终端电阻的具体作用是什么？信号反射是怎么产生的？

使用过CAN或RS-485总线的同学应该对终端电阻有所了解，用485和CAN总线的时候只知道要加一个120欧的终端电阻，但是终端电阻具体的作用是什么呢？什么是终端电阻？百度百科中对终端电阻的解释为：  

终端电阻，是一种电子信息在传输过程中遇到的阻碍。高频信号传输时，信号波长相对传输线较短，信号在传输线终端会形成反射波，干扰原信号，所以需要在传输线末端加终端电阻，使信号到达传输线末端后不反射。对于低频信号则不用。在长线信号传输时，一般为了避免信号的反射和回波，也需要在接收端接入终端匹配电阻。  

看了上面的定义，可能大家都清楚终端电阻的作用主要是用于消除信号反射。我相信很多人对信号反射仍然一知半解。小编为大家总结了一下的几个疑问：

终端电阻的具体作用是什么？

信号反射是怎么产生的？

终端电阻如何消除信号反射？

为什么终端电阻的阻值是120欧姆？

终端电阻怎么测量？

终端电阻怎么接线？

一：终端电阻的具体作用是什么？

CAN总线终端电阻的作用有3个：‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

1、提高抗干扰能力，让高频低能量的信号迅速走掉

2、确保总线快速进入隐性状态，让寄生电容的能量更快走掉；

3、提高信号质量，放置在总线的两端，让反射能量降低。

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提高抗干扰能力

我们都知道CAN总线上的信号区分“显性”和“隐性”两种状态。“显性”对应二进制的“逻辑0”，“隐性”对应二进制的“逻辑1”；如下图所示。

CANH与CANL差分电压为0V左右时为“隐性”，差分电压为2V左右时为“显性”，“显性”或“隐性”由CAN收发器决定。以TJA1042T收发器为例，内部逻辑框图如下：

总线“显性”时，收发器内部Q1、Q2导通，CANH、CANL之间产生压差；“隐性”时，Q1、Q2截止，CANH、CANL处于无源状态，压差为0。

总线负载时，“隐性”时差分电阻阻值很大，外部的干扰只需要极小的能量即可令总线进入“显性”（一般的收发器显性门限最小电压仅500mV，压差为500mV时，总线就判断为“显性”）。总线上有差模干扰时，总线上就会有明显的波动，而这些波动没有地方能够吸收掉他们，就会在总线上创造一个显性位出来。

所以为提升总线隐性时的抗干扰能力，可以增加一个差分负载电阻，且阻值尽可能小，以杜绝大部分噪声能量的影响。然而，为了避免需要过大的电流总线才能进入“显性”，阻值也不能过小。

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确保总线尽快进入隐性状态

由于总线上不可避免的存在寄生电容，CAN总线数据传输时，“隐性”和“显性”状态变化会对寄生电容进行充电和放电，若总线中无阻性负载，信号波形会出现“缓慢变化”的过程。如下图所示;

将上图放大后可发现显性恢复到隐性的时间长达1.44μS。在采样点较高的情况下勉强能够通信，若通信速率更高，或寄生电容更大，则很难保证通信正常。如下图所示：

为了让总线寄生电容快速放电，确保总线快速进入隐性状态，需要在CANH、CANL之间放置一个负载电阻。

增加一个60Ω的电阻后，从上图中看出，显性恢复到隐性的时间缩减到128nS，与显性建立时间相当。

由以上的波形对比可发现，终端电阻会使总线更快的在“显性”和“隐性”状态间变化。

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吸收反射的信号，提高信号质量

信号在较高的转换速率情况下，信号当信号遇到阻抗变化时，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。反射的信号则会返回来影响质量，在总线上产生“振铃”，如下图所示：

若“振铃”信号过大，就会影响信号质量，甚至造成总线数据传输错误；

在线缆末端增加一个与线缆特征阻抗一致的终端电阻，可以将反射信号的能量吸收，避免振铃的产生，如下图所示。

二：信号反射是怎么产生的？

阻抗不连续和阻抗不匹配时，均会产生信号反射。

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阻抗不连续时的反射

当交流电在导体中时，一旦阻抗发生变化，比如从一种材质的导线进入了另一种材质的导线，电流就会分成两部分，一部分进入下一段介质继续传输，另一部分则沿原路径返回，干扰后面的信号。

这个现象与光的传播类似。当光线从一种介质射入另一种介质时，一部分衰减后继续前进，另一部分则返回原介质。

CAN信号传输至在线缆终点时，由于阻抗突然发生变化，就相当于让电流从导线进入空气这种介质。由于两种介质差异很大，因此电流的反射效果较明显。

反射的信号会叠加在后面正常的信号上。如果反射的信号较强，使得接收节点不能从叠加后的电波中辨识出有用的信息，通讯就无法正常进行。

在线缆终点处，增加与线缆阻抗相匹配的终端电阻（比如120欧），不会出现阻抗突然变化的情况，即可有效避免信号的反射。

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阻抗不匹配时的信号反射

当CAN收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配时，也会引起信号反射。

在高频电路中，当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配时，在负载端就会产生反射。

【请关注本公众号的其他文章，了解什么是阻抗匹配，什么是阻抗不匹配】。

三：为什么终端电阻是120欧姆？

通过以上信号反射产生的原因，我们可以总结出：终端电阻的阻值取决于线缆的阻抗。   任何一根线缆的特征阻抗都可以通过实验的方式得出。线缆的一端接方波发生器，另一端接一个可调电阻，并通过示波器观察电阻上的波形。调整电阻阻值的大小，直到电阻上的信号是一个良好的无振铃的方波，此时的电阻值可以认为与线缆的特征阻抗一致。   在CAN总线中使用的典型线缆，将它们扭制成双绞线，就可根据上述方法得到特征阻抗大约为120Ω，这也是CAN标准推荐的终端电阻阻值，所以这个120Ω是测出来的，不是算出来的，都是根据实际的线束特性进行计算得到的。   这也是CAN标准中推荐的阻值  

四：CAN终端电阻怎么接线？

如下图所示是CAN总线的经典拓扑图。终端电阻一般选择放在最远的两个节点上。如果其中一个放在中间位置，终端电阻外面的CAN收发器处于支路上，这将大大增加该节点的信号反射，进而影响总线通讯。

审核编辑：刘清