоичного сигнала данных, а другая для двоичного синхронизирующего сигнала, и это соединяется в соответствии с заранее определенным порядком. В зависимости от его специфической функции внутри системы каждый блок может работать как трансмиттер или приемник, или как оба.

Провод данных, так же как провод синхронизации, соединен с положительным питающим напряжением "утягивающих вверх" резисторов. Провода отключены, когда блоки не соединены. Выходные каскады блоков обладают интерфейсами с шиной с открытым коллектором или открытым стоком для обеспечения требуемой связки И для всех интерфейсов с И²С-шиной.

Сопротивление канала, т.е. "утягивающих вверх" резисторов, и токопроводящая способность передаточного блока определяют наибольшую применимую частоту и наибольшее расстояние, возможное между передаточным блоком и приемным блоком. Паразитная емкость канала увеличивается с увеличением расстояния. Следовательно, т. к. емкость и сопротивление канала определяют время нарастания и время спада сигнала, максимальная частота передачи падает. Уменьшение сопротивления канала само по себе обеспечивает более высокие частоты. Однако ограниченная и стандартизированная токопроводящая способность передающего блока приведет к стоку большего тока из уменьшенного "утягивающего вверх" резистора, уменьшая преимущество уменьшенного сопротивления канала. Таким образом, максимальная частота передачи для системы И²С-шины составляет около 100 Гц при 3 мА, причем максимальное расстояние между блоками не должно превышать 4 м. Кроме того, благодаря ограниченному выходному току ограничивается управляющая способность передающего блока /нагрузочная способность по выходу/.

Другим примером такой системы является микропроцессорное устройство с интегральным запоминающим устройством через двуполярные внутренние соединения через буфер, мультиплексор или другое направляющее устройство (см. например, Руководство пользователя микроконтроллером Сигнетикс, 1989). Работа направляющего устройства в отношении направления потока информации обычно управляется микропроцессором. К этой стороне микропроцессор подает считывающую или записывающую команду на направляющее устройство. Эта схема требует дополнительные входные/выходные контакты, цепь управления и внутренние соединения для управления направляющим устройством.

Как было отмечено выше, системы известного уровня техники обладают недостатками, которые ограничивают область применения в отношении максимального расстояния связи, максимальной управляющей способности или минимального числа необходимых входных/выходных контактов. Таким образом, задачей изобретения является обеспечение двуполярной передающей системы, в которой расстояние между соединяющимися блоками можем быть значительно большим, чем в известном уровне техники. Следующей задачей изобретения является обеспечение такой передающей системы, в которой управляющая способность передающего блока не является более ограничивающим фактором. Следующей задачей является обеспечение средств для расширения применения одножильных двуполярных шинных систем, таких как И²С-шинные системы. Следующей задачей является обеспечение адаптирующего средства для адаптирования обычных схем с целью работы в соответствии с этими целями. Другой задачей изобретения является уменьшение количества внутренних соединений и входных/выходных контактов, которые определяют соединительные каналы между устройствами на интегральных схемах.

Для решения этих задач изобретение предусматривает систему передачи двуполярного сигнала, которая включает в себя канал для двуполярного сигнала с участком низкого сопротивления, соединенным с участком высокого сопротивления, для передачи двоичного сигнала в обоих направлениях. Система обладает адаптирующим средством для адаптации сигнала, подсоединенным между управляемыми секциями самого сигнала, в зависимости от направления передачи.

Направлением передачи сигнала является направление либо от участка с высоким сопротивлением к участку с низким сопротивлением, либо от участка с низким сопротивлением к участку с высоким сопротивлением. Принцип изобретения в основном заключен в понимании того, что передача от участка с высоким сопротивлением к участку с низким сопротивлением является ограничивающим фактором в связи, а такжеи в том, что адаптация сигнальной связи в двуполярном применении будет происходить при управлении направлением передачи. При приходе сигнала в связь между участками адаптирующее средство чувствует направление прохождения и вслед за этим модифицирует сигнальную связь. Архитектура нуждается только в локальном адаптирующем средстве, т.е. размещенном между участками, в отличие от адаптирующих средств известного уровня техники, которые управлялись дополнительными сигналами управления, например командой считывания/записи, описанной выше. В последнем варианте необходимы вспомогательные детали управления и соединения управления, т.е. количество входных/выходных контактов, увеличивая число необходимых деталей и стоимость.

