Table of Contents

بناء الاتصالات المقاومه للعلامات المختلفة

فالنظم الحديثة الاصطناعية تعمل في بيئات تكون فيها الضوضاء الكهربائية هي القاعدة وليس الاستثناء، إذ أن السائقين المتحركين والآلات الصناعية، واستبدال إمدادات الطاقة اللاسلكية، والمرسلين اللاسلكيين، كلها عوامل تؤدي إلى تدخل الكهرومغناطيسي يمكن أن يفسد مسارات البيانات المتسلسلة، وعندما تستخدم إشارة واحدة على مسافات متوسطة، فإن أي ضوضاء شائعة تلتقط على طول الكابل يبدو مباشرة خطأ في مستوى الإلغاء التقليدي.

وتوفر هذه المادة دليلا شاملا لتنفيذ الإشارة المتمايزة في المنتجات المدمجة، نبدأ بالفيزياء الأساسية، ثم ننتقل من خلال المبادلات العملية المتعلقة بالتصميم، واختيار المكونات، وقواعد تصميم المركبات، والتطبيقات في العالم الحقيقي، وسواء كنت تبني حافلة للتمثيل الآلي في المصنع، أو مجلس متعدد أجهزة الاستشعار لاقتناء البيانات، أو واجهة كاميرا عالية السرعة، أو فهم كيفية تصميم نزاهة الإشارة المتمايزة، فإن ذلك سيدفع أرباحا فورية في النظام.

كيف تفرق الإشارات

وترسل إشارة مختلفة إشارة إلى موصلين - كثيرا ما يُسمّون بـ " دال + " و " دال " ، ويقود جهاز الإرسال سلكا واحدا ذا فولت إيجابي بالمقارنة مع إشارة، بينما يقود السلك الثاني بفولط متساو ولكن معاكس، ويضع جهاز الاستقبال الفارق بين الموصلين ويتجاهل أي تضخم شائع في كلا الأمرين، وهذا الإلغاء للضجيج المشترك هو مفتاح لحصانة المميزة.

[FLT] [FLT]V[FL:]

وفي الممارسة العملية، يُصمم جهاز استقبال مع نسبة عالية من الرفض المشترك، وعادة 60 دي بي أو أكثر، وهذا يعني أن تغيير الفولطية المشتركة بين الفينة الواحدة قد يبدو مجرد خطأ واحد فقط من الفاتورة، كما أن العديد من المرسلين المتباينين يتيح أيضاً مجموعة من المجلدات المشتركة بين مختلف الطاقات (مثلاً، 7 V إلى +12 V بالنسبة للفوارق المحتملة القائمة على أساس RS-485).

مقارنةً بذلك إلى الإشارة الوحيدة التي تقاس فيها مضخة الإشارة على أرض محلية، وأي قفزة أرضية أو قطرة مُستقطبة أو ضوضاء مقترنة تضيف مباشرة إلى الإشارة، أما بالنسبة للكابلات الطويلة أو المحيط المزعج، فإن وصلات وحيدة غير قابلة للاستخدام بسرعة.

أهم الملاءمات على المفردات

حصانة الضباب

ونظراً لأن الضوضاء التي يُرفض فيها الأزواج على نحو متطابق إلى كلا السلكين، فإن الروابط المتمايزة يمكن أن تعمل في مواقع ذات ارتفاع مشع أو يجري فيها نظام EMI، مثل الأقراص المتغيرة أو داخل خليج محرك السيارات.() وعلى سبيل المثال، يُحسب سعر RS-485 لـ [FLT:]) وفولية تصل إلى 12 كيلو متراً مربعاً.

أطول فترة في السرعة العليا

ويحافظ الإشارات المختلفة على فتح العينين على مسافات أطول لأن تقلب الإشارة أصغر (منها 350 ملليغرام مقابل لاف دي إس) والتدفقات الحالية العائدة في السلك المقابل بدلا من المرور عبر مسار أرضي منفصل، مما يقلل من مساحة الحلقة والانبعاثات المشعّة، ويمكن أن تعمل معايير مثل نظام لافتات الأشعة بسرعة تتجاوز 1 غيبس على كابلات النحاس الملوّفة في الهواء الطلق.

