一文讀懂｜CAN總線為何要加終端電阻
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信號(hào)發(fā)射
在電路中，信號(hào)反射是指信號(hào)在傳輸線或電路中遇到阻抗不匹配導(dǎo)致部分信號(hào)被反射回去的現(xiàn)象。這種反射會(huì)引起信號(hào)的失真和干擾，對(duì)電路的性能和可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。
至于為什么會(huì)反射，這里引用《信號(hào)完整性與電源完整性分析第三版》原文（有省略）的分析：為什么信號(hào)遇到阻抗突變時(shí)會(huì)發(fā)生反射？答案是：產(chǎn)生反射信號(hào)時(shí)為了滿足兩個(gè)重要的邊界條件。
必須記住，信號(hào)到達(dá)瞬時(shí)阻抗不同的兩個(gè)區(qū)域（區(qū)域1，區(qū)域2）的交界面時(shí)，在信號(hào)-返回路徑的導(dǎo)體中僅存在一個(gè)電壓和一個(gè)電流回路。在交界面處，無論時(shí)從區(qū)域1還是從區(qū)域2看過去，在交界面兩側(cè)的電壓和電流都必須相等。邊界處不可能出現(xiàn)電壓不連續(xù)，否則此處會(huì)有一個(gè)無限大的電場；交界面處也不可能出現(xiàn)電流不連續(xù)，否則會(huì)在此處產(chǎn)生靜電荷。
假如沒有產(chǎn)生返回源端的反射電壓，同時(shí)又要維持交界面兩側(cè)的電壓和電流相等，就需要關(guān)系式V1=V2，I1=I2。但是，又有I1=V1/Z1，I2=V2/Z2。當(dāng)兩個(gè)區(qū)域的阻抗不同時(shí)，這4個(gè)關(guān)系式絕對(duì)不可能同時(shí)成立。
上訴文章論述中，原作者是借用了反證法與數(shù)學(xué)推論說明，當(dāng)瞬時(shí)阻抗突變時(shí)會(huì)不合理，從而只有反射才能使得兩個(gè)邊界條件成立。當(dāng)然以上分析方法是基于集總電路理論分析的，所以顯得物理世界有些擬人化了。作者在本段最后也說：“沒有人知道到底是什么產(chǎn)生了反射電壓，只是知道這樣產(chǎn)生之后，交界面兩側(cè)的電壓才能相等，交界面處的電壓才是連續(xù)的?！睂?shí)際上，我在深入了解后發(fā)現(xiàn)，如果使用電磁學(xué)理論來研究反射問題會(huì)有更合理的解釋，也就是搞清楚為什么電磁波會(huì)在波導(dǎo)體內(nèi)發(fā)生反射。但是這又是另一個(gè)話題了。
《信號(hào)完整性與電源完整性分析第三版》上述文段中的分析并不妨礙我們計(jì)算反射系數(shù)等等反射規(guī)律，文段的結(jié)論是：在阻抗突變的地方會(huì)發(fā)生反射，這意味著我們?yōu)榱吮苊膺@種情況的發(fā)生能有以下措施：
· 使用可控阻抗互聯(lián)；
· 傳輸線兩端至少有一個(gè)端接匹配；
· 選擇布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使分支的影響最小化；
· 讓幾何結(jié)構(gòu)的任何突變都最小化。
阻抗匹配
所以在信號(hào)線上我們一般會(huì)加端接匹配電阻用來避免信號(hào)反射同時(shí)增強(qiáng)抗干擾能力，CAN總線也不例外。在CAN總線上我們常常端接120歐姆電阻用以阻抗匹配。
如果阻抗不匹配會(huì)發(fā)生什么？下面我們建立一個(gè)模型分析：
圖1 傳輸線模型
如圖1所示，信號(hào)源內(nèi)阻120Ω，源端端接120Ω電阻，接收端開路因此反射系數(shù)為1。探針1為源端電壓V1，探針2為接收端電壓V2。我們假設(shè)傳輸延遲1ns，信號(hào)源電壓幅值5V。
那么下面V1和V2隨時(shí)間變化的理想曲線如圖2：
圖2 反射電壓
可以看到，從第0秒開始，發(fā)射端給出一個(gè)5V的信號(hào)電壓，經(jīng)過1ns之后到達(dá)接收端，由于此時(shí)接收端處于全反射狀態(tài)因此與源端信號(hào)疊加在1ns時(shí)刻V2變成10V，反射信號(hào)由于全反射并沒有被消耗于是又經(jīng)過1ns返回發(fā)射端使V1在2ns時(shí)刻變成10V。
以上是在理想情況下的反射情況，實(shí)際電路中并不存在全反射，因此實(shí)際的反射曲線會(huì)是一個(gè)幅值逐漸減小的振鈴形式的信號(hào)。例如圖3：
圖3 V2電壓
綜上所述，信號(hào)反射是電路中常見的問題，會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量和電路性能產(chǎn)生不良影響。采取適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ浜徒档头瓷涞姆椒梢詼p少信號(hào)反射并提高電路的穩(wěn)定性和可靠性。
評(píng)論