一種基于反相器減小傳感器信號線間串?dāng)_方法*

章玉珠， 何怡剛， 袁莉芬， 陳 歡， 李 珊

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

一種基于反相器減小傳感器信號線間串?dāng)_方法*

章玉珠， 何怡剛， 袁莉芬， 陳 歡， 李 珊

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

傳感器信號傳輸時由于信號線間的電磁耦合產(chǎn)生不可避免的串?dāng)_。信號線間串?dāng)_嚴(yán)重影響信號線系統(tǒng)信號完整性。針對傳感器信號線間串?dāng)_提出一種抑制方法，基于反相器防護(hù)線減小信號線間串?dāng)_方法，該防護(hù)線物理結(jié)構(gòu)非常簡單，從而很好地減小物理設(shè)計(jì)成本。通過PSpice軟件搭建仿真電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明:未采用反相器防護(hù)線的受害線受到串?dāng)_嚴(yán)重且信號發(fā)生誤碼現(xiàn)象，而采用反相器防護(hù)線后受害線串?dāng)_現(xiàn)象明顯改善且傳輸信號和原始傳輸信號100 %吻合，從而驗(yàn)證了反相器防護(hù)線具有很強(qiáng)的抑制傳感器信號線間串?dāng)_能力。

反相器； 串?dāng)_； 防護(hù)線； 傳感器； 信號線

0 引 言

隨著傳感器微型化和傳感器的工作頻率不斷提高，傳感器內(nèi)部信號線間由于電磁耦合作用產(chǎn)生串?dāng)_對傳感器的工作性能影響也越來越嚴(yán)重。信號線間的耦合噪聲是影響高頻傳感器系統(tǒng)信號完整性的重要因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)有30 %以上的噪聲是來源于信號串?dāng)_耦合噪聲[1]。因此，研究如何減小傳感器信號線間的串?dāng)_是必要的。

減小串?dāng)_的研究方法眾多，可以對信號線物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)減小串?dāng)_[2]。文獻(xiàn)[3]通過減小傳輸線之間的間距減小串?dāng)_，文獻(xiàn)[4]在傳輸線中間加入反相器減小串?dāng)_，文獻(xiàn)[5]利用微分電路減小串?dāng)_;其次,還可以加入防護(hù)線來抑制串?dāng)_，文獻(xiàn)[6]通過仿真驗(yàn)證了防護(hù)線抑制PCB微帶線間的串?dāng)_效果,文獻(xiàn)[7]通過在防護(hù)線兩端接地孔接地方式來減小串?dāng)_，文獻(xiàn)[8]進(jìn)一步研究接地孔的孔間距對減小串?dāng)_的影響。上述幾種減小串?dāng)_方法都是從串?dāng)_信號角度來考慮減小串?dāng)_且效果有限，而從信號源本身角度考慮減小串?dāng)_的方法較少。

本文從信號激勵源角度出發(fā)，針對信號線間串?dāng)_提出一種新的抑制方法，基于反相器防護(hù)線減小串?dāng)_方法，與傳統(tǒng)從串?dāng)_信號角度減小串?dāng)_方法[3～8]相比，該方法實(shí)現(xiàn)簡單，抑制串?dāng)_能力強(qiáng)。仿真結(jié)果表明：反相器防護(hù)線抑制串?dāng)_效果明顯。

1 串?dāng)_基本原理

在傳感器信號線系統(tǒng)中，由于信號之間的電磁耦合作用，信號在信號線上傳輸時對相鄰信號線產(chǎn)生電壓干擾，這種現(xiàn)象稱之為串?dāng)_。圖1為串?dāng)_示意圖，當(dāng)有電流通過信號線L1時，由于電磁耦合作用使得信號線L1在信號線L2上產(chǎn)生干擾電流，將L1稱為攻擊線，L2稱為受害線。L1產(chǎn)生的干擾電流會使L2上的信號發(fā)生變化，信號的完整性受到影響。

圖1 串?dāng)_示意圖Fig 1 Diagram of crosstalk

2 基于反相器的串?dāng)_防護(hù)原理

串?dāng)_一般分為容性耦合串?dāng)_和感性耦合串?dāng)_。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，在耦合長度為d的信號線中：

容性耦合的總串?dāng)_電壓為

(1)

感性耦合的總串?dāng)_電壓為

(2)

