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CAN、RS-485為什么要用雙絞線

2019-03-06
關(guān)鍵詞: CAN RS-485 雙絞線

  在CANRS-485等總線應(yīng)用中,一般建議使用屏蔽雙絞線進(jìn)行組網(wǎng)、布線,從而減少外界干擾對(duì)總線通信的影響。對(duì)此很多工程師知其然,卻不知其所以然。秉承著尋根究底的態(tài)度,本文將簡(jiǎn)單地介紹一下雙絞線抗干擾的原理。

  差分信號(hào)傳輸

  CAN、RS-485接口采用的是差分信號(hào)傳輸方式。差分信號(hào)傳輸是一種使用兩個(gè)互補(bǔ)電信號(hào)進(jìn)行信息傳遞的方法。以高速CAN為例,不同的邏輯狀態(tài)通過(guò)CANH、CANL兩根信號(hào)線進(jìn)行傳輸,接收電路只對(duì)兩根信號(hào)線的信號(hào)差值進(jìn)行識(shí)別。理想狀態(tài)下,CAN總線的波形如圖1所示。

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  圖1

  干擾信號(hào)一般以共模的形式存在,當(dāng)總線受到干擾時(shí),兩根總線會(huì)同時(shí)受影響,但其差分電壓并不會(huì)受影響,如圖2所示。相對(duì)于單端信號(hào)傳輸方式來(lái)說(shuō),差分信號(hào)傳輸方式具有更好的抗干擾能力。

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  圖2

  當(dāng)然,采用了差分傳輸方式也并不可以高枕無(wú)憂。CAN、RS-485總線經(jīng)常用于遠(yuǎn)距離通信,線纜長(zhǎng)度的增加,各種干擾通過(guò)線纜耦合到總線上,極大地增加了外界對(duì)總線通信干擾的概率,如果線纜選用及使用不當(dāng),極有可能造成通信異常。對(duì)于CAN、RS-485等總線應(yīng)用,一般我們會(huì)推薦使用雙絞線。

  噪聲的耦合機(jī)理

  要了解雙絞線的優(yōu)點(diǎn),需要先理解干擾是如何影響到有用信號(hào)的。干擾(噪聲)一般通過(guò)耦合的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行影響,常見(jiàn)的耦合機(jī)制有4種,分別是傳導(dǎo)耦合、電容耦合、電感(感應(yīng))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(dòng)使公共部分形成電流并產(chǎn)生干擾電壓,從而對(duì)受干擾電路的信號(hào)造成影響,這種方式為傳導(dǎo)耦合。圖3為傳導(dǎo)耦合示意圖,Es是信號(hào)源,Zs是信號(hào)源內(nèi)阻,Zc是公共部分阻抗,Zl是負(fù)載阻抗,En為干擾源,Vl為負(fù)載電壓。干擾源En產(chǎn)生的電流流過(guò)Zc,在Zc上產(chǎn)生壓降,導(dǎo)致Vl電壓變化,由此影響負(fù)載側(cè)的信號(hào)。

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  圖3

  電容耦合出現(xiàn)在兩個(gè)鄰近導(dǎo)體存在變化的電場(chǎng)時(shí),干擾電流通過(guò)導(dǎo)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(duì)于受干擾電路可看作一個(gè)恒定電流源,信號(hào)電路的阻抗較大時(shí),影響特別明顯。圖4為電容耦合示意圖,Es是信號(hào)源,Zs是信號(hào)源內(nèi)阻,Cm是耦合電容,Zl是負(fù)載阻抗,En為干擾源,Vl為負(fù)載電壓。干擾電流通過(guò)Cm流入Zl,對(duì)Vl造成影響。

