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yuCAN、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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