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CAN/RS-485为什么要用双绞线

导读: 在CAN、RS-485等总线应用中,一般建议使用屏蔽双绞线进行组网、布线,从而减少外界干扰对总线通信的影响。对此很多工程师知其然,却不知其所以然。秉承着寻根究底的态度,本文将简单地介绍一下双绞线抗干扰的原理。

在CAN、RS-485等总线应用中,一般建议使用屏蔽双绞线进行组网、布线,从而减少外界干扰对总线通信的影响。对此很多工程师知其然,却不知其所以然。秉承着寻根究底的态度,本文将简单地介绍一下双绞线抗干扰的原理。

1差分信号传输

CAN、RS-485接口采用的是差分信号传输方式。差分信号传输是一种使用两个互补电信号进行信息传递的方法。以高速CAN为例,不同的逻辑状态通过CANH、CANL两根信号线进行传输,接收电路只对两根信号线的信号差值进行识别。理想状态下,CAN总线的波形如图1所示。

图1

干扰信号一般以共模的形式存在,当总线受到干扰时,两根总线会同时受影响,但其差分电压并不会受影响,如图2所示。相对于单端信号传输方式来说,差分信号传输方式具有更好的抗干扰能力。

图2

当然,采用了差分传输方式也并不可以高枕无忧。CAN、RS-485总线经常用于远距离通信,线缆长度的增加,各种干扰通过线缆耦合到总线上,极大地增加了外界对总线通信干扰的概率,如果线缆选用及使用不当,极有可能造成通信异常。对于CAN、RS-485等总线应用,一般我们会推荐使用双绞线。

2噪声的耦合机理

要了解双绞线的优点,需要先理解干扰是如何影响到有用信号的。干扰(噪声)一般通过耦合的方式对系统进行影响,常见的耦合机制有4种,分别是传导耦合、电容耦合、电感(感应)耦合以及辐射耦合。

干扰源与受干扰电路具有电气连接,如共地,干扰源的电流流动使公共部分形成电流并产生干扰电压,从而对受干扰电路的信号造成影响,这种方式为传导耦合。图3为传导耦合示意图,Es是信号源,Zs是信号源内阻,Zc是公共部分阻抗,Zl是负载阻抗,En为干扰源,Vl为负载电压。干扰源En产生的电流流过Zc,在Zc上产生压降,导致Vl电压变化,由此影响负载侧的信号。

图3

电容耦合出现在两个邻近导体存在变化的电场时,干扰电流通过导体间的耦合电容流入受干扰电路。由于耦合电容一般很小,其阻抗很大,故干扰源对于受干扰电路可看作一个恒定电流源,信号电路的阻抗较大时,影响特别明显。图4为电容耦合示意图,Es是信号源,Zs是信号源内阻,Cm是耦合电容,Zl是负载阻抗,En为干扰源,Vl为负载电压。干扰电流通过Cm流入Zl,对Vl造成影响。

图4

电感(感应)耦合出现在两个平行导体之间存在变化的磁场时。干扰源电流流过导体产生磁通,磁通在受干扰电路导体中形成感应电动势,从而影响受干扰信号。在这种情况下,噪声可以看作一个恒定电压源,因此在低阻抗电路中噪声影响变大。图5是感应耦合的示意图,Es是信号源,Zs是信号源内阻,Lm是互感,Zl是负载阻抗,En为干扰源,Vl为负载电压。干扰源En电流流过互感Lm,在受干扰电路形成电压,对Vl造成影响。

图5

辐射耦合出现在干扰源与受干扰器件距离较远的情况,干扰源及受干扰器件均作为无线天线,干扰源发送出干扰电磁波,而被受干扰器件接收。

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