基于光耦的三线串行通信接口电路性能提升的研究

王戬，聂浩，杨明明

（北京空间机电研究所 北京 100094）

基于光耦的三线串行通信接口电路性能提升的研究

王戬，聂浩，杨明明

（北京空间机电研究所 北京 100094）

介绍了一种目前常用的基于光耦隔离的三线串行通信接口电路的设计方法，通过电路设计原理和实测数据分析了此种串行接口电路在传输速率提升后通信异常的原因，提出了几种高速光耦隔离电路信号传输错误的解决措施，设计了专项试验电路验证了这些方法的有效性和工程可行性。最后，给出了基于高速光耦隔离的三线串行通信接口电路设计实施方案的合理化建议。

高速光耦；串行接口；性能提升；长线传输；阻抗匹配

为了减少设备间的互相干扰，信号隔离传输技术广泛应用于工业网络环境的现场总线、军用电子系统和航空航天电子设备中，尤其是一些应用环境比较恶劣和可靠性要求较高的场合。常用的隔离方式有光耦隔离、磁耦隔离、继电器隔离和变压器隔离等等，由于光耦隔离与其它隔离方式相比，具有体积小、种类多、使用灵活、价格低廉等优点，在信号隔离传输技术中被广泛应用［1］。光耦隔离技术，实现了电路间的光电隔离，既使输入信号能有效传递，又能防止输出信号反馈到输入端，有效地抑制了各种电路噪声的干扰［2］，但在进行距离较远、速度较高的信号传输场合使用时，由于信号的线间串扰、传输线的阻抗匹配、器件的容性效应和光耦自身的工作特点等多方面的原因，信号传输的误码率大幅提高，可靠性严重下降。因此，针对信号全链路的传输特性进行分析，寻找有效手段提高基于光耦的串行接口电路的性能，非常具有工程应用价值。

1 基于光耦的串行接口电路与测试

三线串行通信接口是指用于通信的信号线有3种，分别是门控信号、时钟信号和数据信号，在门控信号的有效期间内，信号的上升沿用于数据的跳变，信号的下降沿对准数据中心，用于数据的读取，常用的三线串行通信接口电路的时序如图1所示。由于有门控信号的使能控制以及同源时钟的沿读取数据特性，三线串行接口电路相对于RS232串行接口电路的传输速率和抗干扰性都大大提高，因此，三线串行接口电路在航空、航天等有高可靠性要求的通信场合应用十分广泛。

图1 三线串行通信接口电路时序图Fig.1 Timing of three-line serial communication interface circuit

基于光耦的三线串行通信接口电路是指电路中每种信号的硬件接收接口器件为光耦，门控、时钟和数据信号比较典型的接口电路均如图2所示，发送端5.5 V电源VCC1通过防倒灌二极管D0和限流电阻R2驱动光耦前端的发光元件，发光元件的回线端与三极管Q1的集电极相连，信号通过控制三级管的打开与关断实现信号的传输。这种接口的三线电路在电缆长度较短、通信频率较低的条件下能够很好地工作，设备间信号隔离传输的效果也较好，但是当传输线长度达到4米，通信频率为1 MHz甚至更高时，误码率则明显增高，甚至无法正常通信。此时，使用示波器同时监测三线串行接口电路时钟和数据信号在三极管集电极处以及光耦后端输出的波形如图3所示，其中C1通道为数据信号在三极管集电极处测得的波形，C2通道为时钟信号在三极管集电极处测得的波形，C3通道为数据信号在光耦输出端VOdata测得的波形，C4通道为时钟信号在光耦输出端VOclk测得的波形。由于门控信号在整个信号传输期间为低电平，相对信号传输速率较低，信号质量较好，对其他信号产生的动态干扰也小，故此信号在实测波形图中不作特别分析。

图2 典型的基于光耦的串行接口电路Fig.2 Typical serial interface circuit based on optocoupler

图3 典型的光耦串行接口电路实测波形Fig.3 Measured waveform of typical serial interface circuit based on optocoupler

2 通信异常与问题产生机理分析

从图3所示的实测波形可以看出，时钟信号和数据信号经过光耦以后占空比发生了较大的变化，如C4和C3，时钟信号的下降沿已不能对准数据的中心，几乎和数据的跳变沿对齐，按照图1所示的接口时序，数据读取必然会有时正确有时错误，从而导致误码率增加，严重时无法正常通信。另外，从图3中可以看出三极管集电极处所测得的时钟和数据信号高电平状态无法达到正常值水平，信号爬升缓慢，信号受到噪声的扰动现象也有明显体现。