Участок высокого сопротивления состоит, например, из выходного сопротивления блока, способного по меньшей мере передавать двоичные сигналы, а участок низкого сопротивления состоит из полного сопротивления передающего двуполярного канала.

В варианте, соответствующем изобретению, адаптирующее средство включает в себя детектор для определения направления передачи и буфер, соединенный с передающим каналом. Буфер управляется детектором. При определении фактического направления передачи буфер управляется так, чтобы работать по существу синхронно с сигналом. В случае передачи в другом направлении адаптирующее средство может быть по существу незаметным для сигнала.

В дальнейшем варианте осуществления системы в соответствии с изобретением для передачи электрического сигнала детектор включает в себя сенсорный элемент, размещенный между участками. Система в дальнейшем включает в себя датчик для подачи сигнала управления, зависящего от определенной полярности, при улавливании полярности тока, проходящего через элемент, для управления буфером.

Датчик может состоять из дифференциального усилителя для определения полярности напряжения на сенсорном элементе. Предпочтительно, чтобы были предусмотрены средства линейного диапазона для удержания усилителя в его линейном диапазоне. Его характеристика усиления является наибольшей в этой определенной зоне. Следовательно, выходной сигнал усилителя наиболее чувствителен к изменениям входного напряжения в линейном диапазоне.

Чувствительный элемент может включать в себя, например, элемент сопротивления, пару диодов, установленную взаимно непараллельно между участками, или другим устройством, активную схему или пассивную схему для выработки разности напряжения при определении тока, идущего через чувствительный элемент.

В случае, когда адаптирующее средство полностью или частично заключено в интегральной схеме, расположение диода в этом случае может способствовать сохранению зоны основания. Диоды могут быть типа диодов Шотки, которые могут быть преимущественно в виде их низкого порогового напряжения 0,2 В. Падение напряжения по чувствительному элементу предпочтительно выравнивает рабочий диапазон входного сигнала дифференциального усилителя. Другие варианты чувствительного элемента могут быть выполнены заодно с буфером и датчиком.

Буфер включает в себя, например, управляемый источник тока, соединенный с узлом между чувствительным элементом и участком низкого сопротивления. Источник тока обладает входом управления, соединенным с выходом усилителя для поддержания контроля за ним по существу синхронно с передающей схемой. Кроме того, буферная схема может быть сконструирована в виде формирователя импульсов.

Источник тока может состоять из канала основной схемы биполярного транзистора, включенного между каналом и опорным напряжением. Как известно, биполярный транзистор обладает лучшими вольтамперными характеристиками, чем канальные транзисторы, и пропускает больший ток. Таким образом, биполярный транзистор способствует более быстрой работе. Альтернативно источник тока может состоять из канального транзистора. Когда уменьшается напряжение по его основному каналу тока, его токопроводящая способность изменяется в меньшей степени, чем токопроводящая способность биполярного транзистора, который будет приведен в состояние насыщения. Канальный транзистор будет способен полностью зарядить или разрядить нагрузку источника тока в любом случае.

Кроме того, источник тока может состоять из составного устройства, такого как конфигурация транзистора Дарлингтона или другой токоусиливающей конфигурации для выигрыша в скорости.

