Cosa e perché della risoluzione?

Sono nuovo nell'elettronica e non capisco cos'è la terminazione e perché è necessaria, soprattutto nelle comunicazioni digitali.

Grazie

Può essere, una spiegazione più meccanica aiuta a capire:

Immagina di avere una lunga corda, un'estremità fissata a un muro, l'altra presa da te. Con una breve corsa verso l'alto, puoi creare un'onda che viaggia lungo la corda:

(da http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physing1/node52.html )

Ora, perché è così? Immagina che la corda sia composta da molti piccoli pezzi, ognuno applica una forza alla successiva e quindi incontra una forza su se stesso dai suoi vicini. Concentriamoci sulle forze verticali e diciamo che la forza dipende linearmente dalla distanza verticale tra i pezzi. Ecco un diagramma che mostra le forze dei vicini e la somma di quei foreces (cioè direzione e forza dell'accelerazione). L'onda dovrebbe spostarsi da sinistra a destra:

Come puoi vedere, il pezzo n. 15 incontra una forza verso l'alto e quindi viene accelerato verso l'alto. Pezzo n. 14 incontra la stessa forza verso il basso, più una forza ascendente più grande dal pezzo n. 13 e così via.

Infine, i pezzi sul bordo posteriore (5, 6, 7) si stanno muovendo verso il basso, ma hanno accelerato verso l'alto, fino a quando non si fermano.

Cosa succede al muro?

Il pezzo 13 non può muoversi e, a causa della grande distanza verticale dalla particella n. 12, il n. 12 incontra una forza verso il basso molto forte. Viene punzonato verso il basso e, infine, si ottiene un'onda capovolta orizzontalmente che viaggia verso di te.

Cosa succede se la fune non è affatto fissa?

L'immagine della corda viene tagliata tra i pezzi 12 e 13. Per l'ultima cifra, ciò significa che nessun 12 incontra solo la forza verso l'alto. Infine, si solleverà più in alto del massimo dell'onda come la punta di una frusta e genererà un'onda nuova, non capovolta, che viaggia all'indietro sulla corda.

Cosa succede se il tuo amico detiene la seconda estremità?

Bene, di solito l'onda viene semplicemente assorbita dal tuo amico, come se la corda continuasse dietro di lui. Questo perché non tiene l'estremità fissa come il muro, ma non è così libera come se non ci fosse nulla.

Si noti che la velocità dell'onda dipende dal suo peso e dalla tensione. Questo perché la tensione è l'origine delle forze qui descritte.

Cosa c'entra con l'elettronica?

Infine, la propagazione del segnale è simile alla propagazione dell'onda sulla corda. Se si cortocircuita la fine della linea del segnale a GND, la si mantiene su un potenziale fisso, come il muro, e il bordo di un segnale verrà riflesso con un diverso segno di ampiezza. Se l'estremità non è collegata a nulla, i bordi del segnale verranno riflessi con lo stesso segno di ampiezza. Puoi prevenire la riflessione collegando il segnale a GND tramite un resistore, come il tuo amico. È chiaro che una resistenza troppo elevata è come una linea di segnale aperta e una resistenza troppo bassa è come una cortocircuito verso GND, quindi è necessario abbinare la resistenza al valore esatto in cui assorbe il segnale.

Infine, esci e prova queste cose con la corda. Può essere, puoi chiedere al tuo amico di tenere la corda più stretta o allentata come al solito, ma naturalmente le persone tendono ad abbinare abbastanza bene l'impedenza della corda.

MODIFICARE:

L'ho cercato ieri, ma non l'ho trovato. Ecco le immagini dell'oscilloscopio da un ambito direttamente collegato a un generatore di impulsi più un cavo lungo, rubato da https://hohlerde.org/rauch/elektronik/kleines/kabelradar/index.de.html :

Cortocircuito all'estremità del cavo, si ottiene un riflesso capovolto:

Per un cavo aperto, ottieni una riflessione verticale:

Con la terminazione corretta, non c'è riflessione. Tuttavia, la terminazione è un po 'troppo forte, poiché si vede ancora un leggero calo verso il basso.

A proposito, il riflesso arriva dopo circa 20 ns, quindi 10 ns per direzione. Alla velocità della luce del 75%, ciò si traduce in una lunghezza del cavo di circa 2,2 m.

EDIT2:

Mi sono divertito a scrivere una simulazione. Come sopra, la corda è divisa in più pezzi e la forza verticale su ciascun pezzo è determinata dalla sua distanza verticale dai suoi vicini diretti. Ecco qui:

Ecco cosa finalmente mi ha aiutato a capire la terminazione e le riflessioni: supponiamo di avere un cavo coassiale davvero lungo, con l'estremità in cortocircuito insieme. Se lo attraversi, quale sarà la tensione?

