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。

 

ganraoyuanyushouganraodianlujuyoudianqilianjie

，rugongdi，ganraoyuandedianliuliudongshigonggongbufenxingchengdianliubingchanshengganraodianya
，congerduishouganraodianludexinhaozaochengyingxiang，zhezhongfangshiweichuandaoouhe。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(tu)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tu7
，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。

 

youyushuangjiaoxiandejiegoubingbunengxiaochuchuandaoouheyijifusheouhedeganrao
，zaiyixieganraoyanzhongdechanghe，rengxuyaopeihegelijishuhepingbijishuyitigaoxitongdekangganraoxingneng。gelijishukeyiyouxiaoyizhichuandaoouhexingchengdegongmoganrao
，erpingbijishukeyiyouxiaoyizhifusheganrao。

 

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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