导致信号高电平无法达到正常水平，信号爬升缓慢、信号输出占空比发生较大变化的原因主要有以下几个方面:其一是图2中所示的三极管作为开关管工作在饱和区，由于电路参数调整不当，三极管进入深度饱和状态，深度饱和的三极管将会大大影响它的开关速率［3］。因为三极管是由PN结构成的，有一定的容性效应，当深度饱和发生后这种容性效应更加明显，由于深度饱和时Icmax＜＜βIb，三极管BE极寄生电容由于没有低阻泄放通路，寄生电容的充放电时间变长，其带来的充放电时延就会导致三极管的关断时间Toff明显变长，信号高电平上升缓慢，在其还未达到正常值水平时，三极管导通动作已开始，因此，在通信速率较高时要绝对避免三极管工作在深度饱和状态。其二是信号经过4米长线缆传输，电缆的容性效应已经不能忽略，尤其是接地措施处理不当的屏蔽电缆容性效应更加明显，即使前端的三极管能够及时关断，但由于传输线寄生电容产生的容性效应在整个通信链路中没有低阻泄放通路，将继续维持光耦导通，从而引起高电平爬升缓慢，最终光耦后端信号占空比发生较大变化。占空比发生较大变化的另一个原因是光耦的负载特性使光耦输出信号的沿特性发生明显改变，根据实验结果分析如果R2一定的前提下，R7越大信号上升沿宽度tr越大，趋势越缓；如果电路R7减小则变化趋势相反，即信号上升沿宽度tr减小［4］，由此可见，提高通信速率有效的方法之一是尽可能地减小R7的阻值。

另外，图3中时钟信号下降沿来临时，数据信号受到明显的扰动，主要是三极管导通时，速率较快的时钟信号瞬间对地形成低阻通路，使高电平到低电平跳变的变化非常快，跳变沿较为陡峭，瞬变的电流在4米长电缆中由于电磁感应，使时钟信号的变化耦合到数据信号中，产生了信号通道之间的串扰。在电缆长度较长又没有采取有效屏蔽和减小信号耦合措施的电路中，如果通道间串扰产生的噪声信号达到光耦的响应阈值范围，也会产生信号传输错误。

从测试信号波形存在的毛刺也可以看出信号传输链路存在阻抗失配问题。阻抗匹配不好会造成信号干扰，如驻波、过冲、振铃等现象，严重时还会引发误动作［5］，而且当脉冲速度越快时干扰信号就越多、越容易出错。所以阻抗失配时，不仅不能获得最大的传输效率，一旦干扰信号达到了光耦的阈值响应范围，信号传输就会产生错误，严重时还可能会对电路产生损害。

3 解决措施

通过信号传输错误产生的机理分析，提高接口电路性能的解决措施主要围绕以下几个方面进行，首先是避免三极管工作在深度饱和区，为三极管的基极和地之间提供低阻泄放通路；使用非屏蔽双绞电缆将信号的高线和回线双绞，尽量减小双线之间的绞距，使信号对相邻信号的线间串扰尽量减小；设计阻抗匹配网络，为链路中的容性效应提供低阻泄放通路，同时通过源端和负载端的阻抗匹配提高信号传输质量；适当平滑信号的跳变沿，使其电流变化率减小；在满足器件和系统使用要求的前提下，尽量减小光耦后端负载电阻的大小，使信号上升沿时间延迟减小，尽量保证与信号源端一致的占空比，确保信号传输时序要求。

1）三极管解决深度饱和的方法

三极管饱和越深，其工作速度越慢，要提高电路的工作速度，就必须设法使三极管工作在浅饱和状态，目前三极管的抗饱和电路主要有两种，一种是在NPN三极管的基极和地之间并入一个分压电阻，在保证三极管基极电流的同时，又能为极间寄生电容提供低阻泄放通路。另一种是在基极与三极管集电极之间并入肖特基二极管，利用肖特基势垒二极管的箝位方法来达到抗饱和的效果，其实现原理是利用肖特基势垒二极管的管压降较低的特点，使二极管的管压降加上三极管CE端的饱和压降与三极管BE端的饱和压降基本相符，若三极管进入饱和状态，再加大Ib电流，大部分电流就会经三极管CE端流入GND，进而使得三极管不会进入深度饱和状态，但此种方法对三极管BE间寄生电容的泄放效果并不明显，因此建议采用第一种方案。