Poiché il cavo è in cortocircuito all'estremità lontana, ti aspetteresti che la tensione rimanga vicino a 0. Ma l'estremità lontana è molto lontana: se la tensione fosse immediatamente pari a 0 volt, comunicheremmo più velocemente della luce! Invece, il segnale deve propagarsi lungo il cavo verso il corto, quindi di nuovo verso l'estremità vicina, prima di vedere il corto sulla nostra estremità. Questo è ciò che è una riflessione.

Che aspetto ha il segnale prima che arrivi il riflesso? Bene, il cavo ha una resistenza diversa da zero e una capacità diversa da zero - elettricamente, è come una lunga sequenza di induttori in serie e condensatori di shunt - e questo lo farà caricare dalla nostra sorgente attuale mentre il segnale si propaga. Elettricamente, questa sembra una resistenza - questa è chiamata impedenza caratteristica. Un pezzo infinitamente lungo di cavo coassiale da 50 ohm sembrerebbe esattamente come un resistore da 50 ohm, elettricamente. Una più corta sembra una resistenza da 50 ohm durante il periodo in cui il segnale si sta propagando lungo il cavo.

Nel nostro scenario immaginario, quindi, applicando la corrente a un cavo lungo con un corto all'estremità, la forma d'onda della tensione apparirà come un picco breve (con tensione uguale alla corrente * caratteristica_impedenza) seguita da un ritorno a (vicino) a 0 volt. Se l'altra estremità del cavo fosse un circuito aperto, sembrerebbe invece un picco breve seguito da una tensione più elevata (determinata dalla tensione massima della nostra sorgente corrente).

Supponiamo di non volere alcun riflesso. Se terminiamo il coassiale con un resistore che ha lo stesso valore dell'impedenza caratteristica del cavo, siamo ordinati! Il coassiale assomiglia a un resistore da 50 ohm mentre il segnale si sta propagando, e sembra ancora un resistore da 50 ohm una volta terminata la propagazione, perché ne abbiamo collegato uno attraverso l'estremità opposta. Questa è la risoluzione.

La terminazione è necessaria quando si lavora con linee di trasmissione e segnali (relativamente) ad alta frequenza. I segnali che viaggiano lungo le linee di trasmissione in realtà viaggiano come un'onda elettromagnetica e questa onda può essere riflessa da eventuali discontinuità nella linea a causa di cambiamenti nell'impedenza. Questo effetto esatto è ciò che fa riflettere la luce da una pozza d'acqua o da un pezzo di vetro. La terminazione si riferisce all'aggiunta di una resistenza alla fine di una linea di trasmissione per assorbire il segnale che viaggia lungo la linea e prevenire i riflessi. La resistenza di terminazione deve essere adattata all'impedenza di linea in modo da non creare discontinuità e le conseguenti riflessioni.

Ciò è estremamente importante nei sistemi digitali ad alta velocità poiché queste riflessioni possono causare interferenze intersimboliche che provocano errori di bit. Per inciso, Intel ha riscontrato questo problema aumentando la velocità delle loro CPU. Sono stati costretti ad assumere un gran numero di ingegneri RF per riprogettare le loro schede madri per funzionare correttamente ad alta velocità.

Per la maggior parte delle applicazioni RF, le linee di trasmissione sono generalmente terminate con una resistenza a terra. Tuttavia, nelle applicazioni digitali, a volte è utile interrompere la linea in un paio di modi diversi. Per alcuni bus, viene utilizzata una tensione di terminazione di 1/2 Vcc in modo tale che le forze di azionamento richieste sia per il pull-up che per il pull-down siano simmetriche, con conseguenti migliori prestazioni. Questo è comune per i bus di memoria ad alta velocità inclusi DDR2 e DDR3. Per le linee differenziali, uno stile di terminazione comune è un resistore che collega direttamente i due conduttori anziché i singoli resistori a terra.

I segnali CA che viaggiano lungo un filo vengono riflessi alle sue estremità. Questo segnale riflesso si mescola al segnale "reale" e provoca interferenze. La terminazione di solito significa mettere un resistore alla fine; questo fa sì che la fine della linea si comporti come una lunghezza infinita di filo (senza fine, quindi nessuna riflessione).

Il valore del resistore dipende dall'impedenza della linea . Questo è il motivo per cui esiste un valore di resistenza di terminazione specifico che deve essere utilizzato per un tipo specifico di linea o bus.