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，線纜長(chang)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)
，各(ge)種(zhong)幹(gan)擾(rao)通(tong)過(guo)線(xian)纜(lan)耦(ou)合(he)到(dao)總(zong)線(xian)上(shang)
，極(ji)大(da)地(di)增(zeng)加(jia)了(le)外(wai)界(jie)對(dui)總(zong)線(xian)通(tong)信(xin)幹(gan)擾(rao)的(de)概(gai)率(lv)，如(ru)果(guo)線(xian)纜(lan)選(xuan)用(yong)及(ji)使(shi)用(yong)不(bu)當(dang)，極(ji)有(you)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)通(tong)信(xin)異(yi)常(chang)。對(dui)於(yu)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tu3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

 

電dian容rong耦ou合he出chu現xian在zai兩liang個ge鄰lin近jin導dao體ti存cun在zai變bian化hua的de電dian場chang時shi，幹gan擾rao電dian流liu通tong過guo導dao體ti間jian的de耦ou合he電dian容rong流liu入ru受shou幹gan擾rao電dian路lu。由you於yu耦ou合he電dian容rong一yi般ban很hen小xiao，其qi阻zu抗kang很hen大da
，故gu幹gan擾rao源yuan對dui於yu受shou幹gan擾rao電dian路lu可ke看kan作zuo一yi個ge恒heng定ding電dian流liu源yuan，信xin號hao電dian路lu的de阻zu抗kang較jiao大da時shi

，影ying響xiang特te別bie明ming顯xian。圖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）ouhechuxianzailianggepingxingdaotizhijiancunzaibianhuadecichangshi。ganraoyuandianliuliuguodaotichanshengcitong，citongzaishouganraodianludaotizhongxingchengganyingdiandongshi，congeryingxiangshouganraoxinhao。zaizhezhongqingkuangxia，zaoshengkeyikanzuoyigehengdingdianyayuan，yincizaidizukangdianluzhongzaoshengyingxiangbianda。tu5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

 

輻(fu)射(she)耦(ou)合(he)出(chu)現(xian)在(zai)幹(gan)擾(rao)源(yuan)與(yu)受(shou)幹(gan)擾(rao)器(qi)件(jian)距(ju)離(li)較(jiao)遠(yuan)的(de)情(qing)況(kuang)，幹(gan)擾(rao)源(yuan)及(ji)受(shou)幹(gan)擾(rao)器(qi)件(jian)均(jun)作(zuo)為(wei)無(wu)線(xian)天(tian)線(xian)，幹(gan)擾(rao)源(yuan)發(fa)送(song)出(chu)幹(gan)擾(rao)電(dian)磁(ci)波(bo)，而(er)被(bei)受(shou)幹(gan)擾(rao)器(qi)件(jian)接(jie)收(shou)。

 

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(ru)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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