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2018年01月04日 | RS-485之信号反射与终端电阻
2018-01-04 来源：ZLG致远电子
RS-485总线具有结构简单、成本低等优点，但各位工程师在组建RS-485总线网络时，为提升整个网络通信的可靠性，想必会经常会遇到一个问题：需不需要加终端电阻呢？本文将为你解答。
1、终端电阻的作用
对于RS-485总线，终端电阻主要是为了匹配通信线的特性阻抗，防止信号反射，提高信号质量。
在组建RS-485总线网络时，通常使用特性阻抗为120Ω的屏蔽双绞线，由于RS-485收发器输入阻抗一般较高（例如RSM485ECHT输入阻抗为96kΩ，最多可连接256个节点），在信号传输到总线末端时会由于受到的瞬时阻抗发生突变（以RSM485ECHT为例，阻抗由120Ω变为96kΩ），导致信号发生反射，影响信号的质量。RSM485ECHT在1200m，500kbps通信速率的情况下不加终端电阻和加终端电阻的波形如图 1和图 2所示，终端电阻明显改善了信号的质量。
图1 RSM485ECHT 1200m 500kbps不加终端电阻
图2 RSM485ECHT 1200m 500kbps 加终端电阻
2、终端电阻带来的问题
终端电阻虽然可以提高信号质量，但还具有以下几个问题：
1）降低了驱动信号的幅值
RS-485总线上的负载越大，RS-485收发器输出差分电压幅值越低，RSM485ECHT在5m，500kbps的情况下不加终端电阻和加终端电阻的波形如图 3和图 4所示，可以看出驱动信号在增加终端电阻后降低了2V左右。
图3 RSM485ECHT 5m 500kbps 不加终端
图4 RSM485ECHT 5m 500kbps 加终端
2）增大了通信线上的压降
增加终端电阻使通信线缆上的电流增大，产生了较大的压差，降低了接收端的信号幅值。RSM485ECHT在1200m,115.2kbps首端和末端的信号波形如图 5和图 6所示（0.75mm2通信线），末端信号与首端信号相比下降了0.7V左右。
图5 RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加终端电阻 首端波形
图6 RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加终端电阻 末端波形
3）增大了收发器的功耗
增加终端电阻对于接收状态时的工作电流影响不大，但会大大增加驱动状态时的工作电流。以RSM485ECHT为例，RSM485ECHT处于接收状态时工作电流为20mA左右，在驱动状态不加终端电阻时工作电流为27mA左右，在驱动状态加终端电阻时工作电流为83mA左右，可以看出终端电阻大大增加了RS-485收发器的功耗，对于有功耗要求的应用场合，应谨慎使用终端电阻。
4）降低总线空闲时的差分电压
如图 7所示为两个RSM485ECHT通信示意图。
图7 RSM485ECHT通信等效示意图
当两个模块都处于接收状态时，可以根据基尔霍夫电流定律对节点A和节点B列出下列公式：
其中：RPUD为RSM485ECHT内置上下拉电阻，120kΩ；RIN为RSM485ECHT输入阻抗，96kΩ；根据上述公式可以计算AB之间的差分电压为：
由于RSM485ECHT的门限电平为-200mV～-40mV,所以在上述情况下，模块仍然输出高电平，保证总线空闲时不会误接收数据。但对于门限电平为-200mV～+200mV的RS-485收发器，输出电平为不确定状态，此时有可能误接收数据。
3、如何解决增加终端电阻后空闲状态的问题？
对于空闲状态的问题有两个解决方法：
1）使用类似RSM485ECHT的模块（门限电平为-200mV～-40mV），当RS-485总线的差分电压大于-40mV时RS-485收发器的输出即为高电平。
2）使用RSM485PCHT或RSM485PHT等带有输出隔离电源的模块，可以通过在外部增加较小的上下拉电阻将RS-485总线的空闲状态时的电压拉到+200mV以上（一般要留有100mV或200mV以上的裕量），保证空闲时RS-485总线差分电压不处于门限电平范围内，但上下拉电阻值不能太小，一般总线上拉（或下拉）并联值要大于375Ω。
4、什么时候需要加终端电阻？
1）通信速度低或者通信距离近的情况下建议不加终端电阻
通信速度低或者通信距离近的情况下，信号反射对通信信号的影响不大，而且不加终端电阻可以大大降低功耗，并且通过加较大上下拉电阻值即可保证RS-485总线空闲时具有较高的差分电压幅值，提高了通信的可靠性。
2）通信距离较长且通信速度较快，对信号质量要求较高的情况
此时可以增加终端电阻，防止阻抗突变引起的信号反射问题，提高信号质量，但应确保在总线空闲时总线的差分电压不处于门限电平范围内。
3）对功耗有要求且通信距离较长的情况
反射信号在总线上来回反弹，反射信号会逐渐消耗掉。对于串口通信，MCU一般在一个位的中间时间对信号进行采样，由于低通信速度的情况下，每一个位的时间较长，所以在到达采样点时反射信号已被消耗掉，对通信已无影响。RSM485ECHT在1200m 9600bps不加终端电阻首端和末端的波形如图8和图9所示，可以看出反射信号在到达每一个位中间前就已经被消耗掉了。
所以对RS-485的收发器的功耗有较高要求且通信距离较长的应用，应适当降低通信的速度。
图8 RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加终端 首端波形
图9 RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加终端 末端波形
史海拾趣
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