其中，Z0為信號線特性阻抗，Cm為單位長度互容，Lm為單位長度互感，d為信號線耦合長度，Va為攻擊線上的電壓。一般情況下，容性耦合和感性耦合會同時存在，將式(1)和式(2)進(jìn)行疊加得到信號線總串?dāng)_電壓為

(3)

針對信號線間串?dāng)_提出一種新的抑制串?dāng)_方法，基于反相器防護(hù)線減小串?dāng)_方法，加入反相器防護(hù)線后，根據(jù)反相器反相原理，防護(hù)線上的電壓信號為-Va，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，二次串?dāng)_的影響較小，故在本文忽略二次串?dāng)_的影響，將公式(3)中的Va替換為-Va，即得到反相器防護(hù)線在受害線上的總串?dāng)_電壓為

(4)

根據(jù)防護(hù)線和攻擊線的相位同步可以利用疊加性原理得到受害線上的理論串?dāng)_電壓Vd=Vd1+Vd2=0，從而從理論上驗(yàn)證了該方法的正確性。圖2為采用反相器減小信號線串?dāng)_模型。

圖2 采用反相器防護(hù)線減小串?dāng)_模型Fig 2 Model for guard line reducing crosstalk with inverters

3 基于反相器的串?dāng)_防護(hù)方法的仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證上述減小串?dāng)_方法的正確性，利用PSpice軟件對其進(jìn)行仿真分析。為了簡化實(shí)驗(yàn)，信號線和防護(hù)線的耦合長度d、信號線特性阻抗Z0、單位長度互容Cm、單位長度互感Lm完全相同，利用文獻(xiàn)[10]二維求解器對信號線參數(shù)進(jìn)行提取，對信號線模型進(jìn)行簡化，所得兩線信號線模型和采用反相器防護(hù)線的信號線模型分別為圖3和圖4。

圖3 兩線信號線電路模型Fig 3 Circuit model for bi-wire signal wire

圖4 采用反相器防護(hù)線信號線電路模型Fig 4 Signal wire circuit model for guard line using inverter

為了驗(yàn)證方法的正確性，在Pspice軟件上設(shè)計(jì)了一種信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器是由16位計(jì)數(shù)器74LS161A和16位數(shù)據(jù)選擇器74150組成，該信號發(fā)生器可以通過改變芯片74150的管腳高低電平得到所需特定的激勵信號，具有簡單方便和移植能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，圖5為信號發(fā)生器電路圖。

圖5 信號發(fā)生器電路Fig 5 Signal generator circult

假設(shè)攻擊線的信號編碼為00011111，受害線上的傳輸信號編碼為01110010，設(shè)定信號頻率為1MHz，圖6為受害線未受到串?dāng)_影響時正常波形圖。

圖6 受害線未受到串?dāng)_影響波形Fig 6 Waveform of victim line without affected by crosstalk

首先對未采用反相器防護(hù)線信號線模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7，與圖6中受害線未受串?dāng)_的波形進(jìn)行對比，此時受害線信號受到嚴(yán)重串?dāng)_。仿真結(jié)果顯示:在4～5 μs與7～8 μs之間，根據(jù)數(shù)字信號編碼規(guī)則，此時信號由0變?yōu)?1，出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響信號線的信號完整性。再對采用反相器防護(hù)線信號線模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8。仿真結(jié)果顯示：加入反相器保護(hù)線后信號線上的信號的串?dāng)_情況明顯改善，只有出現(xiàn)部分“毛刺”現(xiàn)象，根據(jù)信號編碼規(guī)則，此時信號為01110010，和原始信號編碼100 %吻合，而且這種信號“毛刺”現(xiàn)象可以通過數(shù)字信號恢復(fù)技術(shù)[11]能夠很簡單地處理得到與原始信號完全相同的信號。仿真結(jié)果表明：基于反相器防護(hù)線減小串?dāng)_方法效果明顯。

圖7 未采用反相器防護(hù)線受害線串?dāng)_波形Fig 7 Waveform of victim line affected by crosstalkwithout inverter

圖8 采用反相器防護(hù)線受害線串?dāng)_波形Fig 8 Waveform of victim line affected bycrosstalk with inverters

在工程應(yīng)用中可以選用無源雙面平行傳輸線(DSPSL)反相器 ，該反相器的性能優(yōu)越，信號線上的損耗非常小可以忽略，目前這種反相器在高速信號線中應(yīng)用非常廣泛。