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  圖4

  電感(感應(yīng))耦合出現(xiàn)在兩個(gè)平行導(dǎo)體之間存在變化的磁場(chǎng)時(shí)。干擾源電流流過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生磁通,磁通在受干擾電路導(dǎo)體中形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),從而影響受干擾信號(hào)。在這種情況下,噪聲可以看作一個(gè)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(yīng)耦合的示意圖,Es是信號(hào)源,Zs是信號(hào)源內(nèi)阻,Lm是互感,Zl是負(fù)載阻抗,En為干擾源,Vl為負(fù)載電壓。干擾源En電流流過(guò)互感Lm,在受干擾電路形成電壓,對(duì)Vl造成影響。

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  圖5

  輻射耦合出現(xiàn)在干擾源與受干擾器件距離較遠(yuǎn)的情況,干擾源及受干擾器件均作為無(wú)線天線,干擾源發(fā)送出干擾電磁波,而被受干擾器件接收。

  雙絞線的優(yōu)點(diǎn)

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

  u消除電容耦合

  相對(duì)于平行對(duì)線,雙絞線每根單線對(duì)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。

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  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(hào)線的干擾電流基本相同,兩根信號(hào)線的差值不變,耦合電容的電流轉(zhuǎn)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(gè)根線產(chǎn)生的電壓相等,Vn=0。由于差分信號(hào)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。

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  圖7

  u消除電感(感應(yīng))耦合

  若使用平行線,兩根信號(hào)線會(huì)形成一個(gè)很窄的環(huán)路,這個(gè)環(huán)路會(huì)拾取環(huán)境中的磁場(chǎng)干擾。雙絞線的結(jié)構(gòu)是以固定的間距扭轉(zhuǎn)傳輸線的兩個(gè)導(dǎo)體,使得由磁場(chǎng)引起的電動(dòng)勢(shì)方向在每個(gè)相鄰的“小環(huán)路”處反轉(zhuǎn),因此可以順序地抵消。從電路上看,每個(gè)相鄰“小環(huán)路”處的互感對(duì)噪聲源來(lái)說(shuō)是一正一負(fù)的,導(dǎo)線整體互感變?yōu)榱恪H鐖D8所示,平行線受到外界磁場(chǎng)干擾時(shí),兩根導(dǎo)線的感應(yīng)電流無(wú)法抵消,會(huì)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電壓,影響信號(hào)傳輸。而雙絞線的結(jié)構(gòu)使導(dǎo)線的感應(yīng)電流相互抵消,不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

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  圖8

  u減少對(duì)外干擾

  用于差分信號(hào)傳輸時(shí),雙絞線兩根線的電流大小相等,方向相反。如圖9,理想狀態(tài)下,雙絞線兩線組成的每?jī)蓚€(gè)相鄰的“小環(huán)路”所形成的磁場(chǎng)方向相反,大小相等,可以相互抵消,故雙絞線對(duì)外的電磁干擾比平行線纜要小。

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  圖9

  在差分傳輸應(yīng)用中,雙絞線不僅可以降低自身對(duì)外界的干擾,同時(shí)可以消除與外界干擾源的電容耦合和感應(yīng)耦合,具有一石二鳥(niǎo)的作用,因此雙絞線在諸如CAN、RS-485等差分信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用中得到了廣泛使用。

  上文均是基于理想的雙絞線進(jìn)行分析,但實(shí)際的雙絞線由于制作時(shí)絞合程度、絞合的偏差、線纜本身的寄生參數(shù)差異等,并不理想,所以在實(shí)際應(yīng)用中,雙絞線對(duì)噪聲抑制能力會(huì)減弱。

  由于雙絞線的結(jié)構(gòu)并不能消除傳導(dǎo)耦合以及輻射耦合的干擾,在一些干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合,仍需要配合隔離技術(shù)和屏蔽技術(shù)以提高系統(tǒng)的抗干擾性能。隔離技術(shù)可以有效抑制傳導(dǎo)耦合形成的共模干擾,而屏蔽技術(shù)可以有效抑制輻射干擾。

  在干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合,選用隔離收發(fā)器,并配合屏蔽雙絞線使用,會(huì)為CAN、RS-485應(yīng)用提供良好的抗干擾性能,保障通信的可靠性。


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