انخفاض الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن عمليات إزالة الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن عمليات إزالة الانبعاثات الناجمة عن الانبعاثات الناجمة عن عمليات إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات الناجمة عن إزالة الانبعاثات

وتنتج أسلاك تحمل تيارات متساوية ومعاكسة ميادين مغناطيسية تلغي بعضها بعضاً إلى حد كبير، وتخفض هذه الممتلكات الذاتية الملغومة الإشعاع المتماثل الذي يسببه الأثار الوحيدة، وكثيراً ما يجد المصممون أن استخدام الأزواج المتمايزة لساعات عالية السرعة أو حافلات بيانات تساعد على تجاوز حدود انبعاثات غازات الاحتباس الحراري أو حرارة الكربون دون درع مفرط.

التقريب والخفض في مواقع الأرض

ولا يتطلب جهاز استقبال مختلف إشارة أرضية مشتركة مع جهاز الإرسال، فالمجموعة المشتركة بين الأجهزة تتيح عدة فولت من الفارق الممكن الأرضي بين العقدين، وهذا أمر لا يقدر بثمن في النظم التي تتسبب فيها إمدادات الطاقة المنفصلة أو الطوابق الطويلة في تحولات أرضية مثل بناء التشغيل الآلي أو الحافلات الصناعية.

اختيار المعيار المختلف الصحيح

وتوجد عدة معايير، وكل معيار يُستفحل بالسرعة أو المسافة أو القوة أو التكلفة، وأكثرها شيوعاً في التصميمات المدمجة هي:

  • RS — $485] — Balanced, half —-duplex or full — up to 50 Mbps, common —mode range −7 V to +12 V, differential output voltage 1.5 V typical. Ideal for multidrop sensor networks, modbus, and industrial functioning.
  • LVDS] (Low-Voltage Differential Signaling) — very low temp (350 mV typical) enables data rates up to several Gbps. Used in high-speed chain links (camera interfaces, backplanes, HDMI).
  • CAN ] (شبكة منطقة المراقبة) - حافلة مختلفة مع دول مهيمنة ومتعاضدة، قوية إلى أخطاء.
  • M‐LVDS] (Multipoint LVDS) - تمديد نظام LVDS لتوليفات الحافلات المتعددة الأطقم، المستخدمة في ATCA والطائرات العمودية من بعد.
  • Ethernet] (100BASEAN-TX, Giabit) - Uses differential signaling over twisted —pair with magnetics for isolation.
  • HDMI / DisplayPort] - Transition — Transition —minimized differential signaling (TMDS) for video and audio.

عند اختيار معيار، النظر في معدل البيانات، وعدد المعالم، وطول الكابلات، وميزانية الطاقة، والحصانة المطلوبة، مثلاً، 485 جهازاً من طراز RS-O-SoFT في مأزق، وطول المسافة، وشبكات منخفضة السرعة، في حين يفضل نظام LVDS على وصلات عالية السرعة داخل جهاز PCB أو كابلات قصيرة.

التنفيذ العملي لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور

ويتطلب تصميم زوجين متمايزين على لوحة الدوائر المطبوعة مراقبة دقيقة لتتبع الهندسة للحفاظ على اختراق ثابت للخصائص (100 درجة مئوية أو 120 درجة مئوية).

قياس الأرضيات الأرضية وضبط الاعتدال

ويعتمد التفضيل التفاضلي على الأسلاك التتبعية وسمك النحاس والفصل بين الأثرين، والبعد عن أقرب طائرة مرجعية (الطائرة الأرضية عادة) ويعرض العديد من صناع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور أكوام متحكمة في القوادة، ويستخدمون حاسباتهم أو أدواتهم المتنازعة مثل Polar Si8000 لتحديد الأبعاد المشتركة

(أ) أن تبقي أثري زوجين متمايزين على نفس الطول (الطول المماثل) للتقليل إلى أدنى حد من الكوك، ويحول السكيو إشارة مختلفة إلى طاقة مشتركة، ويهين نظام تقييم المخاطر قبل الترحيل، ويزيد من معدل سرعة الترميم، ويسمح معظم التصميمات العالية السرعة بما لا يزيد عن 5 رطل من السكاكين الداخلي، ويستخدم مسارات السائل على المقياس الأقصر لتحقيق التكافؤ في طول المدة.

استراتيجيات الإنهاء

أما مقاومو الإنهاء في جهاز الاستقبال )أو في كلا النهايتين( فيمتصون الأفكار ويمنعون الرنين، فبالنسبة للنقطة المتشابكة، يضعون مقاوما واحدا من ١٠٠ قذيفة عبر الدي + ودال - دبابات بالقرب من جهاز الاستقبال، أما بالنسبة للجهاز RS-485 المتعدد الأطوابع، فيضعون مقاومي الإنهاء في الطرفين البعيدين من الكابل، كل منهم يطابقون الاختراق الوسيط.

