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，接收電路隻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

 

幹擾信號一般以共模的形式存在
，當總線受到幹擾時


，兩根總線會同時受影響
，但其差分電壓並不會受影響，如圖2所示。相對於單端信號傳輸方式來說
，差分信號傳輸方式具有更好的抗幹擾能力。

 

圖2

 

當然，采用了差分傳輸方式也並不可以高枕無憂。CAN、RS-485總線經常用於遠距離通信，線纜changdudezengjia，gezhongganraotongguoxianlanouhedaozongxianshang，jidadizengjialewaijieduizongxiantongxinganraodegailv，ruguoxianlanxuanyongjishiyongbudang
，jiyoukenengzaochengtongxinyichang。duiyuCAN
、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
，需要先理解幹擾是如何影響到有用信號的。幹擾（噪聲）一般通過耦合的方式對係統進行影響，常見的耦合機製有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。

 

幹(gan)擾(rao)源(yuan)與(yu)受(shou)幹(gan)擾(rao)電(dian)路(lu)具(ju)有(you)電(dian)氣(qi)連(lian)接(jie)
，如(ru)共(gong)地(di)，幹(gan)擾(rao)源(yuan)的(de)電(dian)流(liu)流(liu)動(dong)使(shi)公(gong)共(gong)部(bu)分(fen)形(xing)成(cheng)電(dian)流(liu)並(bing)產(chan)生(sheng)幹(gan)擾(rao)電(dian)壓(ya)，從(cong)而(er)對(dui)受(shou)幹(gan)擾(rao)電(dian)路(lu)的(de)信(xin)號(hao)造(zao)成(cheng)影(ying)響(xiang)，這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)為(wei)傳(chuan)導(dao)耦(ou)合(he)。圖(tu)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為幹擾源
，Vl為負載電壓。幹擾源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

 

dianrongouhechuxianzailianggelinjindaoticunzaibianhuadedianchangshi
，ganraodianliutongguodaotijiandeouhedianrongliurushouganraodianlu。youyuouhedianrongyibanhenxiao
，qizukanghenda，guganraoyuanduiyushouganraodianlukekanzuoyigehengdingdianliuyuan
，xinhaodianludezukangjiaodashi，yingxiangtebiemingxian。tu4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為幹擾源，Vl為負載電壓。幹擾電流通過Cm流入Zl，對Vl造成影響。

 

圖4

 

電感（感應）耦(ou)合(he)出(chu)現(xian)在(zai)兩(liang)個(ge)平(ping)行(xing)導(dao)體(ti)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)變(bian)化(hua)的(de)磁(ci)場(chang)時(shi)。幹(gan)擾(rao)源(yuan)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)導(dao)體(ti)產(chan)生(sheng)磁(ci)通(tong)
，磁(ci)通(tong)在(zai)受(shou)幹(gan)擾(rao)電(dian)路(lu)導(dao)體(ti)中(zhong)形(xing)成(cheng)感(gan)應(ying)電(dian)動(dong)勢(shi)
，從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)受(shou)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)
，噪(zao)聲(sheng)可(ke)以(yi)看(kan)作(zuo)一(yi)個(ge)恒(heng)定(ding)電(dian)壓(ya)源(yuan)，因(yin)此(ci)在(zai)低(di)阻(zu)抗(kang)電(dian)路(lu)中(zhong)噪(zao)聲(sheng)影(ying)響(xiang)變(bian)大(da)。圖(tu)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為幹擾源，Vl為負載電壓。幹擾源En電流流過互感Lm，在受幹擾電路形成電壓，對Vl造成影響。

 

 

圖5

 

fusheouhechuxianzaiganraoyuanyushouganraoqijianjulijiaoyuandeqingkuang，ganraoyuanjishouganraoqijianjunzuoweiwuxiantianxian，ganraoyuanfasongchuganraodiancibo，erbeishouganraoqijianjieshou。

 

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，可以更有效地抑製幹擾。

 

1
、消除電容耦合

 

相對於平行對線
，雙絞線每根單線對幹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

 

