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。

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