RS485深入解析1:传输线的特性阻抗

RS485总线相信对大家来说都不陌生,我也使用了很多年,熟知其电路的画法、软件程序的设计方法,并积累了一些在工程上实际应用的经验。但总感觉自己附在表面上,“为什么要加120欧的匹配电阻?”、 “匹配电阻要加在哪里?”、“为什么要加偏置电阻?”,“偏置电阻多少才合适”,“如何才能正确通过EMC测试”等等这些问题已经困扰了我很久,经验是工程中反复实验得来的,现在该是沉下心来,弥补自己理论的时候了,所以特写此文。本文希望能够从一个全新的角度阐述RS485,在不涉及过多复杂的数学公式的前提下,把RS485的理论和经验结合起来,一求强化自己的理解,二求能够和大家进行技术共享和交流。

说起RS485,我们首先需要考虑的是其传输介质:双绞线,本文就从传输线的特性阻抗开始说起。

1、 传输线

传输线是由两条具有一定长度的组成的信号通讯回路,如下图所示。一条标记为信号路径,另一条标记为返回路径。我们在设计电路时,希望:a、返回电流是要紧靠信号电流;b、高频时信号路径和返回路径的回路电感要最小化;c、只要情况允许,返回路径会尽量靠近信号路径。当两条线是一样时,如RS485使用的双绞线,信号路径与返回路径就没有严格的区分了。我们可以指定任意一条为信号路径,而另一条为返回路径。如果导线上任何一处的横截面相同,还是我们所说的双绞线,我们就称这种传输线为均匀传输线(注1)。进一步,如果两条导线的形状和大小都一样,还是我们所说的双绞线,我们就称这种传输线为对称传输线。好了,我们现在应该知道了RS485上使用的双绞线应该为对称均匀传输线,也可以称其为对称可控阻抗传输线(注1)。

2、传输线的瞬态阻抗

考虑下图,我们可以把传输线看作(不是特效)由一排小电容组成的模型,其值就是上面的小人走1步 的电容量。

通过电容模型,我们可以计算出传输线上的电流。可见导线上的电流仅与传输线上单位长度的电容量,信号的传播速度以及信号的电压有关。所以,在传输线上每前进一步时,信号受到的阻抗就像电阻性负载一样。

从这个关系式,我们可以计算出信号沿传输线传播时受到的瞬态阻抗。瞬态阻抗等于施加的电压与流过器件的电流的比值:

可以看出只要传输线的横截面和材料特性这两个参数保持不变,信号受到的瞬态阻抗就是一个常。由于信号的速度取决于材料特性,我们可以得出传输线单位长度电容和瞬态阻抗的关系。例如,若介电常数为4,单位长度电容为3.3
皮法/in,则传输线的瞬态阻抗为:

3、特性阻抗

对于均匀传输线,当信号在上面传播时,在任何一处受到的瞬态阻抗都是相同的。在瞬态阻抗不变时,我们将其称为特性阻抗。特性阻抗在数值上与均匀传输线的瞬态阻抗相等,它是传输线的固有属性,且仅与材料特性、介电常数和单位长度电容量有关,而与传输线长度无关。公式为:

传输线的特性阻抗与两导线间的单位长度电容成反比关系。如果我们增加两导线的宽度,就增加了单位长度的电容。如果增加两导线间的距离,则单位长度的电容就减小。

下面给出几种常见传输线的特性阻抗:

RG174电缆:50欧姆

RG58电缆:52欧姆

RG59电缆:75欧姆

RG62电缆:93欧姆

TV Antenna(电视天线):300欧姆

Cable TV(有线电视):73欧姆

Twisted pairs(双绞线):100-120欧姆

这就分析出了RS485使用的双绞线是一种对称均匀传输线,它具有120欧姆的特性阻抗。

4、特性阻抗的形象理解:传输线的输入阻抗

假设我们用欧姆表测量末端开路传输线的特性阻抗,根据常识我们可以判断其显示的值是无穷大。如果我们考虑这条传输线无穷长,信号在传输线上传播是有时间的,当信号还没有返回来时,我们测到的阻值应该是多少呢?答案就是传输线的特性阻抗。

所以可以这样定义传输线的输入阻抗:从传输线一端看进去的阻抗是随时间而变化的。在信号往返时间之内,所测量到的阻抗就是特性阻抗。如果等待时间足够长,测量到的阻抗将会是开路。