由於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(yu)大(da)地(di)之(zhi)間(jian)的(de)阻(zu)抗(kang)基(ji)本(ben)一(yi)致(zhi)。噪(zao)聲(sheng)源(yuan)流(liu)入(ru)到(dao)兩(liang)根(gen)信(xin)號(hao)線(xian)的(de)幹(gan)擾(rao)電(dian)流(liu)基(ji)本(ben)相(xiang)同(tong)
，兩(liang)根(gen)信(xin)號(hao)線(xian)的(de)差(cha)值(zhi)不(bu)變(bian)，耦(ou)合(he)電(dian)容(rong)的(de)電(dian)流(liu)轉(zhuan)化(hua)為(wei)共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)。如(ru)圖(tu)7，耦合電容C1=C2
，Z1=Z2，幹擾源流入C1，C2的電流相等，即1、2兩個根線產生的電壓相等，Vn=0。由於差分信號傳輸方式具有良好的共模抑製能力，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(ruo)使(shi)用(yong)平(ping)行(xing)線(xian)
，兩(liang)根(gen)信(xin)號(hao)線(xian)會(hui)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)很(hen)窄(zhai)的(de)環(huan)路(lu)
，這(zhe)個(ge)環(huan)路(lu)會(hui)拾(shi)取(qu)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)磁(ci)場(chang)幹(gan)擾(rao)。雙(shuang)絞(jiao)線(xian)的(de)結(jie)構(gou)是(shi)以(yi)固(gu)定(ding)的(de)間(jian)距(ju)扭(niu)轉(zhuan)傳(chuan)輸(shu)線(xian)的(de)兩(liang)個(ge)導(dao)體(ti)，使(shi)得(de)由(you)磁(ci)場(chang)引(yin)起(qi)的(de)電(dian)動(dong)勢(shi)方(fang)向(xiang)在(zai)每(mei)個(ge)相(xiang)鄰(lin)的(de)“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(suo)示(shi)，平(ping)行(xing)線(xian)受(shou)到(dao)外(wai)界(jie)磁(ci)場(chang)幹(gan)擾(rao)時(shi)，兩(liang)根(gen)導(dao)線(xian)的(de)感(gan)應(ying)電(dian)流(liu)無(wu)法(fa)抵(di)消(xiao)，會(hui)產(chan)生(sheng)較(jiao)大(da)的(de)感(gan)應(ying)電(dian)壓(ya)，影(ying)響(xiang)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)。而(er)雙(shuang)絞(jiao)線(xian)的(de)結(jie)構(gou)使(shi)導(dao)線(xian)的(de)感(gan)應(ying)電(dian)流(liu)相(xiang)互(hu)抵(di)消(xiao)，不(bu)會(hui)產(chan)生(sheng)感(gan)應(ying)電(dian)壓(ya)。

 

圖8
 

3、減少對外幹擾

 

用於差分信號傳輸時，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幹擾比平行線纜要小。

 

圖9

 

4總結

 

在zai差cha分fen傳chuan輸shu應ying用yong中zhong，雙shuang絞jiao線xian不bu僅jin可ke以yi降jiang低di自zi身shen對dui外wai界jie的de幹gan擾rao
，同tong時shi可ke以yi消xiao除chu與yu外wai界jie幹gan擾rao源yuan的de電dian容rong耦ou合he和he感gan應ying耦ou合he，具ju有you一yi石shi二er鳥niao的de作zuo用yong，因yin此ci雙shuang絞jiao線xian在zai諸zhu如ruCAN、RS-485等差分信號傳輸的應用中得到了廣泛使用。

 

上文均是基於理想的雙絞線進行分析，但實際的雙絞線由於製作時絞合程度
、絞合的偏差、線纜本身的寄生參數差異等，並不理想，所以在實際應用中
，雙絞線對噪聲抑製能力會減弱。

 

由(you)於(yu)雙(shuang)絞(jiao)線(xian)的(de)結(jie)構(gou)並(bing)不(bu)能(neng)消(xiao)除(chu)傳(chuan)導(dao)耦(ou)合(he)以(yi)及(ji)輻(fu)射(she)耦(ou)合(he)的(de)幹(gan)擾(rao)，在(zai)一(yi)些(xie)幹(gan)擾(rao)嚴(yan)重(zhong)的(de)場(chang)合(he)，仍(reng)需(xu)要(yao)配(pei)合(he)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)和(he)屏(ping)蔽(bi)技(ji)術(shu)以(yi)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)的(de)抗(kang)幹(gan)擾(rao)性(xing)能(neng)。隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)抑(yi)製(zhi)傳(chuan)導(dao)耦(ou)合(he)形(xing)成(cheng)的(de)共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)，而(er)屏(ping)蔽(bi)技(ji)術(shu)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)抑(yi)製(zhi)輻(fu)射(she)幹(gan)擾(rao)。

 

在幹擾嚴重的場合，選用隔離收發器
，並配合屏蔽雙絞線使用

，會為CAN、RS-485應用提供良好的抗幹擾性能，保障通信的可靠性。

 

 

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