终端电阻的作用是消除信号反射,但其实并不是所有情况都需要终端电阻,有时终端电阻反而会影响信号质量。本篇文章为大家深度解析 CAN/RS-485 总线的终端电阻设置。
 
如果我们查询百度百科,终端电阻的档案似乎十分清白:
 
 
仿佛在通讯链路的首末两端加上这样一个法宝,即可避免信号的反射,使信号的传播更为顺畅。这样说虽然没有错误,但仍有些细枝末节没能捋出头绪。下面让我们来看看 CAN 总线和 485 总线中终端电阻的情况如何?
 
一 CAN 总线
 
 
CAN 总线中,终端电阻是必不可少的。它存在的意义主要包括两点:
 
可以确保电平快速进入隐性状态;
 
提升信号质量。
 
1、确保电平快速进入隐性状态
在显性状态期间,总线的寄生电容会被充电,而在恢复到隐性状态时,这些电容需要放电。如果 CANH、CANL 之间没有放置任何阻性负载,电容只能通过收发器内部的差分电阻放电。我们在收发器的 CANH、CANL 之间加入一个 220PF 的电容进行模拟试验,位速率为 500kbit/s,波形如下图所示。
 
CAN 总线 220pf 无终端电阻
 
CAN 总线 220pf 增加终端电阻
 
2、提高信号质量
信号在较高的转换速率情况下,信号边沿能量遇到阻抗不匹配时,会产生信号反射;传输线缆横截面的几何结构发生变化,线缆的特征阻抗会随之变化,也会造成反射。
 
在总线线缆的末端,阻抗急剧变化导致信号边沿能量反射,总线信号上会产生振铃,若振铃幅度过大,就会影响通信质量。在线缆末端增加一个与线缆特征阻抗一致的终端电阻,可以将这部分能量吸收,避免振铃的产生,如下图所示。
 
CAN 总线无终端电阻
 
CAN 总线增加终端电阻

 

 
二 485 总线
 
 
1、RS-485 总线增加终端电阻好处
485 总线设置终端电阻主要是为了用来抑制信号的反射。
 
提高信号质量组建 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下图所示,终端电阻明显改善了信号的质量。
 
RSM485ECHT 1200m 500kbps 不加终端电阻
 
RSM485ECHT 1200m 500kbps 加终端电阻
 
2、RS-485 增加终端电阻的问题
终端电阻虽然可以提高信号质量,但还具有以下几个问题:
 
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下图所示。
 
RSM485ECHT 5m 500kbps 不加终端
 
RSM485ECHT 5m 500kbps 加终端

 

 
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下图所示(0.75mm2 通信线),末端信号与首端信号相比下降了 0.7V 左右。
 
RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加终端电阻 首端波形
 
RSM485ECHT 1200m 115.2kbps 加终端电阻 末端波形
 
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。
 
3、RS-485 终端电阻设置
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。
 
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。
 
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。
 
RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加终端 首端波形
 
RSM485ECHT 1200m 9600bps 不加终端 末端波形
 
三 总结
对于 CAN 总线而言,为保证通讯的稳定性,必须增设终端电阻;RS-485 总线不一样。终端电阻的设置需要根据情况而设置,在设计建议预留终端电阻位置或者使用 ZLG 致远电子隔离收发器系列产品,能有效解决总线干扰、通信异常等问题。与传统的设计相比,其内置完整的隔离 DC-DC 电路、信号隔离电路、总线收发电路以及防护电路,具备更高的集成度与可靠性,适用于需要高稳定性通讯的场合,能够有效帮助您提升总线通信防护等级。