所以当信号频率提高时,特性阻抗就显现出来,对于高速驱动器而言,当驱动一条传输线时,在往返时间内,它受到的输入阻抗等效为一个纯电阻。

5、传输线的驱动

高速驱动器驱动传输线时,传输线的输入阻抗在往返时间内表现为电阻,大小等于特性阻抗。如图所示,建立驱动器和传输线的等效电路模型,计算加到传输线上的电压。

为了驱动传输线,使加到传输线上的电压接近于源电压,则驱动器的输出电阻与传输线的特性阻抗相比要非常小。例如,如果传输线的特性阻抗为50欧姆,源电阻要应小于10。若输出器件的输出阻抗特别低,如10欧姆或更小,通常称之为线性驱动器,它们能把绝大部分电压加到传输线上。(注2)

6、传输线的等效电气模型

上面所介绍的传输线模型是理想的物理模型,下图所示的传输线电气模型进一步近似物理传输线。这个最简单的传输线等效电路模型中,每两个小电容就被一个小回路电感隔开。图中C表示两导线间的电容,L表示两小节之间的回路电感。

此时特性阻抗的公式变为:

通过这个公式我们就可以进一步说明特性阻抗与频率的关系,随着频率的升高回路电感将下降。这说明在低频时,特性阻抗比较高,随着频率的升高,特性阻抗将下降到某一恒定值。

本文详细阐述了传输线的特性阻抗,由此说明了RS485传输信号使用的双绞线为对称均匀传输线,其由特定的特性阻抗,一般选为120欧姆。那么为什么要在RS485中加入同样也是120欧姆的匹配电阻呢?我将在“RS485深入解析2”中加以介绍。

注1:其它很多资料也称均匀传输线为可控阻抗传输线。

注2:本文涉及的模型是单端输出模型,而RS485是双端输出,我将在后续文章中加以介绍。

注3:本文在写作过程中查阅了大量网上资料,对引用的出处未能一一注明,特表歉意。

注4:本文主要参考书来自《信号的完整性》美 Eric Bogatin著,李玉山翻译,电子工业出版社 2005.4出版。我已将影印版和每章的PPT文档上传到我在CSDN建立的空间,大家可以在http://download.csdn.net/detail/qingwufeiyang12346/8953423下载。

原创性文章,转载请注明出处 http://user.qzone.qq.com/2756567163

版权声明:本文为博主原创文章,未经博主允许不得转载。

时间: 2024-10-12 13:13:59

RS485深入解析1:传输线的特性阻抗的相关文章

RS-485接口电路指南(TI:SLLA036D)

        摘要:本设计指南讨论如何设计RS-485接口电路.文中讨论了平衡传输线标准的必要性,并给出了一个过程控制设计例子.文中还分标题讨论了线路负载.信号衰减.失效保护和电流隔离. 1. 为什么需要平衡传输线标准 本文的重点在于工业最广泛使用的平衡传输线标准:ANSI/TIA/EIA-485-A(以下简称485).在回顾一些485标准的关键方面后,通过一个工厂自动化例子,介绍实际项目中如何实施差分传输结构. 远距离.高噪声环境下,计算机组件和外设之间的数据传输通常是困难的,如果有可能的话

利用Cadence PCB SI分析特性阻抗变化因素

1.概要 在进行PCB SI的设计时,理解特性阻抗是非常重要的.这次,我们对特性阻抗进行基础说明之外,还说明Allegro的阻抗计算原理以及各参数和阻抗的关系. 2.什么是特性阻抗? 2.1 传送线路的电路特性 在高频率(MHz)信号中,把传送回路作为电路. 2.1.1 电阻R 电阻R是指普通的导线带有的欧姆电阻.R = ρ?L / S [Ω] (S:横截面面积[m2],L:导体长[m],ρ:金属(铜)的电阻率[Ω*m]).在高频频域范围内的话,根据表面效果和集合效果的影响,集中在导体表面电流流

