終端電阻的具體作用是什么？信號(hào)反射是怎么產(chǎn)生的？

使用過(guò)CAN或RS-485總線的同學(xué)應(yīng)該對(duì)終端電阻有所了解，用485和CAN總線的時(shí)候只知道要加一個(gè)120歐的終端電阻，但是終端電阻具體的作用是什么呢？什么是終端電阻？百度百科中對(duì)終端電阻的解釋為： ?

終端電阻，是一種電子信息在傳輸過(guò)程中遇到的阻礙。高頻信號(hào)傳輸時(shí)，信號(hào)波長(zhǎng)相對(duì)傳輸線較短，信號(hào)在傳輸線終端會(huì)形成反射波，干擾原信號(hào)，所以需要在傳輸線末端加終端電阻，使信號(hào)到達(dá)傳輸線末端后不反射。對(duì)于低頻信號(hào)則不用。在長(zhǎng)線信號(hào)傳輸時(shí)，一般為了避免信號(hào)的反射和回波，也需要在接收端接入終端匹配電阻。 ?

看了上面的定義，可能大家都清楚終端電阻的作用主要是用于消除信號(hào)反射。我相信很多人對(duì)信號(hào)反射仍然一知半解。小編為大家總結(jié)了一下的幾個(gè)疑問(wèn)：

終端電阻的具體作用是什么？

信號(hào)反射是怎么產(chǎn)生的？

終端電阻如何消除信號(hào)反射？

為什么終端電阻的阻值是120歐姆？

終端電阻怎么測(cè)量？

終端電阻怎么接線？

一：終端電阻的具體作用是什么？

CAN總線終端電阻的作用有3個(gè)：????????????

1、提高抗干擾能力，讓高頻低能量的信號(hào)迅速走掉

2、確?？偩€快速進(jìn)入隱性狀態(tài)，讓寄生電容的能量更快走掉；

3、提高信號(hào)質(zhì)量，放置在總線的兩端，讓反射能量降低。

提高抗干擾能力

我們都知道CAN總線上的信號(hào)區(qū)分“顯性”和“隱性”兩種狀態(tài)?！帮@性”對(duì)應(yīng)二進(jìn)制的“邏輯0”，“隱性”對(duì)應(yīng)二進(jìn)制的“邏輯1”；如下圖所示。

CANH與CANL差分電壓為0V左右時(shí)為“隱性”，差分電壓為2V左右時(shí)為“顯性”，“顯性”或“隱性”由CAN收發(fā)器決定。以TJA1042T收發(fā)器為例，內(nèi)部邏輯框圖如下：

總線“顯性”時(shí)，收發(fā)器內(nèi)部Q1、Q2導(dǎo)通，CANH、CANL之間產(chǎn)生壓差；“隱性”時(shí)，Q1、Q2截止，CANH、CANL處于無(wú)源狀態(tài)，壓差為0。

總線負(fù)載時(shí)，“隱性”時(shí)差分電阻阻值很大，外部的干擾只需要極小的能量即可令總線進(jìn)入“顯性”（一般的收發(fā)器顯性門(mén)限最小電壓僅500mV，壓差為500mV時(shí)，總線就判斷為“顯性”）?？偩€上有差模干擾時(shí)，總線上就會(huì)有明顯的波動(dòng)，而這些波動(dòng)沒(méi)有地方能夠吸收掉他們，就會(huì)在總線上創(chuàng)造一個(gè)顯性位出來(lái)。

所以為提升總線隱性時(shí)的抗干擾能力，可以增加一個(gè)差分負(fù)載電阻，且阻值盡可能小，以杜絕大部分噪聲能量的影響。然而，為了避免需要過(guò)大的電流總線才能進(jìn)入“顯性”，阻值也不能過(guò)小。

確?？偩€盡快進(jìn)入隱性狀態(tài)

由于總線上不可避免的存在寄生電容，CAN總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，“隱性”和“顯性”狀態(tài)變化會(huì)對(duì)寄生電容進(jìn)行充電和放電，若總線中無(wú)阻性負(fù)載，信號(hào)波形會(huì)出現(xiàn)“緩慢變化”的過(guò)程。如下圖所示;

將上圖放大后可發(fā)現(xiàn)顯性恢復(fù)到隱性的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1.44μS。在采樣點(diǎn)較高的情況下勉強(qiáng)能夠通信，若通信速率更高，或寄生電容更大，則很難保證通信正常。如下圖所示：

為了讓總線寄生電容快速放電，確?？偩€快速進(jìn)入隱性狀態(tài)，需要在CANH、CANL之間放置一個(gè)負(fù)載電阻。

增加一個(gè)60Ω的電阻后，從上圖中看出，顯性恢復(fù)到隱性的時(shí)間縮減到128nS，與顯性建立時(shí)間相當(dāng)。

由以上的波形對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，終端電阻會(huì)使總線更快的在“顯性”和“隱性”狀態(tài)間變化。

