GB T 11014-1989 平衡电压数字接口电路的电气特性.pdf

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1、中华人民共和国国家标准平衡电压数字接口电路的电气特性发布实施国家技术监督局发布中华人民共和国国家标准平衡电压数字接口电路的电气特性国家技术监督局批准实施主题内容与适用范围本标准规定了平衡电压数字接口电路的电气特性这种接口电路通常是以集成电路技术来实现的它可以用于数据终端设备与数据电路终接设备之间串行二进制信号的交换或数字设备之间串行二进制信号的任何点对点的互连本标准与建议和建议完全兼容接口电路包括一个发生器它通过平衡互连电缆连至由一个或多个接收器以及可选的终接电阻所组成的负载上电路的电气特性规定为从发生器和接收器元件上直接测得所要求的电压电流和电阻值平衡接口的接收器规格与中非平衡接口电路的接收

2、器规格在电气上是等同的提供了对互连电缆的最低性能要求对于专用的设置附录参考件中的给出了电缆长度平衡以及终接等参数的影响而限制数据信号速率的指南对平衡发生器和接口的负载部分所规定的参数是这样的它使平衡接口电路可以与所规定的非平衡接口电路相同的互连线路中使用例如平衡电路可以使用于数据和定时而非平衡电路可以用于低速控制作用本标准预期为要求使用平衡电压数字接口电路的应用而规定了完整的接口即协议定时及插针分配等的其他标准引用也可以预见在使用二进制信号交换的其他领域中应用本标准并未规定为接口互连设备的正常操作必不可少的其他特性象信号质量和定时等等引用标准非平衡电压数字接口电路的电气特性使用串行二进制数据交

3、换的数据终端设备和数据电路终接设备之间的通用插针和插针接口适用性本标准的内容可适用于设备之间的接口所使用的电路在这里信息是在直流基带电平上以二进制的形式传送的本标准将供使用这些电气特性的规范和专用的接口标准引用本标准适用性的典型应用示于图图平衡电压数字接口电路的应用数据终端设备数据电路终接设备接口发生器接口负载平衡接口电路远程通信信道平衡电压数字接口电路通常用于数据定时或控制电路在这些电路上的数据信号速率可达符合本标准电气特性的平衡电压数字接口设备并不需要工作在所规定的整个数据信号速率范围之内它们可以设计成工作在较窄的范围内来满足更为经济的特定应用特别是在较低数据信号速率的情况下尽管平衡接口预

4、定使用在较高的数据信号速率但在下列情况之一经常发生的场合通常也可以要求优先于非平衡接口电路使用它对于有效的非平衡工作互连电缆太长了互连电缆容易受到外部噪声源的影响并可以引起超过不需要的电压该电压是以电阻器代替发生器在电缆负载端的信号导线和电路公共点之间所测得的差动电压需要对于其他信号的干扰减至最小可能需要信号的反向例如正的传号变成负的传号可以通过反向电缆线对的办法得到虽然最大电缆长度的限制未加规定但是给出了留有余量工作距离作为信号速率函数的指南见附录参考件通常在设备的设计和安装能够保证噪音和地电位的数值在规定的容限之内的场合这些留有余量的数值可以大大超过在本标准中以为单位所表示的术语数据信号速

5、率是一个重要参数它可以不同于使用相同单位设备的传送速率数据信号速率用来定义其中是二个有效瞬变之间的最小间隔引自的定义在本标准所针对的二进制系统里当各自定义中所使用的单位间隔是最小间隔时以为单位的数据信号速率和以波特为单位的调制速率在数量上是相等的接口线负载上的数据信号速率与某些系统中设备的数据传送速率不同在这些系统里调制建立所需的单位时间间隔较短于一个信息位的持续时间例如在两相编码系统中数据信号速率是数据传送速率的两倍电气特性平衡电压数字接口电路示于图电路由三部分组成发生器平衡的互连电缆和负载负载由一个或多个接收器以及一个供选择的电缆终接电阻所构成发生器和接收器的电气特性是根据直接电气测量来规