Предпочтительно, чтобы было предусмотрено стабилизирующее средство для предупреждения колебаний в диапазоне частот, предусмотренных для передачи сигнала. Стабилизирующее средство может, например, состоять, по меньшей мере, из одного емкостного элемента между одним из входов усилителя и выходом усилителя для осуществления сдвига фазы. Альтернативно стабилизирующее средство может состоять из нелинейного элемента, такого как диод, в цепи обратной связи усилителя. В случае, когда в чувствительном элементе применяется непараллельное размещение диодов, может пропасть необходимость в стабилизирующем средстве, т.к. диоды являются нелинейными устройствами.

Предпочтительно, чтобы средство линейного диапазона включало в себя дополнительный элемент сопротивления, соединенный с неинвертирующим входом инвертора и инвертирующим входом усилителя через чувствительный элемент. Это предотвращает усилитель от вхождения в гладкую зону его характеристик усиления. В случае, когда источник тока включает в себя биполярный транзистор, дополнительный элемент сопротивления также удерживает транзистор от насыщения.

Предпочтительно, чтобы было предусмотрено смещающее средство для смещения выходного сигнала усилителя на заданный уровень напряжения, когда система находится в статическом состоянии. Это применяется для поддержания источника тока, например биполярного транзистора, немного ниже его порога переключения. Следовательно, требуется меньшее время для запуска источника тока в его активное состояние.

Множество адаптирующих средств в соответствии с изобретением, установленных в каскаде с интервалами вдоль сигнального канала, обеспечивает еще большие расстояния между связывающимися блоками.

Следует отметить, что варианты, представленные здесь, не ограничиваются И²С-шинной системой. Они могут также использоваться в других шинных системах, в которых применяются двуполярные одножильные внутренние соединения. Эксперименты на И²С-шинной системе при 100 кГц показали, что внутриблочные расстояния могут составлять порядка 100 м и более, когда система оснащена адаптирующими средствами в соответствии с изобретением, в то же время обеспечивая приемлемую связь.

Следует также отметить, что подходящие адаптирующие средства, такие как интегральные схемы, делают существующие шинные системы более разносторонними. Адаптация осуществляется только локально и не требует изменений в самих общепринятых схемах.

Более подробно изобретение будет описано на примере со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 приведен первый вариант системы с адаптирующим средством в соответствии с изобретением; на фиг.2а и в система известного уровня техники и второй пример системы с адаптирующим средством в соответствии с изобретением; на фиг.3а-d основная схема адаптирующего средства в соответствии с изобретением; на фиг. 4 первый вариант адаптирующего средства; на фиг.5 второй вариант адаптирующего средства; на фиг.6 третий вариант адаптирующего средства.

Первый вариант системы.

На фиг.1 изображен первый вариант системы с адаптирующим средством в соответствии с изобретением. То, что изображено, является И²С-системой с двумя приемопередающими блоками 10 и 12, которые связаны через двуполярную двужильную шину линии связи 14. Шина 14 состоит из проводника линии связи 16 информации для передачи информационного сигнала и синхронизирующего проводника линии связи 18 для передачи синхронизирующего сигнала. Информационный сигнал и синхронизирующий сигнал являются двоичными сигналами.

Каждый из проводников шины 16 и 18 предназначен для подачи напряжения V_DD посредством нагрузочных резисторов 20 и 22 соответственно при отсутствии связи. Связь между блоками 10 и 12 осуществляется посредством утягивания проводников вниз в соответствии с заранее определенным протоколом. Информация передается от одного блока или, как в системе И²С посредством блока, инициирующего передачу.

Если блоки 10 и 12 отвечают стандартам И²С, предполагается что, среди других вещей существует ограниченная токопроводящая способность около 3 мА при 100 кГц для передающего блока для утягивания проводника вниз. Это ограничивает рабочий диапазон такого устройства до 4 м, т.к. внутренняя емкость шины и нагрузочных резисторов 20 и 22 время нарастания и время спада сигнала. Уменьшение величины нагрузочных резисторов 20 и 22 приведет к большей нагрузке, передаваемой блоками 10 и 12 или, другими словами, к меньшей токопроводящей способности сети.

