传输线

本篇博客来说说硬件开发的笔试或者面试。 面试主要是基于项目的，所以在这里不过多讨论，看自己的项目经验了。 笔试题目，硬件笔试包含的内容还是比较多的，有FPGA，C语言，信号系统知识，数电模电、电路分析、高频电路、PCB设计，通信原理等。在这里尽可能列举硬件笔试可能会出现的题目。 以下回答为笔者杜撰，未必正确，欢迎大家一同讨论。 PCB的两条走线过长平行走线会引起什么后果？ 从信号完整性方面来考虑，过长的走线耦合增强，串扰的本质在于耦合，所以过长平行走线会引起串扰，可能会引起误码操作。 常见的组合逻辑电路有哪些？ 加法器，数据选择器，数据输出器，编码器，译码器，数值比较单元，算数逻辑单元。 存储器有哪些构成？ 存储阵列，地址译码器和输出控制电路。 锁相环电路的基本构成？ 分频器、鉴频鉴相器、环路滤波器、压控振荡器。 RS232和RS485的主要区别？ RS232是利用传输线与公共地之间的电压差传输信号，RS485是利用传输线之间的电压差作为传输信号，由于电压差分对的存在，可以很好的抑制共模干扰，所以RS485传输更远。 驱动蜂鸣器的三极管工作在哪个区，若是做反相器呢 ？ 由于单片机等其他MCU IO输出的电流比较小，大概在几十个mA以下，所以为了驱动需要电流较大的器件，需要额外的器件。驱动蜂鸣器利用三极管，使其工作在放大区。利用三极管的饱和和截止特性，可以做反相器，作为开关使用。

shoecat 发表于 2007-10-4 11:03:00 5 推荐 一、输入阻抗 输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源 U ，测量输入端的电流 I ，则输入阻抗 Rin 就是 U/I 。你可以把输入端想象成一个电阻的两端，这个电阻的阻值，就是输入阻抗。 输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样，它反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路，输入阻抗越大，则对电压源的负载就越轻，因而就越容易驱动，也不会对信号源有影响；而对于电流驱动型的电路，输入阻抗越小，则对电流源的负载就越轻。因此，我们可以这样认为：如果是用电压源来驱动的，则输入阻抗越大越好；如果是用电流源来驱动的，则阻抗越小越好（注：只适合于低频电路，在高频电路中，还要考虑阻抗匹配问题。另外如果要获取最大输出功率时，也要考虑　阻抗匹配问题 二、输出阻抗 无论信号源或放大器还有电源，都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来，对于一个理想的电压源（包括电源），内阻应该为 0 ，或理想电流源的阻抗应当为无穷大。输出阻抗在电路设计最特别需要注意 但现实中的电压源，则不能做到这一点。我们常用一个理想电压源串联一个电阻 r 的方式来等效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻 r ，就是（信号源 / 放大器输出 / 电源）的内阻了。当这个电压源给负载供电时，就会有电流 I 从这个负载上流过

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论。 阻抗匹配主要有两点作用，调整负载功率和抑制信号反射。 {扩展：我们可以把一个实际电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R，电源电动势为U，内阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为：I=U/(R+r)，可以看出，负载电阻R越小，则输出电流越大。负载R上的电压为：Uo=IR=U/[1+(r/R)]，可以看出，负载电阻R越大，则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为： P = I2×R=[U/(R+r)]2×R = U2×R/(R2+2×R×r+r2) = U2×R/[(R-r)2+4×R×r] = U2/{[(R-r)2/R]+4×r} 对于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)2/R]，当R=r时，[(R-r)2/R]可取得最小值0，这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U2/(4×r)。即，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。} 如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R；如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R；如果我们需要输出功率最大，则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思

一 . 什么是传输线 我们经常会用到传输线这一术语，可是讲到其具体定义时，很多工程师都是欲言又止，似懂非懂…… 我们知道，传输线用于将信号从一端传输到另一端，下图说明了所有传输线的一般特征 所以，可以这样理解：传输线由两条一定长度导线组成，一条是信号传播路径，另一条是信号返回路径。 2. 和电阻，电容，电感一样，传输线也是一种理想的电路元件，但是其特性却大不相同，用于仿真效果较好，但电路概念却比较复杂 3. 传输线有两个非常重要的特征：特性阻抗和时延 二 . 传输线分类 经常用到的双绞线，同轴电缆都是传输线 对于 PCB 来说，常有微带线和带状线两种 微带线通常指 PCB 外层的走线，并且只有一个参考平面 带状线是指介于两个参考平面之间的内层走线 下图为微带线和带状线示意图及其阻抗计算公式，可以从这个公式中看出，阻抗和那些因素有关，但是实际工程应用中，都是用一些专业软件进行阻抗计算，比如 Polar 三 . 传输线阻抗 先来澄清几个概念，经常会看到阻抗，特性阻抗，瞬时阻抗，严格来讲，他们是有区别的，但是万变不离其宗，它们仍然是阻抗的基本定义 . 将传输线始端的输入阻抗简称为阻抗 将信号随时遇到的及时阻抗称为瞬时阻抗 如果传输线具有恒定不变的瞬时阻抗，就称之为传输线的特性阻抗 特性阻抗描述了信号沿传输线传播时所受到的瞬态阻抗，这是影响传输线电路中信号完整性的一个主要因素