6、定的而互连电缆则以其电气和物理特性来描述的发生器的特性发生器的电气特性是根据图图的测试举例和条的描述来规定的满足这些要求的发生器电路其结果形成一个低阻抗或更小的平衡电压源它产生一个范围内的差分电压加至互连电缆互连电缆两端所呈现的电压含义定义如下对应于二进制传号或断开状态发生器端相对于端为负对应于二进制空号或接通状态发生器的端相对于端为正图平衡数字接口电路可选择的电缆终接电阻器地电位差发生器接口点负载接口点发生器电路地负载电路地注多个接收器的物理连接未作规定开路测量图对应于任意一个二进制状态在发生器的两个输出端之间所测得的差分电压的幅值不大于在发生器的两个输出端与发生器电路地之间测行的电压和的幅

7、值也不大于检验终接测量图用两个的试验负载串接在发生器的输出端在发生器两个输出端测得的差分电压幅值应不小于或幅值的而不论那一个较大对于相反的二进制状态的极性应反向与幅度的差值应小于测试负载的中点和发生器电路地之间所测得的失调电压其幅值对应于任一二进制状态均应不超过在一个二进制状态下测得的失调电压与其相反的二进制状态下所测得的幅值差应小于短路测量图对应于任意一个二进制状态将发生器输出端与发生器电路地短接流经发生器输出端电流和的幅值不应超过切断电源测量图在切断电源条件下通过在发生器每一输出端与发生器地之间施加范围的电压发生器输出漏电流和的幅值不应超过图发生器参数测量输出信号波形图在发生器输出的交替二

8、进制状态等等跃变期间内在发生器输出端之间所跨接的测试负载两端所测得的电压在间应单向变化变化为单位间隔的或不论那一个较大此后信号电压相对于稳态值的变化应不大于的直至下一个二进制跃变发生且和的瞬时值在任何时候都不应超过也不应小于是发生器输出两个稳态值之间的电压差图发生器输出信号波形所用数据信号速率单位间隔的持续时间当时当时稳定状态的电压差负载特性负载由一个或多个接收器以及一个可选的电缆终接电阻所构成如图所示不具有可选的电缆终接和失效保护的单个接收器的电气特性是根据图图所示的测量方法和条中所描述的予以确定满足这些要求的电路最终归结为差分接收器它具有高输入阻抗小的门限值在之间跃变区并允许幅度不超过的内

9、部偏压对于特殊的应用在条所规定的限制范围内允许多个接收器和一个失效保护操作的设备在负载之中平衡电路负载中所使用的接收器在电气上与中非平衡接口所规定的相同输入电流电压的测量图电压或的范围在之间而或保持在接地其所产生的输入电流或应保持在图中曲线所示的阴影区域之内测量应在接收器供电源断开和接通两种情况下进行图接收器输入电流电压的测量输入灵敏度的测量图在输入共模电压为的整个范围内接收器正确呈现预定的二进制状态所要求的差分输入电压应不大于共模电压的定义为呈现在接收器输入端和相对于接收器电路地的两个电压的代数平均值的极性反转应使接收器呈现相反的二进制状态在差分输入信号电压的幅度为的范围内接收器应保持正确的

10、操作任一接收器输入端与接收器电路地之间出现的最大电压信号加共模幅度不应超过且不致引起接收器的操作失误此外接收器应能在其输入端施加最大差分信号的情况下工作注终接硬件的设计者应当意识到伴随噪声出现的慢信号跃变可能在接收的器件中引起不稳定或振荡的情况因此应采用适当的技术来加以防止例如可以在接收器内引入滞后技术来帮助防止这种情况图接收器输入灵敏度的测量输入平衡的测量图图接收器输入平衡的测量接收器输入电压电流特性和偏压的平衡度应当是当的差分电压经的电阻加至每个输入端如图所示且在之间变化时接收器应保持在预定的二进制状态当的极性反向时在相同的条件下接收器应保持在相反的二进制状态电缆终接电缆端接电阻是任选的它