Для решения этой проблемы адаптирующие средства 24, 26, 28 и 30 введены между каждым блоком 10 и 12 и проводниками 16 и 18. Когда, например, блок 10 начинает передачу либо по проводнику 16 информации, либо по синхронизирующему проводнику 18, соответствующее адаптирующее средство 24 или 26 изменяет полное сопротивление шины, как видно из блока 10 при определении прохождения сигнала в шину 14. Когда блок 10 принимает сигнал по проводнику 16 или 18 от блока 12, адаптирующее средство 24 или 26 не вмешивается в связь и по существу является прозрачным.

Передача поддерживается либо через отдельное соединение управления (не показано) между передающим блоком и соответствующими адаптирующими средствами, либо под контролем самого передающего сигнала. Последняя альтернатива предпочтительна, когда число внутренних соединений и контактов входа/выхода блоков и адаптирующих средств следует удерживать на минимуме. Более важно то, что адаптируемость при управлении сигналом допускает применение стандартных устройств И²С. Устройство на интегральных схемах может состоять из устройства И²С и адаптирующего средства в одном чипе или корпусе для обеспечения компактного устройства.

Пример второй системы.

На фиг. 2а и б изображена система известного уровня техники и второй вариант системы в соответствии с изобретением соответственно.

На фиг.2а изображен вариант системы известного уровня техники, включающей в себя интегральную схему 32 микропроцессора, связанную с интегральной схемой 34 памяти через направляющее устройство 36 по двуполярной шине (см. например, "Руководство пользователя микроконтроллером Сигнетикс", 1989). Направляющее устройство 36 является, например, мультиплексором или двуполярным буфером. Работа направляющего устройства 36 контролируется микропроцессором 32 посредством соединения 35 управления. Вариантом такого буфера является непараллельное соединение двух усилителей, каждый с выходами с тремя состояниями. Альтернативно усилители приводятся в действие, например, посредством команды считывания/записи, которая подается к буферам через соединение 35 управления в зависимости от направления потока информации.

На фиг.2б изображен второй вариант системы в соответствии с изобретением с микропроцессором 32 и схемой 34 памяти, соединенными по двуполярной шине через адаптирующее средство 38. При управлении сигналом информации (или адресным сигналом) адаптирующее средство усиливает сигнал. Эта архитектура не нуждается в дополнительном контрольном соединении. Более того, микропроцессор 32 имеет на один контакт входа/выхода меньше, чем микропроцессор на фиг. 2а, что уменьшает стоимость и схему управления.

Основы работы адаптирующего средства.

На фиг.3а изображена основная идея схемы, пригодной для использования в качестве адаптирующего средства, например адаптирующего средства 26 на фиг. 1. То же самое касается адаптирующих средств 24, 28, 30 на фиг.1 и адаптирующего средства 38 на фиг.2б. Блок 10 состоит из входного/выходного терминала 40 для приема и передачи двоичного сигнала. Внутри терминал 40 соединен с элементом, понижающим сопротивление цепи 42, используемым для передачи, и с входным буфером 44, представляющим приемный элемент, используемый для приема (подробности см. в указанных Технических данных Филипс по ИС, совместимых с шинами И²С).

Адаптирующее средство 26 состоит из элементов управления направлением передачи на чувствительном элементе 44 и дифференцирующем усилителе 48, чьи входы соединены поперек чувствительного элемента 46, и понижающего источника тока 50, соединенного между другим питающим напряжением V_SS и проводником 18. Источник тока 50 управляется выходом усилителя 48.

Чувствительный элемент 48 может включать в себя, например, элемент сопротивления 46а /фиг.3b/ и непараллельное соединение пары диодов 46а /фиг.3с/ или любую активную схему 46с /фиг.3d/, которая при улавливании тока, текущего в нее, вырабатывает разность напряжений между входами усилителя 48. Соединение с усилителем 48 элементов 46а, 46b и 46с указано знаками плюс и минус для соединения усилителя 48 с неинверсным входом и инверсным входом соответственно. Для лучшего понимания под чувствительным элементом 46 в дальнейшем будет пониматься элемент, включающий в себя элемент сопротивления 46а.