التجويف والعزل

ورغم أن الإشارة التفاضلية تقلل من الاعتماد على الأرض، فإن وجود طائرة أرضية منخفضة العيوب تحت الأثر لا يزال ضروريا، فهي توفر مسار عودة لتيارات موحدة وتدر الآثار من مصادر الضوضاء المتاخمة، وفي النظم التي تكون فيها الاختلافات المحتملة الأرضية كبيرة (مثلاً على الكابلات الطويلة أو بين المباني)، تستخدم العزلة المجردة (المنتجات الإلكترونية أو المصممات الرقمية) على خطوط البيانات(4).

الشوكات الشائعة

ويُعَدُّ الخنق المشترك في سلسلة من الأزواج المتباينة كبت الضوضاء ذات الترددات العامة المنخفضة دون التأثير على الإشارة المتمايزة، ويشمل العديد من عمليات RS-485 و(ب) عمليات التنفيذ خنقاً صغيراً من نوع الأسمدة (مثلاً 100 ميكروهرتز في 100 كيلوهرتز) في جانب الكابلات لزيادة خفض الانبعاثات، أما بالنسبة للترددات الدفترية، فإن الاختنامات المشتركة غير شائعة لأن ارتفاع أسعار الصنع.

Bias and Fail — Safe

وعندما تكون الحافلة معطلة (لا قيادة للمفاتيح)، فإن التفرق في الفول يقترب من الصفر، ويمكن أن يكون ناتج المستلم غير محدد، ومعظم المرسلين المتمايزين يميلون إلى التحيز في أمان، مما يرغم الناتج على دولة معروفة عندما يكون الفولط المتمايز أقل من عتبة (200 متر مربع) ويمكن أن يقاوم منطق السحب الخارجي ومقاومة السحب (805) ضمانة.

اعتبارات التصميم الخاصة بالأصناف والوصلات

وعندما تغادر الإشارات جهاز PCB، يصبح السلك جزءاً من خط النقل، ويستخدم دائماً الكابلات الملتوية للإشارات المتمايزة، ويكفل التويتنغ أن تكون الأسلاك معرضة لنفس الحقل الكهرومغناطيسي تقريباً، مما يزيد من الرفض المشترك بين مختلف الأنواع، وأن يكون المعدل الملتوي (عدد الملتوية لكل بوصة) مرتفعاً إلى ما لا يقل عن 5 لوتات لكل متر بالنسبة إلى المستوى المنخفض 85 روبية.

وعادة ما يكون إبطال الكابلات الملتوية 100 أرضية، أو 120 مترا، أو 150 ثانية، مما يجعل هذا الأمر مطابقا لاحتياجات جهاز النقل، وبالنسبة للكابلات الطويلة، يستخدم كابل مع موصلات نحاس صلبة، ويتوقف على انخفاض القدرة على الصيد (050 كيلو فولت أمتار) ويضيف إلى نظام الشحن الملتوي المزود ببطاقة خارجية يخفض الانقلابات المشتركة بين الدروع والأرض.

الموصلات: موصلات بين مختلف أجهزة الاتصال (مثل RJ45، D-Sub مع مهام محددة، أو موصلات دائرية) التي تحافظ على توازن الزوجين وتتجنب توجيه الأسلاك عبر طبقات مختلفة أو دبابيس فضائية واسعة النطاق، ويعين العديد من الموصلات الصناعية الدبابات المتاخمة لكل زوج من الاختلاف.

أمثلة على التطبيق

شبكات الاستشعار الصناعية

وفي مصنع ما، كثيرا ما تكون أجهزة الاستشعار (الزمنة، والاهتزاز، والضغط) مجهزة بأجهزة مزودة بأجهزة مزودة بأجهزة مزودة بمواد مزودة بمجسات، وتشمل كل جهاز استشعار جهازا من طراز STM32 أو ما شابه ذلك من أجهزة التصوير المقطعية، ومرسلا متنقلا من طراز RS -485، ومفتوحا من نوع واحد من أنواع الاختنا الثابتة.

آلة تصوير عالية السرعة

وتستخدم كاميرات الرؤية الماكنة نظام LVDS لنقل بيانات بيكسل في ⁇ 1 Gbps، وتربط الكاميرا بجهاز لاستقبال إطاري عن طريق كابل نموذجي للكاميرات (أربعة أزواج متمايزة بالإضافة إلى زوج الساعة) ويجب أن يحتفظ مخطط PCB على كلا الجانبين بـ 100 فارق وطول مطابقين في غضون بضع ثواني، وإلا فإن بيانات الصور ستكون لها أخطاء في النهاية.

