RS-485基礎知識：何時需要端接，以及如何正確端接

RS-485 網絡的許多信號完整性和通信問題都源于端接，這可能是因為缺少端接或端接不正確。在 RS-485 基礎知識系列的這一部分，我將討論何時不需要端接 RS-485 網絡，以及在需要端接時如何使用標準（并聯）端接和交流電 (AC) 端接網絡。

如本系列上一部分所述，RS-485 收發器的驅動器必須能夠在 32 個單位負載和兩個 120Ω 端接電阻上驅動 1.5V。我在本文中沒有提到這一點，但要說明的是，120Ω 端接電阻值來源于雙絞線總線的差模特性阻抗。簡而言之，線規、絕緣類型和厚度以及每單位長度的扭絞數都會影響高速數據信號“接觸”的阻抗。該阻抗以歐姆表示，對于雙絞線電纜，其范圍通常為 100Ω 至 150Ω。RS-485 標準的起草者選擇 120Ω 作為標稱特性阻抗，因此為了匹配此阻抗，端接電阻器的默認值也為 120Ω。

端接網絡存在的理由

將電纜的特性阻抗與端接網絡相匹配，總線末端的接收器便能夠接收最大信號功率。如果讓傳輸線路保持未端接狀態，或端接值與電纜阻抗不相等，則會導致不匹配，從而在網絡末端產生反射。顧名思義，反射就是信號的一些能量返回到線路，然后建設性地或破壞性地干擾沿總線傳播的下一個位。一個破壞性的例子是，如果反彈回來的反射信號與輸入信號相異，將導致接收器接收更小的輸入信號。如果嚴重不匹配，反射回來的能量會導致后續位被接收器誤解和錯誤解碼。

公式 1 表明，對于反射系數，要接近零，輸入阻抗 ZL 需要與源阻抗 ZS 匹配。如果負載和源阻抗差很大，幾乎整個信號都會反射。

如您所見，為實現出色的信號完整性，最好使交流線路阻抗匹配等值的端接阻抗。并非所有設計人員都想這樣做，這是為什么？因為添加端接網絡會增加整個系統的成本，而且這些端接網絡還會為驅動器增加并聯負載，從而導致更大的穩態負載電流。在降低功耗至關重要的功耗敏感型應用（例如在電池供電的應用）中，一種節省功耗的選擇是不端接總線。下面我們來討論哪些情況下可以不端接。

不需要端接的網絡

不需要端接網絡的一種情況是，網絡的雙向環路時間比 1 位環路時間短得多（tbit > 10 倍雙向環路延時）。在此類情況下，反射每次到達網絡末端時都會損失能量。

從圖 1 中可以看出，每次信號在電纜末端反射時，反射幅度都會繼續衰減。圖 1 顯示了信號的三個往返和總共六次反射。

圖 1：每次發生反射時的反射衰減幅度

估計總線未端接端的輸入阻抗為 96kΩ（八分之一單位負載），驅動器的源阻抗為 60Ω，根據表 1 中列出的計算方式，信號反射會衰減。

表 1：信號衰減計算示例

如表 1 所示，到信號第六次反射時，它已衰減到其原始幅度的 4% 以下。在此之后，可以肯定地說反射不會再導致信號完整性問題。由于某個位的采樣點通常出現在位深度的 50-75% 之間，因此您需要確保這三個往返延遲出現在采樣點之前。

需要端接的網絡

對于位時間并不明顯長于電纜環路時間的應用，為了盡量減少反射，端接至關重要。最基本的端接網絡稱為標準或并聯端接網絡，由單個電阻組成（圖 2）。

圖 2：標準端接網絡

對于標準端接，您可以使端接電阻值與網絡兩端線纜的差模特性阻抗相匹配。這樣可確保正確端接在總線上雙向傳輸的信號。正如我之前提到的，這種類型的端接方案的主要缺點是，只要驅動器處于運行狀態，電阻器就會充當驅動器的一個直流 (DC) 負載。

使用交流端接有助于減輕這種功率耗散，而無需對總線長度提出如此長的位時間要求。圖 3 顯示了交流端接方案。

圖 3：交流端接網絡

由于電流通常從 RS-485 驅動器的一側流過端接網絡，然后流過驅動器的另一側，因此通過放置串聯電容器可使穩態電流變為零。這種端接有兩個注意事項：它需要在每個端接網絡上使用一個額外的元件，并且串聯電阻器和電容器會引入電阻電容 (RC) 延時。RC 時間常數會減慢差分信號的上升沿和下降沿，并限制網絡的最大數據速率。

表 2 總結了三種端接場景。

表 2：端接技術摘要

為實現出色的信號完整性，最好使電纜的差模特性阻抗匹配等值的端接阻抗。但如果您采取適當的步驟，也能成功實施交流端接或完全避免端接。