Работа происходит следующим образом. Когда включен элемент, понижающий сопротивление цепи 42, показывающий направление передачи, усилитель 48 чувствует напряжение по элементу сопротивления 46 с заранее определенной полярностью. Эта полярность противоположна полярности, вырабатываемой принимаемым сигналом. Усилитель 48 обеспечивает выходной сигнал, который различается между утягиванием вниз блоком 10 и другими событиями с целью надлежащего приведения в действие источника тока 50. В показанном примере при открытом транзисторе 42 неинверсный выход усилителя 48 принимает более высокое напряжение, чем его инверсный вход. Усилитель 48 затем вырабатывает высокое выходное напряжение для включения источника тока 50. Таким образом, источник тока 50 работает по существу синхронно с транзистором 42. Во всех других случаях усилитель 48 оставляет отключенным источник тока 50, тем самым удерживая адаптирующее средство 26 прозрачным по отношению к входящим сигналам. Следует отметить, что только дифференциальный режим усиления усилителя 48 пригоден для работы. Следует также отметить, что помехозащищенность при передаче увеличивается благодаря применению подобного адаптирующего средства.

Первый вариант осуществления адаптирующих средств.

Основная идея фиг.3 требует некоторых уточнений. Во-первых, применяемый источник тока 50 предпочтительно должен являться быстродействующим устройством. Во-вторых, нагрузочный резистор 22 образует инвертор вместе с источником тока 50, который расположен в положительной цепи обратной связи усилителя 48. Эта конфигурация может работать как генератор, что нежелательно. Должны быть предусмотрены средства сдвига фазы, чтобы избежать колебаний в диапазоне частот передачи. В-третьих, с целью обеспечения быстродействующей схемы усилитель 48 должен находиться в линейном диапазоне, в котором характеристика входа-выхода напряжения является наилучшей.

На фиг. 4 изображен вариант адаптирующего средства 26, которое отвечает вышеприведенным требованиям. Источник тока 50 теперь определяется биполярным транзистором 50. Хорошо известно, что биполярный транзистор обладает экспоненциальной вольтамперной характеристикой и может работать как быстродействующий источник тока. Средство сдвига фазы включает в себя конденсатор 52, соединяющий базовый электрод транзистора 50 с проводником 18. С целью удержания усилителя 48 и транзистора 50 вне их соответствующих зон насыщения резистор 60 соединен между терминалом 40 и инверсным входом усилителя 48. Резисторы 56 и 58 работают как делитель напряжения и удерживают инверсный вход при заданном напряжении ниже V_SS, когда проводник не работает, тем самым обеспечивая сдвиг усилителю 48. Резистор 62 установлен между выходом усилителя 48 и базой транзистора 50 для ограничения тока в базу.

В типичном варианте, когда разница между V_DD и V_SS составляет около 58, вышеупомянутые пассивные компоненты предпочтительно должны обладать следующими характеристиками: чувствительный резистор 46 составляет приблизительно 200 Ом; конденсаторы 52 и 54 составляют приблизительно 220 пФ и 22 пФ; резисторы 56, 58 и 60 приблизительно 4,7 кОм и 470 Ом соответственно; резистор 62 приблизительно 2,2 кОм.

Второй вариант адаптирующего средства.

Схемы на фиг.3 или 4 могут быть рассмотрены как схемы совпадения полного сопротивления для одного направления. Их область применения выходит за рамки систем связи, описанных со ссылкой на фиг.1 и 2, которые были даны только для примера.