2）阻抗匹配

阻抗匹配的原则有两个：一是消除信号源（或电源）与负载之间的反射波，保证传输信号的传输质量，这种阻抗匹配称为无反射匹配；二是使电源（或信号源）输出最大功率，这种阻抗匹配称为最大输出功率匹配。信号源与负载阻抗匹配可实现无反射匹配，共轭匹配可用于功率最大匹配，如果阻抗为纯电阻，则上述两种匹配原则是一样的［6］。实现电路阻抗匹配的办法是进行阻抗变换，阻抗变换方法有多种，如变压器，电容或电感分压，传输线阻抗变换或采用倒L形、π形、T形阻抗变换网络等等［7］，比较简单易行的主要有串联终端匹配和并联终端匹配方法。串联终端匹配是在信号源端阻抗低于传输线特征阻抗的条件下，在信号的源端和传输线之间串接一个电阻，使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，抑制从负载端反射回来的信号发生再次反射。并联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗很小的情况下，通过增加并联电阻使负载端输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配，达到消除负载端反射的目的。本文所需要解决的问题主要是通过阻抗匹配网络实现无反射匹配。

3）电缆选择

经常使用的信号传输线主要有单线、双绞线、带状平行电缆、同轴电缆和双绞屏蔽电缆等。传输线的特性参数有很多，与传输线的反射干扰有关的参数主要有延迟时间和波阻抗。一般说来，单线的信号延迟时间最短，同轴电缆较长，双绞线居中。波阻抗为单线最高，约为数百欧，双绞线的波阻抗一般在100～200 Ω之间，且绞花越短，波阻抗越低［8］。从抗干扰的角度讲，同轴电缆最好，双绞线次之，而带状电缆和单线最差。因此，综合考虑选择非屏蔽双绞线，适当减小双绞线的绞距，将获得很好的信号质量提升。

4 改进电路设计与试验验证

改进后光耦串行接口电路如图4所示，通过计算与试验验证，三极管前端分别选择820 Ω和200 Ω的电阻网络实现三极管基极限流与极间对地低阻泄放通路，在发送设备端串联10 Ω、并联1 kΩ的电阻网络进行源端阻抗匹配，在接收设备的光耦前端串联150 Ω电阻、并联510 Ω和100 pF电容形成倒L形阻抗匹配网络进行负载端阻抗匹配［9］，在光耦后端并联510 Ω的电阻，提高光耦输出信号的沿特性，使用非屏蔽双绞电缆进行信号传输，整个链路的信号传输波形质量将达到最佳匹配状态。图5是改进后的光耦串行接口电路实测波形，其中C1通道为时钟信号在三极管集电极处测得的波形，C2通道为时钟信号在在光耦输出端VOclk测得的波形，C3通道为数据信号在三极管集电极处测得的波形［10］，C4通道为数据信号在光耦输出端［11］VOdata测得的波形。从图中可以看出，从发送设备到接收设备经过4米长的传输电缆，信号传输的沿跟随特性依然很好，信号传输质量很高。

图4 改进后的光耦串行接口电路Fig.4 Improved serial interface circuit based on optocoupler

图5 改进后的光耦串行接口电路实测波形Fig.5 Measured waveform of improved serial interface circuit based on optocoupler

5 结束语

综上所述，综合采用三极管抗饱和电路提高三极管的开关速度、采用非屏蔽双绞线并尽量减小绞距来减少信号传输的线间串扰、进行信号传输源端与负载端阻抗匹配［12］、适当增大高速光耦的输出端负载等方法，可以有效提高基于光耦的三线串行接口电路的传输速度，降低信号传输误码率，试验测试数据也表明了上述方法的有效性和可行性，但设计人员还应充分考虑在实际应用中各种不同因素的影响，结合电路系统的特点，综合采用合适的抗干扰措施，才能保证信号传输准确、可靠。

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Study on the three-line serial communication interface circuit performance improvement based on the optocoupler

WANG Jian，NIE Hao，YANG Ming-ming
（Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity，Beijing 100094，China）

A common design method of three-line serial communication interface circuit based on optocoupler is introduced in this paper.Circuit design principle and experiment data are analyzed to illuminate the reason of communication error when the transmission rate is increased.In order to resolve transmission error of serial interface circuit based on high-speed optocoupler，several methods are also proposed in the paper.The effectivity and engineering feasibility of these methods are proved by a special experiment.Finally，some valuable suggestions to design three-line serial communication circuit based on high-speed optocoupler are put forward.

high-speed optocoupler；serial interface；performance improvement；long-distance transmission；impedance matching

TN709

A

1674－6236（2016）04-0117-03

2015-04-03 稿件编号：201504031

王 戬（1979—），男，辽宁绥中人，硕士，工程师。研究方向：光学遥感器电子学总体设计。