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2019年03月06日 | 你知道CAN、RS-485为什么要用双绞线
2019-03-06
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。
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。
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。
双绞线的优点
双绞线由两根相互绝缘的导线相互缠绕而成，特别适合差分信号传输场合，与平行线相比，可以更有效地抑制干扰。
消除电容耦合
相对于平行对线，双绞线每根单线对干扰源或地的耦合电容值更加接近，阻抗更加平衡，如图6所示。
图6
由于双绞线紧密缠绕在一起，两根线与噪声源之间的耦合电容、与大地之间的阻抗基本一致。噪声源流入到两根信号线的干扰电流基本相同，两根信号线的差值不变，耦合电容的电流转化为共模干扰。如图7，耦合电容C1=C2，Z1=Z2，干扰源流入C1，C2的电流相等，即1、2两个根线产生的电压相等，Vn=0。由于差分信号传输方式具有良好的共模抑制能力，因此可以消除电容耦合的影响。
图7
消除电感（感应）耦合
若使用平行线，两根信号线会形成一个很窄的环路，这个环路会拾取环境中的磁场干扰。双绞线的结构是以固定的间距扭转传输线的两个导体，使得由磁场引起的电动势方向在每个相邻的“小环路”处反转，因此可以顺序地抵消。从电路上看，每个相邻“小环路”处的互感对噪声源来说是一正一负的，导线整体互感变为零。如图8所示，平行线受到外界磁场干扰时，两根导线的感应电流无法抵消，会产生较大的感应电压，影响信号传输。而双绞线的结构使导线的感应电流相互抵消，不会产生感应电压。
图8
减少对外干扰
用于差分信号传输时，双绞线两根线的电流大小相等，方向相反。如图9，理想状态下，双绞线两线组成的每两个相邻的“小环路”所形成的磁场方向相反，大小相等，可以相互抵消，故双绞线对外的电磁干扰比平行线缆要小。
图9
在差分传输应用中，双绞线不仅可以降低自身对外界的干扰，同时可以消除与外界干扰源的电容耦合和感应耦合，具有一石二鸟的作用，因此双绞线在诸如CAN、RS-485等差分信号传输的应用中得到了广泛使用。
上文均是基于理想的双绞线进行分析，但实际的双绞线由于制作时绞合程度、绞合的偏差、线缆本身的寄生参数差异等，并不理想，所以在实际应用中，双绞线对噪声抑制能力会减弱。
由于双绞线的结构并不能消除传导耦合以及辐射耦合的干扰，在一些干扰严重的场合，仍需要配合隔离技术和屏蔽技术以提高系统的抗干扰性能。隔离技术可以有效抑制传导耦合形成的共模干扰，而屏蔽技术可以有效抑制辐射干扰。
在干扰严重的场合，选用隔离收发器，并配合屏蔽双绞线使用，会为CAN、RS-485应用提供良好的抗干扰性能，保障通信的可靠性。
史海拾趣
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