На фиг.5 изображен принцип конфигурации для активного управления соединением сигнала в обоих направлениях. Коммуникационная шина 70 соединяет две схемы (не показаны), которые способны передавать и принимать сигнал на шине 70. Чувствительный резистор 72 установлен в шине. Резисторы 74 и 76 представляют собой нагрузочные резисторы. Дифференциальный усилитель 78 имеет выходы 80 и 82, подающие взаимно дополняющие сигналы управления. Один из источников тока, являющийся элементом, понижающим сопротивление цепи 84 и 86, будет включен в зависимости от напряжения прохождения сигнала по проводнику 70. Другой источник тока 86 или 84 остается в нерабочем состоянии.

Эксперименты показывают, что такая конфигурация уменьшает эффекты сдвигов напряжения заземления, которые происходят, когда ток в питающей линии вызывает падение напряжения благодаря внутреннему сопротивлению питающей линии заземления. Кроме того, эта конфигурация может быть использована для соединения двух физических различных участков с низким сопротивлением передающего канала, таких как коаксиальный кабель и пара скрученных проводов.

Третий вариант адаптирующего средства.

На фиг. 6 изображено воплощение схемы на фиг.5. Усилитель 78 осуществляется благодаря установке схем усилителя 90 и 92, каждая из которых обладает инверсивным входом, соединенным с неинверсивным входом другой схемы усилителя. Чувствительный резистор 72 на фиг.5 теперь состоит из параллельного соединения резисторов 94 и 96. Третий резистор 98 соединяет узел между резисторами 94 и 96 с землей. Нагрузочный резистор 74 и резистор 94 образуют делитель напряжения с резистором 98, который соединен с инверсным входом усилителя 92. Его работа была описана со ссылкой на фиг.4. Таким образом, делитель напряжения частично объединяется с уже готовыми компонентами. Подобным образом нагрузочный резистор 76 и резистор 96 и 98 образуют другой делитель напряжения, который соединен с инверсным входом усилителя 90.

Источники питания 84 и 86 включают в себя биполярные транзисторы 100 и 102 соответственно. Резисторы 104 и 106 ограничивают течение тока в транзисторы 100 и 102 соответственно. Конденсаторы 108 и 110 делают сдвиг фазы для удержания колебаний вне специального диапазона частот, связанного с передачей сигнала.

Claims (4)

1. Система передачи двуполярных сигналов, содержащая по меньшей мере один приемопередающий блок, соединенный с адаптером сигналов, подключенным к линии связи, и блок питающего напряжения, отличающаяся тем, что приемопередающий блок содержит элемент, понижающий сопротивление цепи, и приемный элемент, подключенные к одному выводу адаптера сигналов, в систему введен по крайней мере один нагрузочный резистор, включенный между блоком питающего напряжения, другим выводом адаптера сигналов и линией связи, адаптер сигналов содержит первый элемент, понижающий сопротивление цепи, элемент управления направлением передачи, включенный последовательно в линию связи соответственно первым и вторым выводами, выход которого соединен с управляющим входом первого элемента, понижающего сопротивление цепи, включенного между линией связи и блоком питающего напряжения, выводы элемента управления направлением передачи являются выводами адаптера сигналов.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что элемент управления направлением передачи адаптера сигналов содержит чувствительный элемент и дифференциальный усилитель, выход которого является выходом элемента управления направлением передачи, выводы чувствительного элемента являются соответственно его первым и вторым выводами.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что в адаптере сигналов один вывод адаптера сигналов соединен через второй нагрузочный резистор с блоком питающего напряжения, в адаптер сигналов введен второй элемент, понижающий сопротивление цепи, управляющий вход которого соединен с дополнительным выходом элемента управления направлением передачи.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что элемент управления направлением передачи содержит чувствительный элемент, первый и второй дифференциальные усилители, выходы которых являются соответственно выходом и дополнительным выходом элемента управления направлением передачи, противофазные входы дифференциальных усилителей объединены соответственно с первым и вторым выводами чувствительного элемента, являющимися соответственно первым и вторым выводами элемента управления направлением передачи.

Images