GB T 12166-1990 非平衡电压数字接口电路电气特性.pdf

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1、中华人民共和国国家标准非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非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非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相兼容接口电路包括一个发生器它通过互连电缆连至由一个或几个接收器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对为了减少非平衡电路对邻近电路的近端串扰而普遍需要的信号波形的整形

2、要求也作了描述非平衡接口接收器规范与中平衡接口接收器规范在电气上是等同的提供了对互连电缆的最低性能要求在附录参考件中给出了电缆长度和近端串扰的产生等参数的影响而限制数据信号速率的指南非平衡发生器和接口的负载部分所规定的参数是它使非平衡接口电路可以与所规定的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此外在某些情况下也可能与其他数字接口标准例如的发生器和接收器进行互连操作本标准预期为要求使用非平衡电压数字接口电路的应用规定了完整的接口即协议定时插针分配等的其他标准引用也可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

3、操作所不可缺少的其他基本特性例如信号质量和定时等等当本标准被其他标准或规范引用时应当注意某些选择是适合的需要引用的那些标准和规范的制定者必须确定并详细说明应用场合所要求的那些可选的特性引用标准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的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非平衡电压数字接口电路的应用非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

4、电气特性的非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非平衡接口较平衡接口预定使用在较低的数据信号速率但在下列情况经常发生的场合其通用的方法不予推荐对于有效的非平衡工作互连电缆太长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虽然最大电缆长度的限制未加规定但是给出了关于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声和地电位

5、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小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非平衡电压数字接口电路示于图电路由三部分组成发生器互连电缆和负载负载包含

6、有一个或多个接收器发生器和接收器的电气特性是按照直接电气测量来规定的而互连电缆则以其电气和物理特性来描述的图非平衡数字接口电路发生器接口负载接口负载电路地发生器电路地地电位差发生器的特性发生器的电气特性包括波形整形的规定是根据图图的测试例举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非平衡电压源它产生一个范围内的电压加至互连电缆互连电缆两端所呈现的电压含义规定如下对应于二进制标志或断开状态发生器端相对于端为负对应于二进制间隔或接通状态发生器端相对于端为正开路测量图对应于任意一个二进制状态在发生器输出端与发生器电路地之间所测得的电压幅值不小于也不大于对应于相反的二进制状

7、态的极性应该反向检验终接测量图对应于任意一个二进制状态在发生器的输出端与发生器电路地之间跨接的测试负载并在此两端间所测得的电压幅值应不小于幅值的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的幅值不应超过切断电源测量图在此情况下通过在发生器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进制状态等等的跃变期间内在发生器输出端和发生器电路地之间所跨接的测试负载两端测得的电压在间应单向变化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或的瞬时值在任何时候都不应超过也不应小于

8、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波形整形图发生器输出信号的波形整形是用来控制在互连之中耦合至相邻电路上的干扰近端串音电平上升时间一般应加以控制用来保证当使用最大信号速率时信号在之间的过渡时间不超过单位间隔的速率低于时可达信号上升时间与电缆距离以及数据信号速率之间的相互关系在中给出对于一个信号速率业已确定的特殊应用场合最大的上升时间应由信号速率曲线来决定应该选定最小的上升时间利用选定的上升时间最大的操作电缆长度就能由电缆长度曲线来加以确定对于一个固定的上升时间来说比由图所决定的更短的任一电缆长度或信号速率均可使用提供波形整形的方法不予标准化然而所要求的波形整形可用许多方法来

9、完成典型的是使用上升时间为线性的形式直线上升此外指数上升时间也可以使用特别是在较低的数据信号速率的情况下见附录参考件在发生器传送对称信号到时钟线的场合应使用时钟周期而不是时钟波形的单位间隔来确定最大电缆长度例如虽然时钟速率是数据速率的两倍但仍可使用相同的最大电缆长度限制图信号波形整形要求图中合适的单位间隔持续时间当时当时负载特性负载由一个或多个接收器组成如图所示不具有失效保护的单个接收器的电气特性是根据图所示的测量方法和条的描述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输入门限在之间跃变区并允许幅度不超过的内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

10、失效保护工作的设备在负载之中非平衡电路负载上所使用的接收器在电气上与中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

11、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器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图接收器输入平衡的测量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

12、短接线的长度失效保护网络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的特性但这已超出本标准的范围参见条关于总负载电阻的容限失效保护操作使用非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接口电路要求故障检测什么样的故障必须检测

13、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种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和失效保护装置在内的总负载电阻在其输入点图的和之间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金属互连电缆的特性未作规定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时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信号回路每个传输方向使用单独的信号回路每条信号回路只在发生器接口点的端与电路地接通以使地电位差和纵向耦合噪声的影响减至最小有关信号

