RS-485 基础知识：何时需要端接，以及如何正确端接

news2024/11/14 1:47:46

RS-485 网络的许多信号完整性和通信问题都源于端接，这可能是因为缺少端接或端接不正确。在 RS-485 基础知识系列的这一部分，我将讨论何时不需要端接 RS-485 网络，以及在需要端接时如何使用标准（并联）端接和交流电 (AC) 端接网络。

RS-485 收发器的驱动器必须能够在 32 个单位负载和两个 120Ω 端接电阻上驱动 1.5V。120Ω 端接电阻值来源于双绞线总线的差模特性阻抗。简而言之，线规、绝缘类型和厚度以及每单位长度的扭绞数都会影响高速数据信号“接触”的阻抗。该阻抗以欧姆表示，对于双绞线电缆，其范围通常为 100Ω 至 150Ω。RS-485 标准的起草者选择 120Ω 作为标称特性阻抗，因此为了匹配此阻抗，端接电阻器的默认值也为 120Ω。

端接网络存在的理由

将电缆的特性阻抗与端接网络相匹配，总线末端的接收器便能够接收最大信号功率。如果让传输线路保持未端接状态，或端接值与电缆阻抗不相等，则会导致不匹配，从而在网络末端产生反射。顾名思义，反射就是信号的一些能量返回到线路，然后建设性地或破坏性地干扰沿总线传播的下一个位。一个破坏性的例子是，如果反弹回来的反射信号与输入信号相异，将导致接收器接收更小的输入信号。如果严重不匹配，反射回来的能量会导致后续位被接收器误解和错误解码。

公式 1 表明，对于反射系数，要接近零，输入阻抗 ZL 需要与源阻抗 ZS 匹配。如果负载和源阻抗差很大，几乎整个信号都会反射。

为实现出色的信号完整性，最好使交流线路阻抗匹配等值的端接阻抗。并非所有设计人员都想这样做，这是为什么？因为添加端接网络会增加整个系统的成本，而且这些端接网络还会为驱动器增加并联负载，从而导致更大的稳态负载电流。在降低功耗至关重要的功耗敏感型应用（例如在电池供电的应用）中，一种节省功耗的选择是不端接总线。下面我们来讨论哪些情况下可以不端接。

不需要端接的网络

不需要端接网络的一种情况是，网络的双向环路时间比 1 位环路时间短得多（tbit > 10 倍双向环路延时）。在此类情况下，反射每次到达网络末端时都会损失能量。

从图 1 中可以看出，每次信号在电缆末端反射时，反射幅度都会继续衰减。图 1 显示了信号的三个往返和总共六次反射。

图 1：每次发生反射时的反射衰减幅度

估计总线未端接端的输入阻抗为 96kΩ（八分之一单位负载），驱动器的源阻抗为 60Ω，根据表 1 中列出的计算方式，信号反射会衰减。

表 1：信号衰减计算示例

如表 1 所示，到信号第六次反射时，它已衰减到其原始幅度的 4% 以下。在此之后，可以肯定地说反射不会再导致信号完整性问题。由于某个位的采样点通常出现在位深度的 50-75% 之间，因此您需要确保这三个往返延迟出现在采样点之前。

需要端接的网络

对于位时间并不明显长于电缆环路时间的应用，为了尽量减少反射，端接至关重要。最基本的端接网络称为标准或并联端接网络，由单个电阻组成（图 2）。

图 2：标准端接网络

对于标准端接，您可以使端接电阻值与网络两端线缆的差模特性阻抗相匹配。这样可确保正确端接在总线上双向传输的信号。正如我之前提到的，这种类型的端接方案的主要缺点是，只要驱动器处于运行状态，电阻器就会充当驱动器的一个直流 (DC) 负载。

使用交流端接有助于减轻这种功率耗散，而无需对总线长度提出如此长的位时间要求。图 3 显示了交流端接方案。

图 3：交流端接网络

由于电流通常从 RS-485 驱动器的一侧流过端接网络，然后流过驱动器的另一侧，因此通过放置串联电容器可使稳态电流变为零。这种端接有两个注意事项：它需要在每个端接网络上使用一个额外的元件，并且串联电阻器和电容器会引入电阻电容 (RC) 延时。RC 时间常数会减慢差分信号的上升沿和下降沿，并限制网络的最大数据速率。

表 2 总结了三种端接场景。