11、取决于特定环境所使用的接口电路见条对总负载电阻的限制多个接收器驱动器具有提供最多个并联接收器所需直流信号的能力但是多个接收器的物理排列要考虑连接线段的长度失效保护网络终接电阻的配置数据速率以及接地等因素如果实现的方法不适当将可能降低负载的动态特性对于特定的应用其实际排列必须考虑上述特性但这已超出本标准的范围失效保护操作使用平衡电压数字接口电路电气特性的其他标准和规范可能要求使特定的互换电路对某些故障情况实现失效保护这些故障情况可以包括下列之一或多个发生器处于电源断开状态接收器没与发生器互连互连电缆开路互连电缆短路输入到负载上的信号在一段非正常的时间间隔与应用有关内仍保持在跃变区域内当特定的应用

12、要求检测上述故障情况之一或多个时在负载上需要有附加装置且下列项目必须决定并加以说明哪些交换电路要求故障检测什么样的故障必须检测当检测到一个故障时必须采取什么样的动作例如接收器必须呈现哪些二进制状态故障状态检测的方法与应用有关因此未作进一步的规定总的负载特性的容限包括多个接收器失效保护装置及电缆终接电阻在内的总负载电阻在其输入点图的和之间阻值应大于或者当电缆没有终接时阻值应大于且无需大于的差分输入电压就能使所有接收器呈现预定的二进制状态互连电缆的特性互连电缆的特性未作规定但是为了保证正确的操作应该使用金属导体的双绞电缆使用的任何互连电缆的性能应当保持特定应用所要求的必需的信号质量当系统认为必要进

13、可以使用屏蔽电缆见条本标准的附录参考件提供了有关性能及电缆长度与数据信号速率的指南环境的限制当下列工作上的约束同时得到满足时符合本标准的平衡电压数字接口电路能在数据信号速率高达时满意地工作根据附录参考件所示的实际应用数据信号速率和互连电缆长度在建议所要求的范围内并且电缆被适当地终接接收器的共模电压小于峰值共模电压是指发生器接收器的地电位差发生器的失调电压以及在接收器电路地与电缆发生器的末端电缆对地短路之间所测得的纵向耦合峰值噪声电压的任何非补偿组合电路保护平衡电压数字接口发生器和接收器组件在电源接通或断开的条件下根据本标准在下列情况下应不受损坏发生器开路平衡互连电缆两端短路所用的电气特性符合本

14、标准和的任何其他通路短路对地短路上述故障可以导致接口组件内的功耗接近常用的集成电路所能允许的最大功耗因此用户必须当心在单片集成电路中提供多个发生器或接收器的场合每个组件在同一时刻仅能容许一个这样的故障而不致发生损坏用户还应当心遵循本标准的发生器和接收器组件由于施加在其输入输出端和它们的电路地之间的寄生电压而损坏在由于疏忽而可能将互连电缆接至其他电路或可能暴露在严重电磁环境的好些应用场合防护可能是需要的此种防护不在本标准的范围之内可选择的接地排列信号地接口电路的正常操作无论是平衡非平衡或其两者的组合都要求在互连的每一端设备的电路地之间提供一条信号地的通路信号地的互换引线应连接至电路地或公共回路作

15、为特定应用的需要下列方法中的任何一种排列如图所示其电路地或公共回路应连接至保护地配置设备的电路地通过功耗为的电阻器且仅在一点接至保护地当特定的设备情况有需要时可采用辅助措施以短接线旁路电阻器并使信号地与保护地直接连接在一起配置电路地直接连至保护地在互连的两端无需使用相同的配置然而应当小心的实践以防止建立带有大电流的地线回路注在配置中当某个地线有故障的情况下大的地线电流可能引起电阻器损坏因此应该有便于检查和更换电阻器的措施图可选择的接地排列保护地或机架地电路地或电路公共回路信号地的互换引线电源系统的导线地屏蔽地若干接口的应用由于射频干扰或其他目的可能要求使用屏蔽的互连电缆当使用屏蔽电缆时按照特定

16、的应用在任何一端或同时在两端只将屏蔽体连接至机架地屏蔽的连接方法及其相关联的连接器并不属于本标准的范围附录应用指南参考件当互连的设备使用本标准所规定的接口电气特性时应当考虑由于互连电缆特性电缆终接电阻可选择的接地排列失效保护方法以及与使用其他电气特性接口互连等而可能会发生的若干问题互连电缆以下部分为条提供了更进一步的信息以及因电缆长度参数和终接电阻影响而使操作受制约的附加指导长度发生器和负载间距所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数并且受容许的信号失真纵向总的耦合噪声发生器和负载电路地之间所引起的地电位差以及除电缆平衡的影响增加发生器与负载接口点之间的物理间距和互连电缆长度将加大暴露之中的共

