RS-485何時(shí)需要端接，以及如何正確端接

RS-485 網(wǎng)絡(luò)的許多信號(hào)完整性和通信問(wèn)題都源于端接，這可能是因?yàn)槿鄙俣私踊蚨私硬徽_。在 RS-485 基礎(chǔ)知識(shí)系列的這一部分，我將討論何時(shí)不需要端接 RS-485 網(wǎng)絡(luò)，以及在需要端接時(shí)如何使用標(biāo)準(zhǔn)（并聯(lián)）端接和交流電 (AC) 端接網(wǎng)絡(luò)。

如本系列上一部分所述，RS-485 收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)器必須能夠在 32 個(gè)單位負(fù)載和兩個(gè) 120Ω 端接電阻上驅(qū)動(dòng) 1.5V。我在本文中沒(méi)有提到這一點(diǎn)，但要說(shuō)明的是，120Ω 端接電阻值來(lái)源于雙絞線(xiàn)總線(xiàn)的差模特性阻抗。簡(jiǎn)而言之，線(xiàn)規(guī)、絕緣類(lèi)型和厚度以及每單位長(zhǎng)度的扭絞數(shù)都會(huì)影響高速數(shù)據(jù)信號(hào)“接觸”的阻抗。該阻抗以歐姆表示，對(duì)于雙絞線(xiàn)電纜，其范圍通常為 100Ω 至 150Ω。RS-485 標(biāo)準(zhǔn)的起草者選擇 120Ω 作為標(biāo)稱(chēng)特性阻抗，因此為了匹配此阻抗，端接電阻器的默認(rèn)值也為 120Ω。

端接網(wǎng)絡(luò)存在的理由

將電纜的特性阻抗與端接網(wǎng)絡(luò)相匹配，總線(xiàn)末端的接收器便能夠接收最大信號(hào)功率。如果讓傳輸線(xiàn)路保持未端接狀態(tài)，或端接值與電纜阻抗不相等，則會(huì)導(dǎo)致不匹配，從而在網(wǎng)絡(luò)末端產(chǎn)生反射。顧名思義，反射就是信號(hào)的一些能量返回到線(xiàn)路，然后建設(shè)性地或破壞性地干擾沿總線(xiàn)傳播的下一個(gè)位。一個(gè)破壞性的例子是，如果反彈回來(lái)的反射信號(hào)與輸入信號(hào)相異，將導(dǎo)致接收器接收更小的輸入信號(hào)。如果嚴(yán)重不匹配，反射回來(lái)的能量會(huì)導(dǎo)致后續(xù)位被接收器誤解和錯(cuò)誤解碼。

公式 1 表明，對(duì)于反射系數(shù)，要接近零，輸入阻抗 ZL 需要與源阻抗 ZS 匹配。如果負(fù)載和源阻抗差很大，幾乎整個(gè)信號(hào)都會(huì)反射。

如您所見(jiàn)，為實(shí)現(xiàn)出色的信號(hào)完整性，最好使交流線(xiàn)路阻抗匹配等值的端接阻抗。并非所有設(shè)計(jì)人員都想這樣做，這是為什么？因?yàn)樘砑佣私泳W(wǎng)絡(luò)會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的成本，而且這些端接網(wǎng)絡(luò)還會(huì)為驅(qū)動(dòng)器增加并聯(lián)負(fù)載，從而導(dǎo)致更大的穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流。在降低功耗至關(guān)重要的功耗敏感型應(yīng)用（例如在電池供電的應(yīng)用）中，一種節(jié)省功耗的選擇是不端接總線(xiàn)。下面我們來(lái)討論哪些情況下可以不端接。

不需要端接的網(wǎng)絡(luò)

不需要端接網(wǎng)絡(luò)的一種情況是，網(wǎng)絡(luò)的雙向環(huán)路時(shí)間比 1 位環(huán)路時(shí)間短得多（tbit > 10 倍雙向環(huán)路延時(shí)）。在此類(lèi)情況下，反射每次到達(dá)網(wǎng)絡(luò)末端時(shí)都會(huì)損失能量。

從圖 1 中可以看出，每次信號(hào)在電纜末端反射時(shí)，反射幅度都會(huì)繼續(xù)衰減。圖 1 顯示了信號(hào)的三個(gè)往返和總共六次反射。

圖 1：每次發(fā)生反射時(shí)的反射衰減幅度

估計(jì)總線(xiàn)未端接端的輸入阻抗為 96kΩ（八分之一單位負(fù)載），驅(qū)動(dòng)器的源阻抗為 60Ω，根據(jù)表 1 中列出的計(jì)算方式，信號(hào)反射會(huì)衰減。

表 1：信號(hào)衰減計(jì)算示例

如表 1 所示，到信號(hào)第六次反射時(shí)，它已衰減到其原始幅度的 4% 以下。在此之后，可以肯定地說(shuō)反射不會(huì)再導(dǎo)致信號(hào)完整性問(wèn)題。由于某個(gè)位的采樣點(diǎn)通常出現(xiàn)在位深度的 50-75% 之間，因此您需要確保這三個(gè)往返延遲出現(xiàn)在采樣點(diǎn)之前。

需要端接的網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于位時(shí)間并不明顯長(zhǎng)于電纜環(huán)路時(shí)間的應(yīng)用，為了盡量減少反射，端接至關(guān)重要。最基本的端接網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)或并聯(lián)端接網(wǎng)絡(luò)，由單個(gè)電阻組成（圖 2）。

圖 2：標(biāo)準(zhǔn)端接網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)端接，您可以使端接電阻值與網(wǎng)絡(luò)兩端線(xiàn)纜的差模特性阻抗相匹配。這樣可確保正確端接在總線(xiàn)上雙向傳輸?shù)男盘?hào)。正如我之前提到的，這種類(lèi)型的端接方案的主要缺點(diǎn)是，只要驅(qū)動(dòng)器處于運(yùn)行狀態(tài)，電阻器就會(huì)充當(dāng)驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)直流 (DC) 負(fù)載。

使用交流端接有助于減輕這種功率耗散，而無(wú)需對(duì)總線(xiàn)長(zhǎng)度提出如此長(zhǎng)的位時(shí)間要求。圖 3 顯示了交流端接方案。

圖 3：交流端接網(wǎng)絡(luò)

由于電流通常從 RS-485 驅(qū)動(dòng)器的一側(cè)流過(guò)端接網(wǎng)絡(luò)，然后流過(guò)驅(qū)動(dòng)器的另一側(cè)，因此通過(guò)放置串聯(lián)電容器可使穩(wěn)態(tài)電流變?yōu)榱恪＿@種端接有兩個(gè)注意事項(xiàng)：它需要在每個(gè)端接網(wǎng)絡(luò)上使用一個(gè)額外的元件，并且串聯(lián)電阻器和電容器會(huì)引入電阻電容 (RC) 延時(shí)。RC 時(shí)間常數(shù)會(huì)減慢差分信號(hào)的上升沿和下降沿，并限制網(wǎng)絡(luò)的最大數(shù)據(jù)速率。

表 2 總結(jié)了三種端接場(chǎng)景。

表 2：端接技術(shù)摘要

為實(shí)現(xiàn)出色的信號(hào)完整性，最好使電纜的差模特性阻抗匹配等值的端接阻抗。但如果您采取適當(dāng)?shù)牟襟E，也能成功實(shí)施交流端接或完全避免端接。

審核編輯：郭婷