传输线理论

特征阻抗:      传输线理论 电流永远都是一个回路. 信号频率: 如果传输线上传输的信号是低频信号,假设是1KHz,那么信号的波长就是300公里(假设信号速度为光速),即使传输线的长度有1米长,相对于信号来说还是很短的,对信号来说传输线可以看成短路,传输线对信号的影响是很小的.但是对于高速信号来说,假设信号频率提高到300MHz,信号波长就减小到1米,这时候1米的传输线和信号的波长已经完全可以比较,在传输线上就会存在波动效应,在传输线上的不同点上的电压电流就会不同.在这种情况下,我们就不能忽

阻抗匹配基础

英文名称:impedance matching 基本概念 信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间的特定配合关系.一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系,以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响.对电子设备互连来说,比如信号源连放大器,前级连后级,仅仅要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上,就可觉得阻抗匹配良好:对于放大器连接音箱来说,电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱,而晶体管放大器则无此限制,能够接不论什么阻抗的音箱. 匹配条件 ①负载阻

[转]关于时钟线/数据线/地址线上串联电阻及其作用

1.概括 高速信号线中才考虑使用这样的电阻.在低频情况下,一般是直接连接. 这个电阻有两个作用,第一是阻抗匹配.因为信号源的阻抗很低,跟信号线之间阻抗不匹配(关于阻抗匹配,请看详述),串上一个电阻后,可改善匹配情况,以减少反射,避免振荡等. 第二是可以减少信号边沿的陡峭程度,从而减少高频噪声以及过冲等.因为串联的电阻,跟信号线的分布电容以及负载的输入电容等形成一个RC电路,这样就会降低信号边沿的陡峭程度.大家知道,如果一个信号的边沿非常陡峭,含有大量的高频成分,将会辐射干扰,另外,也容易产生过冲

时钟信号线上串一小电阻的作用

摘自一位网友的"http://blog.chinaunix.net/uid-21977330-id-3218353.html" 这个电阻有两个作用,第一是阻抗匹配.因为信号源的阻抗很低,跟信号线之间阻抗不匹配,串上一个电阻后,可改善匹配情况,以减少反射,避免振荡等. 第二是可以减少信号边沿的陡峭程度,从而减少高频噪声以及过冲等.因为串联的电阻,跟信号线的分布电容以及负载的输入电容等形成一个RC电路,这样就会降低信号边沿的陡峭程度.大家知道,如果一个信号的边沿非常陡峭,含有大量的高频成分

layout焊盘过孔大小的设计标准

PCB设计前准备 1.准确无误的原理图.包括完整的原理图文件和网表,带有元件编码的正式的BOM.原理图中所有器件的PCB封装(对于封装库中没有的元件,硬件工程师应提供datasheet或者实物,并指定引脚的定义顺序). 2.提供PCB大致布局图或重要单元.核心电路摆放位置.安装孔位置.需要限制定位的元件.禁布区等相关信息. 设计要求 设计者必须详细阅读原理图,与项目工程师充分交流,了解电路架构,理解电路工作原理,对于关键信号的布局布线要求清楚明了. 设计流程 1.PCB文档规范 文件命名规则:采

怎样做一块好的PCB板

大家都知道理做PCB板就是把设计好的原理图变成一块实实在在的PCB电路板,请别小看这一过程,有很多原理上行得通的东西在工程中却难以实现,或是别人能实现的东西另一些人却实现不了,因此说做一块PCB板不难,但要做好一块PCB板却不是一件容易的事情.微电子领域的两大难点在于高频信号和微弱信号的处理,在这方面PCB制作水平就显得尤其重要,同样的原理设计,同样的元器件,不同的人制作出来的PCB就具有不同的结果,那么如何才能做出一块好的PCB板呢?根据我们以往的经验,想就以下几方面谈谈自己的看法: 一:要明

端接介绍及其种类

接着上面的问题,在这个系列的开篇就说到了拓扑和端接谁也离不开谁,少了谁也玩不活,采用什么拓扑没有对应的端接来消除信号的反射那可不行,所以这篇就来跟大家讨论下端接方式及其种类. 我们都知道在传输线中,当阻抗出现不匹配时,会发生发射,而减小和消除反射的方法是根据传输线的特性阻抗在其发送端或接收端进行阻抗匹配,从而使源反射系数或负载反射系数为零.通常传输线的端接采用以下两种策略: 1.使负载阻抗与传输线阻抗匹配,即终端端接: 2.使源阻抗与传输线阻抗匹配,即源端端接. 根据以上策略大致将端接进行如下的