Reflect 反射是引起 SI 的一个最基本因素，信号在传输线传播过程中，一旦它所感受到的传输线瞬时阻抗发生变化，那么就必将有发射发生。 反射是由于 传输线瞬时阻抗变化而引起的 下面就从理 论角度来分析一下反射的机理、反射系数和传输系数的计算 配个 简易图来加以说明 图中褐色的为电路板上的大面积铺铜层（ GND或者PWR） ， 它是信号的返回路径 。 绿色和红色是传输线， S1比 较宽， S2 较窄 ， 很明 显在 S1和S2的交接 处出现了阻抗不连续 ， 根据阻抗 计算公式应该是 Rs1<Rs2 。 那 么信号传输到这里的时候，从反射的定义来看应该是发生了反射 。 那 么究竟有多少信号被 反 射了呢？又有多少信号通过了界面进入 S2了呢？ 这里就涉及到了反射的计算，即反射系数的计算和传输系数的计算 在交界面， 虽然阻抗发生了变化，但是 电压和电流一定都是连续的 这个结论一定要能理解，电压和电流不可能出现一个断裂 即在交界面的左 边一点和右边一点，他们的电压和电流都是相等的 这里的一点点就像微积分中的那么一小点 在分界面的左 边一点点 S1中有：Rs1=V1/I1 （1） 在分界面的右 边一点点 S2中有：Rs2=V2/I2 （2） 其中的V1、V2分 别为分界面两侧的电压， I1和I2 为分界面两侧的电压 由上面的 电压和电流连续性得知： V1=V2,I1=I2 （3）

常见的传输线的类型： a、单端传输线 b、差分传输线 c、微带线（microstrip） d、带状线（stripline） 图形示例及描述： 单端传输线： 单端传输线特性阻抗与传输线尺寸、介质层厚度、介电常数的关系如下： *与迹线到参考平面的距离（介质层厚度）成正比 *与迹线的线宽成反比 *与迹线的高度成反比 *与介电常数的平方根成反比 单端传输线特性阻抗 的范围通常情况下为 25Ω至120Ω，几个较常用的值是 28Ω、33Ω、50Ω、52.5Ω、58Ω、65Ω、75Ω 。 差分传输线： 差分（通常称为平衡式）传输线适用于对噪声隔离和改善时钟频率要求较高的情况。在差分模式中，传输线路是成对布放的， 两条线路上传输的信号电压、电流值相等，但相位（极性）相反 。由于信号在一对迹线中进行传输， 在其中一条迹线上出现的任何电子噪声与另一条迹线上出现的电子噪声完全相同（并非反向） ，两条线路之间生成的场将相互抵消，因此与单端非平衡式传输线相比，只产生极小的地线回路噪声，并且减少了外部噪声的问题。 差分传输线的特性阻抗（差分阻抗）指的是差分传输线中两条导线之间的阻抗，它与差分传输线中每条导线对地的特性阻抗是有区别的，主要表现为： 1）间距很远的差分对信号，其特性阻抗是单个信号线对地特性阻抗的两倍。 2）间距较近的差分对信号，其特性阻抗比单个信号线对地特性阻抗的两倍小。 3）其它因素保持不变时

输入阻抗什么时候要高什么时候要低，与前级输出有关，与你要传递信号的方式有关 对于单向接口,要保证输入阻抗等于或大于输入阻抗. 对于双向接口,要求输入输出阻抗尽量接近,以防衰减和静端反射. 通俗理解，如果你的输出信号输出电阻大，你要确保接收端输入电阻更大，信号才能有效接收，否则按照分压，信号将失真。 对于任一个四端网络(包括有源的放大器等，及无源的衰耗器等)，在信号输入端输入电压与输入电流之比，称为输入阻抗。同样，在输出端，输出电压与输出电流之比为输出阻抗。 　　在信号的传递中，一般要求相链接的两个网络的阻抗匹配：前一个网络的输出阻抗与后一个网络的输入阻抗相等。这时链接处没有反射波存在，传输效率最高，不会产生反射的杂波等等。例如：同轴线的阻抗是75欧，电视机的天线输入处的阻抗也是75欧，达到阻抗匹配。 音频放大器输出为什么外接的阻抗要与内阻抗相等呢，这是因为只有相等时获得的功率最大，当外接阻抗小于内阻抗时，电流会增加，但内阻抗的功率大于外接的功率，而且输出电流有限制。当外接的阻抗大于内阻抗时，工作电流会减小，外接的功率也下降。所谓阻抗匹配就是这个道理 一、输入阻抗 输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U，测量输入端的电流I，则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端，这个电阻的阻值，就是输入阻抗。 输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样