吸收反射的信號(hào)，提高信號(hào)質(zhì)量

信號(hào)在較高的轉(zhuǎn)換速率情況下，信號(hào)當(dāng)信號(hào)遇到阻抗變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射；傳輸線纜橫截面的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，線纜的特征阻抗會(huì)隨之變化，也會(huì)造成反射。反射的信號(hào)則會(huì)返回來(lái)影響質(zhì)量，在總線上產(chǎn)生“振鈴”，如下圖所示：

若“振鈴”信號(hào)過(guò)大，就會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量，甚至造成總線數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤；

在線纜末端增加一個(gè)與線纜特征阻抗一致的終端電阻，可以將反射信號(hào)的能量吸收，避免振鈴的產(chǎn)生，如下圖所示。

二：信號(hào)反射是怎么產(chǎn)生的？

阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射。

阻抗不連續(xù)時(shí)的反射

當(dāng)交流電在導(dǎo)體中時(shí)，一旦阻抗發(fā)生變化，比如從一種材質(zhì)的導(dǎo)線進(jìn)入了另一種材質(zhì)的導(dǎo)線，電流就會(huì)分成兩部分，一部分進(jìn)入下一段介質(zhì)繼續(xù)傳輸，另一部分則沿原路徑返回，干擾后面的信號(hào)。

這個(gè)現(xiàn)象與光的傳播類(lèi)似。當(dāng)光線從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時(shí)，一部分衰減后繼續(xù)前進(jìn)，另一部分則返回原介質(zhì)。

CAN信號(hào)傳輸至在線纜終點(diǎn)時(shí)，由于阻抗突然發(fā)生變化，就相當(dāng)于讓電流從導(dǎo)線進(jìn)入空氣這種介質(zhì)。由于兩種介質(zhì)差異很大，因此電流的反射效果較明顯。

反射的信號(hào)會(huì)疊加在后面正常的信號(hào)上。如果反射的信號(hào)較強(qiáng)，使得接收節(jié)點(diǎn)不能從疊加后的電波中辨識(shí)出有用的信息，通訊就無(wú)法正常進(jìn)行。

在線纜終點(diǎn)處，增加與線纜阻抗相匹配的終端電阻（比如120歐），不會(huì)出現(xiàn)阻抗突然變化的情況，即可有效避免信號(hào)的反射。

阻抗不匹配時(shí)的信號(hào)反射

當(dāng)CAN收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配時(shí)，也會(huì)引起信號(hào)反射。

在高頻電路中，當(dāng)信號(hào)的頻率很高時(shí)，則信號(hào)的波長(zhǎng)就很短，當(dāng)波長(zhǎng)短得跟傳輸線長(zhǎng)度可以比擬時(shí)，反射信號(hào)疊加在原信號(hào)上將會(huì)改變?cè)盘?hào)的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，在負(fù)載端就會(huì)產(chǎn)生反射。

【請(qǐng)關(guān)注本公眾號(hào)的其他文章，了解什么是阻抗匹配，什么是阻抗不匹配】。

三：為什么終端電阻是120歐姆？

通過(guò)以上信號(hào)反射產(chǎn)生的原因，我們可以總結(jié)出：終端電阻的阻值取決于線纜的阻抗。 ? 任何一根線纜的特征阻抗都可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式得出。線纜的一端接方波發(fā)生器，另一端接一個(gè)可調(diào)電阻，并通過(guò)示波器觀察電阻上的波形。調(diào)整電阻阻值的大小，直到電阻上的信號(hào)是一個(gè)良好的無(wú)振鈴的方波，此時(shí)的電阻值可以認(rèn)為與線纜的特征阻抗一致。 ? 在CAN總線中使用的典型線纜，將它們扭制成雙絞線，就可根據(jù)上述方法得到特征阻抗大約為120Ω，這也是CAN標(biāo)準(zhǔn)推薦的終端電阻阻值，所以這個(gè)120Ω是測(cè)出來(lái)的，不是算出來(lái)的，都是根據(jù)實(shí)際的線束特性進(jìn)行計(jì)算得到的。 ? 這也是CAN標(biāo)準(zhǔn)中推薦的阻值 ?

四：CAN終端電阻怎么接線？

如下圖所示是CAN總線的經(jīng)典拓?fù)鋱D。終端電阻一般選擇放在最遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上。如果其中一個(gè)放在中間位置，終端電阻外面的CAN收發(fā)器處于支路上，這將大大增加該節(jié)點(diǎn)的信號(hào)反射，進(jìn)而影響總線通訊。