14、回路的互连按照特定的接口应用将有许多种可能的线路配置图展示了可供使用的两种配置实例描述如下配置每个接收器的引出端通过单独的互连线返回至发生器电路地在这些线路配置中接收器的和引出端均连至接口处接收器也有与平衡操作的能力配置设备里的全部接收器的端与单个信号回路连接该信号回路仅仅在设备里才连接至发生器电路地同样另一条信号回路是用来将设备里接收器的端与设备里的非平衡发生器的发生器电路地互连图所示的和与以及交换点并未打算有与接口连接器或有关的插针相连接的含义此外配置里接收器引线端与单个信号回路的连接根据特定应用的规定既可以在内部也可以在外部与设备连接图信号回路互连的例举环境的限制当下列工作上的限制同时得

15、到满足时符合本标准的非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波形其互连电缆长度在建议所要求的范围内接收器的共模电压小于峰值共模电压是指发生器接收器地电位差接收器电路地和电缆发生器的电缆末端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负载接口点上信号导线和公共回路之间的总峰值噪声发送器接口点以的电阻器替换发送器以用整形网络如果使用的话时应小于所期望的接收信号幅度减去电路保护非平衡电压数字接口发生器和接收器组件无论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在发生器或负载的接口点上信号导线和信号回路之间短路所

16、用的电气特性符合本标准和平衡接口的任何其他引线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组件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发生器和接收器的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那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

17、引线应连接至电路地或公共回路作为特定应用的需要下列方法中的任何一种接法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面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情况时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互连电缆

18、当使用屏蔽电缆时按照特定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任何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长度近端串扰的产生可选择的接地排列多个接收器的使用失效保护操作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工作的限制非平衡电压数字接口的最大工作距离主要是设备互连中耦合至邻近电路干扰近端串扰总和的函数另外非平衡电路对由于负载接口点处信号线与信号地回路之间任何非平衡而引起的差分噪声十分敏感发生器与负载接口点之间物理距离和互连电缆长度的增加将加大暴露之中的共模噪声和总的近

19、端串扰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数据信号速率及电缆长度与信号上升时间的关系曲线示于图这些曲线是针对双绞铜芯电话电缆其线间电容为信号源内阻为电压为峰峰值以及考虑有峰值的最大近端串扰等条件根据计算和经验数据而得出的横坐标是来自发生器的信号由至的上升时间曲线既有线性上升时间也有指数上升时间按照电缆长度所对应的左边坐标刻度的读数其所关联的最大信号速率能够确定因此对于任一特定的上升时间值其最大的信号速率和电缆长度均能决定例如的线性上升时间其最大的电缆长度为而最大的数据信号速率为并能在上述条件下保证近端串扰不超过峰值在设计任何一个设备时在确定可以使用的最大信号速率

20、和电缆长度方面还必须考虑元件的容差图中的曲线并未计入来自其他信号源耦合至电路上的共模噪声在任何信号质量的下降将会影响性能之前近端串扰的效果是影响电缆长度的范围在这些情况下将得到小于的零交叉过零模糊点也能使用不同于双绞特性的电缆但是用户应当确定串扰将保持在小于推荐值所使用的电缆类型和长度必须能够维持特殊应用所必需的信号质量要求在使用双绞电缆和非平衡电路以及双线用作两个不同接口电路的场合两线中的信息流应为相同方向图数据信号速率或电缆长度与上升时间的关系曲线与其他接口的兼容正如本标准的第章中所述的那样符合要求的发生器和接收器与符合及建议的接收器和发生器是兼容的非平衡电压数字接口的电气特性允许用作在同

21、一互连电缆护套内同时使用平衡见和非平衡电路例如平衡电路可以用作数据和定时而非平衡电路则可用作低速的控制功能因为和的基本差分接收器在电气上是相同的所以如果适当地配置发生器和接收器的引线来提供这种排列的话即在接口一侧使用发生器和接收器的设备与接口另一侧使用发生器和接收器的设备互连是可能的非平衡接口电路与接口电路相互操作也是可能的波形形成正如在条所讨论过的那样波形形成必须受控制以限制耦合至邻近的近端串扰具有代表性的是作为实现集成电路技术的大多数应用使用速率转换控制可以得到线性的波形形成在其他的应用中特别是在低调制速率其上升时间为或更长的场合利用的波形形成可以实现指数的上升时间附加说明本标准由中华人民共和国机械电子工业部提出本标准由机械电子工业部四所铁道部铁道科学研究院通信信号所负责起草本标准主要起草人黄家英朱成言杜明钰刘秋菊潘德芳本标准等效采用美国电子工业协会标准非平衡电压数字接口电路电气特性