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(gè)互補電信號進(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兩根信號線(xiàn)進(jìn)行傳輸，接收電路只對兩根信號線(xiàn)的信號差值進(jìn)行識別。理想狀態(tài)下，CAN總線(xiàn)的波形如圖1所示。

 

圖1

 

干擾信號一般以共模的形式存在，當總線(xiàn)受到干擾時(shí)，兩根總線(xiàn)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。相對于單端信號傳輸方式來(lái)說(shuō)，差分信號傳輸方式具有更好的抗干擾能力。

 

圖2

 

當然，采用了差分傳輸方式也并不可以高枕無(wú)憂(yōu)。CAN、RS-485總線(xiàn)經(jīng)常用于遠距離通信，線(xiàn)纜長(cháng)度的增加，各種干擾通過(guò)線(xiàn)纜耦合到總線(xiàn)上，極大地增加了外界對總線(xiàn)通信干擾的概率，如果線(xiàn)纜選用及使用不當，極有可能造成通信異常。對于CAN、RS-485等總線(xiàn)應用，一般我們會(huì )推薦使用雙絞線(xiàn)。

 

2噪聲的耦合機理

 

要了解雙絞線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，需要先理解干擾是如何影響到有用信號的。干擾（噪聲）一般通過(guò)耦合的方式對系統進(jìn)行影響，常見(jiàn)的耦合機制有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。

 

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，從而對受干擾電路的信號造成影響，這種方式為傳導耦合。圖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為干擾源，Vl為負載電壓。干擾源En產(chǎn)生的電流流過(guò)Zc，在Zc上產(chǎn)生壓降，導致Vl電壓變化，由此影響負載側的信號。

 

圖3

 

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

 

圖4

 

電感（感應）耦合出現在兩個(gè)平行導體之間存在變化的磁場(chǎng)時(shí)。干擾源電流流過(guò)導體產(chǎn)生磁通，磁通在受干擾電路導體中形成感應電動(dòng)勢，從而影響受干擾信號。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為干擾源，Vl為負載電壓。干擾源En電流流過(guò)互感Lm，在受干擾電路形成電壓，對Vl造成影響。

 

 

圖5

 

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

 

3雙絞線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

 

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

 

1、消除電容耦合

 

相對于平行對線(xiàn)，雙絞線(xiàn)每根單線(xiàn)對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。

 

圖6

 

由于雙絞線(xiàn)緊密纏繞在一起，兩根線(xiàn)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線(xiàn)的干擾電流基本相同，兩根信號線(xiàn)的差值不變，耦合電容的電流轉化為共模干擾。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(xiàn)產(chǎn)生的電壓相等，Vn=0。由于差分信號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。

 

圖7

 

2、消除電感（感應）耦合

 

若使用平行線(xiàn)，兩根信號線(xiàn)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(xiàn)的結構是以固定的間距扭轉傳輸線(xiàn)的兩個(gè)導體，使得由磁場(chǎng)引起的電動(dòng)勢方向在每個(gè)相鄰的“小環(huán)路”處反轉，因此可以順序地抵消。從電路上看，每個(gè)相鄰“小環(huán)路”處的互感對噪聲源來(lái)說(shuō)是一正一負的，導線(xiàn)整體互感變?yōu)榱?。如圖8所示，平行線(xiàn)受到外界磁場(chǎng)干擾時(shí)，兩根導線(xiàn)的感應電流無(wú)法抵消，會(huì )產(chǎn)生較大的感應電壓，影響信號傳輸。而雙絞線(xiàn)的結構使導線(xiàn)的感應電流相互抵消，不會(huì )產(chǎn)生感應電壓。

 

圖8
 

3、減少對外干擾

 

用于差分信號傳輸時(shí)，雙絞線(xiàn)兩根線(xiàn)的電流大小相等，方向相反。如圖9，理想狀態(tài)下，雙絞線(xiàn)兩線(xiàn)組成的每?jì)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(xiàn)對外的電磁干擾比平行線(xiàn)纜要小。

 

圖9

 

4總結

 

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

 

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

 

由于雙絞線(xiàn)的結構并不能消除傳導耦合以及輻射耦合的干擾，在一些干擾嚴重的場(chǎng)合，仍需要配合隔離技術(shù)和屏蔽技術(shù)以提高系統的抗干擾性能。隔離技術(shù)可以有效抑制傳導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。

 

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

 

 

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