السيارات يمكن أن تُطلق

كل سيارة حديثة تستخدم حافلة مختلفة من نوع (CANH و( CAN-L) لربط وحدات النقد الأوروبي والمجسات والمواقد، وتمر الحافلة ب500 كيلو متر فوق محرك ملتوي مع 120 ميلاً، ويحتوي كل وحدة من وحدات النقد الأوروبية على جهاز لاسلكي مستعمل مع خنق داخلي مشترك، بحيث يمكن للحافلة أن تتحمل البيئة الكهربائية القاسية لجهاز تجميع للمحركات.

الشلالات المشتركة وكيفية تجنبها

حلق بين العجلتين

(ب) تحول التقلبات المفرطة في طول المدة إشارات متمايزة إلى أرقام مشتركة، مما يقلل من الحصانة من الضوضاء وزيادة سرعة تشغيل نظام EMI.

الإنهاء غير الصحيح

إن الإنهاء المفقود أو غير المؤثر يسبب انعكاسات تشوه رسم العين وتؤدي إلى أخطاء في البيانات، ولنقطة نقطة من نقطة إلى نقطة معينة، فإن نظام الأشعة المقطعية يُضفي دائماً على مقاوم يضاهي الاختلال المتفاوت، وبالنسبة للمجموعات المتعددة من RS - 485، لا يُنهي العمل إلا في الطرفين المتطرفين للكابل؛ ولا في المقاطع الوسيطة.

Ground Loops via Shield

إن ربط الدرع الكابلي في كلا النهايتين يخلق حلقة أرضية يمكن أن تحمل تيارات واسعة النطاق من الاختلاف في الإمكانات الأرضية، وينبغي ربط الدرع بأرض الفوضوية في نهاية واحدة فقط نهاية عرض الطاقة، وإذا كان الكابل طويلاً، فإنه يعتبر وجود وصلة مقاومة للتصريف ثابتة دون أن يشكل حلقة من العاصمة.

الطلاب المفرطون

أما الحافلات فهي فرع قصير من الحافلة الرئيسية إلى عقد، ففي النظم المتباينة، تبدو الحواف غير مجهزة بالكميات التي تعكس الطاقة، أما بالنسبة للسفن التي تبلغ مساحتها 485 روبية فينبغي أن تكون أقصر من 0.3 متراً ب 250 كيلو متراً بل أقصر بسرعات أعلى، أما بالنسبة للأجهزة المزودة بأجهزة التليفزيون، فلا يسمح باستخدام أرقام مطولة.

الاختبار والتقييم

بعد التصميم، تحقق الصلة التفاضلية مع الاختبارات التالية:

  • Eye Diagram] - Use an oscilloscope with differential probes to measure the eye opening at the receiver. The column eye opening should be at least 200 mV for LVDS; horizontal opening should exceed 60% of the unit interval.
  • Common —Mode Rejection] – Inject known common-mode noise (e.g., from a function birth via a transformer) and measure the bit error rate. A well-designed link should tolerate 10 V — commonmode noise at low frequencies.
  • Time Domain Reflectometry (TDR)] - Measure the impedance profile along the couple to verify that the trace and cable impedance match the termination. A TDR can reveal stub lengths, opencircuit terminations, or excess capacitance from connectors.
  • EMI Scan] - وضع مسبار قريب من الحقل على الأزواج والكابل التفاضلية للتحقق من أن الانبعاثات المشععة تقع ضمن الحدود، مقارنة بنسخة واحدة من نفس معدل البيانات لرؤية التحسن.

خاتمة

والإشارات التفاضلية هي تقنية قوية يمكن للمهندسين الاعتماد عليها في بناء وصلات اتصال قوية ومقاومة للضوضاء، وبفهم الفيزياء الرفض المشترك وتطبيق مخططات دقيقة لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وإنهاء الخدمة، واختيار الكابلات، يمكن أن تحقق نقلاً موثوقاً به في البيئات التي تفشل فيها الإشارات الوحيدة، وتبدأ بمجموعة واضحة من المتطلبات، ومعدل البيانات، ودرجة أعلى من الاعتماد، ودرجة الضوضاءة بيئية، وما إلى ذلك.

وللاطلاع على مزيد من القراءة، يرجى الرجوع إلى مذكرات الطلبات المقدمة من كبار البائعين شبه الموصلين مثل أجهزة Analog ] و] أدوات تيكساس . وهذه الموارد تقدم أمثلة تفصيلية على التصميم ونماذج المحاكاة وقوائم مرجعية تستكمل المعلومات الواردة في هذه المادة.