Электрические линии как передаточные элементы.

Важнейшими передаточными элементами являются однородные электрические линии, в качестве которых чаще всего используются коаксиальные кабели.

Электрические и магнитные поля сигналов, проходящих по такому кабелю, локализуются в пространстве между цилиндрическими проводниками, причем внешний проводник одновременно играет роль экрана, защищающего сигнал от воздействия помех.

Неучет передаточных характеристик электрических линий (что очень часто делается) может привести к грубым ошибкам при измерениях.

Рассмотрим примеры:

1. Имеем короткий одиночный импульс (импульсный лазер) который регистрируем с помощью фотодиода; полученный сигнал подаем на осциллограф.

Рис. 8

Осциллограф имеет два значения входного сопротивления: R_вх=1.МОм, либо R_вх=50 Ом. Длина кабеля также может быть различной. На рис. 9а,б,в представлены 3 осциллограммы при различных сочетаниях R_вх и . Рис.5.20в соответствует режиму согласования: при этом на экране осциллографа регистрируется одиночный импульс с минимальными искажениями.

а)

б)

в)

Рис. 9

R_вх – входное сопротивление осциллографа

- длина кабеля

Проведенный анализ позволяет теперь понять, почему искажается форма сигналов на рис 9а и 9б.

1. Если линия согласована (рис. 9 «в»), на экране осциллографа возникает верный сигнал.

2. Подсоединение длинного ( =11м) кабеля к высокоомному входу осциллографа (рис.9«б») приводит к тому, что сигнал отражается со сдвигом по фазе; отражение повторяется на другом конце кабеля, поскольку фотодиод является генератором с высоким внутренним сопротивлением. В этом случае на выходе появляется повторный сигнал, запаздывающий по отношению к исходному на двойное время пробега сигнала вдоль кабеля. Длина кабеля и время запаздывания позволяют определить скорость распространения волн вдоль линии. Она составляет примерно 20 см/нс (т.е. примерно 2/3 скорости света в вакууме - С). Это значение характерно для большинства в.ч. кабелей.

В результате на экране осциллографа появится не один импульс, а последовательность импульсов, убывающих по амплитуде (за счет потерь в системе), имеющих период следования:

Т

Когда длина кабеля составляет 1 м (рис. 9«а»), длительность импульса тока превышает удвоенное время пробега вдоль кабеля. Это приводит к дополнительной модуляции сигнала (фактически его длительность многократно увеличивается). Действительно, задержка в кабеле длиной 1м составляет Длительность импульса на уровне 0,5 также равна » 10 нс; в результате сигналы накладываются друг на друга с задержкой 10 нс («слипаются»).