一、什么是阻抗 在电学中，常把对电路中电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗单位为欧姆，常用Z表示，是一个复数Z= R+i( ωL–1/(ωC))。具体说来阻抗可分为两个部分，电阻(实部)和电抗(虚部)。其中电抗又包括容抗和感抗，由电容引起的电流阻碍称为容抗，由电感引起的电流阻碍称为感抗。 图1 复数表示方法 二、阻抗匹配的重要性 阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间达到一种适合的搭配。阻抗匹配主要有两点作用，调整负载功率和抑制信号反射。 1、调整负载功率 假定激励源已定，那么负载的功率由两者的阻抗匹配度决定。对于一个理想化的纯电阻电路或者低频电路，由电感、电容引起的电抗值基本可以忽略，此时电路的阻抗来源主要为电阻。如图2所示，电路中电流I=U/(r+R)，负载功率P=I*I*R。由以上两个方程可得当R=r时P取得最大值，Pmax=U*U/(4*r)。 图2 负载功率调整 2、抑制信号反射 当一束光从空气射向水中时会发生反射，这是因为光和水的光导特性不同。同样，当信号传输中如果传输线上发生特性阻抗突变也会发生反射。波长与频率成反比，低频信号的波长远远大于传输线的长度，因此一般不用考虑反射问题。高频领域，当信号的波长与传输线长出于相同量级时反射的信号易与原信号混叠，影响信号质量。通过阻抗匹配可有效减少、消除高频信号反射。 图3 正常信号 图4 异常信号(反射引起超调) 三、阻抗匹配的方法

现在但凡打开 SoC原厂的PCBLayout Guide，都会提及到高速信号的走线的拐角角度问题，都会说高速信号不要以直角走线，要以 45 度角走线，并且会说走圆弧会比 45 度拐角更好。 事实是不是这样？PCB 走线角度该怎样设置，是走 45 度好还是走圆弧好？90 度直角走线到底行不行？这是老 wu 经常看见广大 PCB Layout 拉线菌热议的话题。 大家开始纠结于 pcb 走线的拐角角度，也就是近十几二十年的事情。上世纪九十年代初，PC 界的霸主 Intel 主导定制了 PCI 总线技术。 似乎从 PCI 接口开始，我们开始进入了一个“高速”系统设计的时代。 20 世纪 90 年代以后，正是有了一帮类似老 wu 这样的玩家对 3D 性能的渴望，使得相应的电子设计和芯片制造技术能够按照摩尔定律往前发展，由于 IC 制程的工艺不断提高，IC 的晶体管开关速度也越来越快，各种总线的时钟频率也越来越快，信号完整性问题也在不断的引起大家的研究和重视。比如现在人们对 4K 高清家庭影音视频的需求，HDMI2.0 传输标准速率已经达到了 18Gbps ！！！ 在我诞生之前，pcb 拉线菌应该还是比较单纯的同学，把线路拉通，撸顺，整洁美观即可，不用去关注各种信号完整性问题。比如下图所示的 HP 经典的 HP3456A 六位半万用表的电路板所示，大量的 90°角走线。 HP3456A

串行通讯简单认识 串行通讯的基本概念：与外界的信息交换称为通讯。基本的通讯方式有并行通讯和串行通讯两种。 一条信息的各位数据被同时传送的通讯方式称为并行通讯。并行通讯的特点是：各数据位同时传送，传送速度快、效率高，但有多少数据位就需多少根数据线，因此传送成本高，且只适用于近距离（相距数米）的通讯。 一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。 根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。信息只能单向传送为单工；信息能双向传送但不能同时双向传送称为半双工；信息能够同时双向传送则称为全双工。 串行通讯又分为异步通讯和同步通讯两种方式。在单片机中，主要使用异步通讯方式。 MCS_51单片机有一个全双工串行口。全双工的串行通讯只需要一根输出线和一根输入线。数据的输出又称发送数据（TXD），数据的输入又称接收数据（RXD）。串行通讯中主要有两个技术问题，一个是数据传送、另一个是数据转换。数据传送主要解决传送中的标准、格式及工作方式等问题。数据转换是指数据的串并行转换。具体说，在发送端，要把并行数据转换为串行数据；而在接收端，却要把接收到的串行数据转换为并行数据。 单工、半双工和全双工的定义 如果在通信过程的任意时刻