4 結(jié) 論

針對傳感器信號線互連系統(tǒng)中信號線間串?dāng)_提出一種新的抑制方法,通過公式推導(dǎo)從理論上驗(yàn)證了基于反相器的串?dāng)_防護(hù)方法的可行性，然后通過軟件仿真，仿真結(jié)果表明:該方法能夠明顯減小傳感器信號線之間的串?dāng)_，采用反相器防護(hù)線后傳輸線上信號和原傳輸信號100 %吻合，從而保證了系統(tǒng)中傳感器信號線上的信號完整性。該方法實(shí)現(xiàn)簡單，且抑制串?dāng)_效果明顯，可應(yīng)用于具體高頻傳感器減小內(nèi)部信號線間串?dāng)_研究領(lǐng)域。

[1] 張志偉.高速互連總線結(jié)構(gòu)中多平行傳輸線間的串?dāng)_分析與控制[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2013,30(12)：3729-3721.

[2] Pizano-Escalante L,Longoria-Gandara O,Parra-Michel R.Crosstalk cancellation on high-speed interconnects through a MIMO linear precoding[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2013,61(11):3860-3871.

[3] 黎淑蘭，劉元安，唐碧華.降低有損耦合微帶線間串?dāng)_的方法分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2006,21(4):503-507.

[4] 王亞飛，楊鴻文，李學(xué)華.基于串?dāng)_與干擾源相位同步的減小串?dāng)_研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2012,27(3)：470-475.

[5] 王亞飛，陳迎潮，楊曙輝，等.利用微分電路減小PCB上串?dāng)_的方法[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012,40(8):20-25.

[6] 李麗平，李玉山, 王崇劍.防護(hù)線減小微帶線間串?dāng)_的FDTD分析[J].電子與信息學(xué)報(bào),2006,28(3):574-576.

[7] Cheng Yungshou，Guo Weida ，Hung Chihpin，et al.Enhanced microstrip guard trace for ringing noise suppression using a dielectric superstrate[J].IEEE Transactions on Advanced Packaging，2010,33(4):961-968.

[8] Ponchak G E，Donghoon C，Jong-Gwan Y，et al.The use of metal filled via holes for improving isolation in LTCC RF and wireless multichip packages[J].IEEE Transactions on Advanced Packaging，2000,23(1):88-99.

[9] Brian Y，李玉山，蔣冬初.數(shù)字信號完整性：互連、封裝的建模與仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009:69-73.

[10] 段天睿.柔性線路串?dāng)_PSpice仿真分析及應(yīng)用[J].安全與電磁兼容，2009(5)：80-83.

[11] Michal K.Simulation of digital clock and data recovery of strongly disturbed signals[C]∥17th International Conference on Radio-elektronika,2007:1-4.

[12] Hitney H V.Modeling surface effects with the parabolic equation method[C]∥Geoscience and Remote Sensing Symposium,1994:2322-2325.

A method for reducing crosstalk between signal lines of sensors based on inverter*

ZHANG Yu-zhu， HE Yi-gang， YUAN Li-fen， CHEN Huan， LI Shan

(School of Electrical Engineering and Automation,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Crosstalk between signal lines is unavoidable in signal lines system of sensor.Crosstalk seriously affect the integrity of signal lines system.A method for reducing crosstalk between signal lines is proposed,aiming at signal lines system of sensor,a new guard line reduce crosstalk based on inverter,the physical structure of this guard line is very simple,thus using this kind of guard line can reduce the cost of design.Simulation circuits are built to verify the correctness of this method,and the result show that signal line without inverter guard line is serious affected by crosstalk and the signal on signal line occur error code,the crosstalk on signal line adding inverter guard line is significantly reduced and the goodness of fit is 100 % comparing with original signal,thus it proves that inverter guard line has a strong ability to reduce crosstalk between signal lines of sensor.

inverter; crosstalk; guard line; sensor; signal line

10.13873/J.1000—9787(2015)10—0029—03

2015—01—30

國家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50925727)；國防科技預(yù)研項(xiàng)目(C1120110004)；教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目基金資助項(xiàng)目(313018)；安徽省科技計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(1301022036)

TN 47

： A

： 1000—9787(2015)10—0029—03

章玉珠(1990-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮与娐饭收蠝y試方向。