17、模噪声信号失真以及电缆不平衡的影响因此建议用户将电缆长度限制到最小以便与发生器负载物理间距的要求相适应电缆长度与数据信号速率之间的关系曲线示于图它可作为保守的指导加以使用该曲线是使用铜芯双绞电话电缆线间旁路电容为终接电阻负载基础上所得出的经验数据曲线所示电缆长度的限定是基于信号质量所要求的基本设想信号上升和下降的时间均等于或小于所应用之调制速率单位间隔的一半发生器与负载之间的最大电压损失为当数据信号速率较高时曲线的倾斜部分表示了假定的信号上升和下降时间要求而确定的电缆长度的极限当数据信号速率降低到以下时假定最大允许的信号损失为则电缆长度被限制为当发生器向时钟线提供对称信号时应当以时钟的周期而不

18、是时钟波形的单位间隔来决定最大的电缆长度例如虽然时钟频率是数据速率的两倍但所使用的最大电缆长度的限制却相同用户应当注意的是图所示的曲线并未计入电缆的不平衡或由于过长的电缆在发生器和负载间可能引入的超过规定限制的共模噪声另一方面当信号质量的降低在图的范围之内时将能确保小于单向间隔的零交叉过零模糊点于是许多应用能承受较大的定时和幅度失真因此相应地可以使用比那些已指明的更大的电缆长度实验亦已表明在大多数的实际情况下在数据信号速率较低时操作距离可以延伸至几千米图使用双绞电缆的平衡接口中的数据信号速率与电缆长度的关系曲线在图中曲线的范围内也可使用不同于双绞特性的电缆此时首先确定典型的电缆环阻和电容的绝对

19、值并从图形成所希望的电缆长度及其数据信号速率然后转换那些数值至实际使用电缆的等效长度例如当使用时较长的距离将是可能的而较短距离时将需要使用电缆所使用的电缆类型和长度必须能够保持特定应用所需要的信号质量此外电缆的平衡必须使发送和接收端均能保持可以接受的串扰电平电缆的终接双绞电缆的特性阻抗是频率线径和类型以及所使用的绝缘材料品种的函数例如普通的铜芯以及塑料双绝缘双绞电话电缆的特性阻抗对于的正弦波将为的数量级通常在较低速率以下或在电缆的负载端信号上升时间大于电缆单向传播时延四倍的任一速率情况下平衡接口电路的可靠操作对于电缆是否终接并不特别敏感在另外的速度和距离情况下当信号的反射可以忽略的场合用范围的

20、电阻器终接电缆对于保持上升时间是有帮助但是信号的幅度要有所损失在数据信号速率较低时零交叉模糊点和信号上升时间要求并不太严电缆可无需终接与其他接口的兼容正如本标准第章所述的那样符合要求的发生器和接收器与符合及建议发生器和接收器是兼容的平衡电压数字接口的电气特性允许用作在同一互连电缆的护套里使用平衡和非平衡见电路例如平衡的电路可用于数据和定时而非平衡的电路则可用于低速的控制功能由于和其基本的差分接收器在电气上是相同的因此如果恰当地配置接收器和发生器的连线来提供此种排列以及电缆也未加终接的话即在接口一侧使用接收器和发生器的设备与接口另一侧使用发生器和接收器的设备进行互连是可能的平衡接口电路并未试图与其他接口电气特性如建议以及建议建议进行相互操作在某些情况下与上述接口中的某些电路进行相互操作是可能的但在接口中或设备的内部需要修改因此满意的操作不能保证并且在这里也未规定可能需要的附加措施附加说明本标准由中华人民共和国铁道部提出本标准由铁道部铁道科学研究院通信信号研究所机械电子工业部标准化研究所负责起草本标准主要起草人朱成言黄家英吴亨伟宿根赵国香本标准等效采用美国电子工业协会标准平衡电压数字接口电路电气特性