1差分信號傳輸

 

CAN、RS-485接口采用的是差分信號傳輸方式。差分信號傳輸是一種使用兩個互補電信號進行信息傳遞的方法。以高速CAN為例，不同的邏輯狀態通過CANH、CANL兩根信號線進行傳輸，接收電路只對兩根信號線的信號差值進行識別。理想狀態下，CAN總線的波形如圖1所示。

 

圖1

 

干擾信號一般以共模的形式存在，當總線受到干擾時，兩根總線會同時受影響，但其差分電壓并不會受影響，如圖2所示。相對于單端信號傳輸方式來說，差分信號傳輸方式具有更好的抗干擾能力。

 

圖2

 

當然，采用了差分傳輸方式也并不可以高枕無憂。CAN、RS-485總線經常用于遠距離通信，線纜長度的增加，各種干擾通過線纜耦合到總線上，極大地增加了外界對總線通信干擾的概率，如果線纜選用及使用不當，極有可能造成通信異常。對于CAN、RS-485等總線應用，一般我們會推薦使用雙絞線。

 

2噪聲的耦合機理

 

要了解雙絞線的優點，需要先理解干擾是如何影響到有用信號的。干擾（噪聲）一般通過耦合的方式對系統進行影響，常見的耦合機制有4種，分別是傳導耦合、電容耦合、電感（感應）耦合以及輻射耦合。

 

干擾源與受干擾電路具有電氣連接，如共地，干擾源的電流流動使公共部分形成電流并產生干擾電壓，從而對受干擾電路的信號造成影響，這種方式為傳導耦合。圖3為傳導耦合示意圖，Es是信號源，Zs是信號源內阻，Zc是公共部分阻抗，Zl是負載阻抗，En為干擾源，Vl為負載電壓。干擾源En產生的電流流過Zc，在Zc上產生壓降，導致Vl電壓變化，由此影響負載側的信號。

 

圖3

 

電容耦合出現在兩個鄰近導體存在變化的電場時，干擾電流通過導體間的耦合電容流入受干擾電路。由于耦合電容一般很小，其阻抗很大，故干擾源對于受干擾電路可看作一個恒定電流源，信號電路的阻抗較大時，影響特別明顯。圖4為電容耦合示意圖，Es是信號源，Zs是信號源內阻，Cm是耦合電容，Zl是負載阻抗，En為干擾源，Vl為負載電壓。干擾電流通過Cm流入Zl，對Vl造成影響。

 

圖4

 

電感（感應）耦合出現在兩個平行導體之間存在變化的磁場時。干擾源電流流過導體產生磁通，磁通在受干擾電路導體中形成感應電動勢，從而影響受干擾信號。在這種情況下，噪聲可以看作一個恒定電壓源，因此在低阻抗電路中噪聲影響變大。圖5是感應耦合的示意圖，Es是信號源，Zs是信號源內阻，Lm是互感，Zl是負載阻抗，En為干擾源，Vl為負載電壓。干擾源En電流流過互感Lm，在受干擾電路形成電壓，對Vl造成影響。

 

 

圖5

 

輻射耦合出現在干擾源與受干擾器件距離較遠的情況，干擾源及受干擾器件均作為無線天線，干擾源發送出干擾電磁波，而被受干擾器件接收。

 

3雙絞線的優點

 

雙絞線由兩根相互絕緣的導線相互纏繞而成，特別適合差分信號傳輸場合，與平行線相比，可以更有效地抑制干擾。

 

1、消除電容耦合

 

相對于平行對線，雙絞線每根單線對干擾源或地的耦合電容值更加接近，阻抗更加平衡，如圖6所示。

 

圖6

 

由于雙絞線緊密纏繞在一起，兩根線與噪聲源之間的耦合電容、與大地之間的阻抗基本一致。噪聲源流入到兩根信號線的干擾電流基本相同，兩根信號線的差值不變，耦合電容的電流轉化為共模干擾。如圖7，耦合電容C1=C2，Z1=Z2，干擾源流入C1，C2的電流相等，即1、2兩個根線產生的電壓相等，Vn=0。由于差分信號傳輸方式具有良好的共模抑制能力，因此可以消除電容耦合的影響。

 

圖7

 

2、消除電感（感應）耦合

 

若使用平行線，兩根信號線會形成一個很窄的環路，這個環路會拾取環境中的磁場干擾。雙絞線的結構是以固定的間距扭轉傳輸線的兩個導體，使得由磁場引起的電動勢方向在每個相鄰的“小環路”處反轉，因此可以順序地抵消。從電路上看，每個相鄰“小環路”處的互感對噪聲源來說是一正一負的，導線整體互感變為零。如圖8所示，平行線受到外界磁場干擾時，兩根導線的感應電流無法抵消，會產生較大的感應電壓，影響信號傳輸。而雙絞線的結構使導線的感應電流相互抵消，不會產生感應電壓。

 

圖8
 

3、減少對外干擾

 

用于差分信號傳輸時，雙絞線兩根線的電流大小相等，方向相反。如圖9，理想狀態下，雙絞線兩線組成的每兩個相鄰的“小環路”所形成的磁場方向相反，大小相等，可以相互抵消，故雙絞線對外的電磁干擾比平行線纜要小。

 

圖9

 

4總結

 

在差分傳輸應用中，雙絞線不僅可以降低自身對外界的干擾，同時可以消除與外界干擾源的電容耦合和感應耦合，具有一石二鳥的作用，因此雙絞線在諸如CAN、RS-485等差分信號傳輸的應用中得到了廣泛使用。

 

上文均是基于理想的雙絞線進行分析，但實際的雙絞線由于制作時絞合程度、絞合的偏差、線纜本身的寄生參數差異等，并不理想，所以在實際應用中，雙絞線對噪聲抑制能力會減弱。

 

由于雙絞線的結構并不能消除傳導耦合以及輻射耦合的干擾，在一些干擾嚴重的場合，仍需要配合隔離技術和屏蔽技術以提高系統的抗干擾性能。隔離技術可以有效抑制傳導耦合形成的共模干擾，而屏蔽技術可以有效抑制輻射干擾。

 

在干擾嚴重的場合，選用隔離收發器，并配合屏蔽雙絞線使用，會為CAN、RS-485應用提供良好的抗干擾性能，保障通信的可靠性。

 

 

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