詳解RS-485上下拉電阻的選擇

1、 為什么需要加上下拉電阻?

根據RS-485標準,當485總線差分電壓大于+200mV時,485收發器輸出高電平;當485總線差分電壓小于-200mV時,485收發器輸出低電平;當485總線上的電壓在-200mV~+200mV時,485收發器可能輸出高電平也可能輸出低電平,但一般總處于一種電平狀態,若485收發器的輸出低電平,這對于UART通信來說是一個起始位,此時通信會不正常。

當485總線處于開路(485收發器與總線斷開)或者空閑狀態(485收發器全部處于接收狀態,總線沒有收發器進行驅動)時,485總線的差分電壓基本為0,此時總線就處于一個不確定的狀態。同時由于目前485芯片為了提高總線上的節點數,輸入阻抗設計的比較高,例如輸入阻抗為1/4單位阻抗或者1/8單位阻抗(單位阻抗為12kΩ,1/4單位阻抗為48kΩ),在管腳懸空時容易受到電磁干擾。

因此為了防止485總線出現上述情況,通常在485總線上增加上下拉電阻(通常A接上拉電阻,B總線下拉電阻)。若使用隔離RS-485收發??椋ɡ鏡SM485PCHT),由于??檳誆烤哂猩舷呂繾瑁ǘ雜赗SM485PCHT,內部上下拉電阻為24kΩ),因此在??橥獠懇話悴恍枰黽由舷呂繾?。

2、 什么情況下需要加上下拉電阻?

當遇到信號反射問題時,通?;嵬ü黽悠ヅ淶繾櫪幢苊廡藕歐瓷?,以1對1通信為例,如圖 1所示。由于485總線通常使用特性阻抗為120Ω的雙絞線,因此在485總線的首尾兩端增加120Ω終端電阻來避免信號反射問題。


圖1兩個RSM485PCHT??橥ㄐ諾緶?/div>

根據RSM485PCHT的具體參數(如表 1)可以得到如圖 2所示等效電路,其中RPU、RPD為??檳誆吭?85總線上加的上下拉電阻,RIN為??櫚氖淙胱榪?。

表1 RSM485PCHT參數



圖2RSM485PCHT通信等效示意圖

當兩個??槎即τ誚郵兆刺?,可以根據基爾霍夫電流定律對節點A和節點B列出下列公式


根據上述公式可以計算AB之間的差分電壓為


此時??橐汛τ誆蝗范ㄗ刺?,??榻郵掌骺贍蓯涑鑫叩縉?,也可能輸出為低電平,這時就需要在??橥獠吭黽由舷呂繾璞Vつ?樵誑障惺輩淮τ誆蝗范ㄗ刺?。

3、 上下拉電阻如何???

假設??櫚氖涑齙繚吹繆筕?O相同,由于RGND接在一起,因此可以認為??檳誆康納俠繾枋遣⒘諞黃鸕?,為了方便解釋,對圖 2的電路進行整理,如圖 3所示,在??橥獠吭黽由舷呂繾榪梢匝≡裰輝黽右蛔?,也可以選擇在每個??槎莢黽由舷呂繾?,為了解釋方便,我們在485總線上增加一組上下拉電阻。


圖3RSM485PCHT通信等效電路圖

其中:RPU為??檳誆可俠繾?,RPD為??檳誆康南呂繾?,本例中為24kΩ;

RIN為??榻郵掌魘淙胱榪?,本例取最小值為120kΩ;

RT為終端電阻,本例取120Ω;

RPU_EX為??橥獠克擁納俠繾?,RPD_EX為??橥獠克擁南呂繾?;

由于RSM485PCHT的門限電平為-200mV~+200mV,一般留有100mV或200mV的電壓裕量,本例留有100mV的電壓裕量,根據前面所推導的差分電壓公式,可以得到下面計算公式


由于RSM485PCHT在供電電壓范圍為4.75V~5.25V,取VO=4.75V(最低輸入電壓VCC=4.75V情況下),可得:


由RPU=24kΩ,可得RPU_EX=RPD_EX=461.9Ω,由于計算出的電阻值為最大值,因此可以選擇在485總線上僅加一組410Ω或390Ω的上下拉電阻,或者加兩組910Ω上下拉電阻。

4、 如何驗證上下拉電阻取值?

上述計算僅考慮了485總線空閑狀態時不處于不確定狀態,并沒有考慮485收發器的驅動能力和所用元器件的功耗等問題。外部所加上下拉電阻越小,可以將485總線空閑狀態差分電壓保持的越高,但與此同時,終端電阻和上

下拉電阻的功耗也越大,對485收發器的驅動能力要求也越高,當超過485收發器的驅動能力時,也會導致通信失敗。

根據RS-485標準,當接收器的輸入阻抗為單位阻抗時(最小為12k),總線上最多可以接32個節點,485的差分負載最大為54Ω,此時差分輸出電壓最小為1.5V。


圖4485總線連接32個節點等效示意圖

如圖4所示,我們可以看到當485總線上接有32個節點時,總線A或B的共模負載為:


由此可見,對于RS-485的標準來說,A總線或B總線的最大共模負載為375Ω。


圖5485總線增加終端電阻等效示意圖

當增加終端電阻后,可以發現485總線的共模負載沒有發生變化,但差模負載急劇減小,差模負載為


圖6RSM485PCHT 64個節點等效示意圖

因此當485總線的節點數達到最多以及增加終端電阻后,485總線的差模負載仍大于54Ω,根據RS-485的標準,差分輸出電壓最小為1.5V。


以RSM485PCHT為例說明增加上下拉電阻的情況,如圖 6所示,總線A或B的共模負載為:


實際測試上述情況,驅動輸出的最小差分電壓3.02V,這個電壓遠大于RS-485標準規定的最小差分輸出電壓1.5V。


圖7RSM485PCHT 64個節點增加終端電阻示意圖

當在485總線上增加終端電阻時,可以看出總線A或B的共模負載并沒有發生變化,而差分阻抗有了較大的變化,此時差模負載為:


計算出的差模負載要略大于RS-485標準規定的最大負載為54Ω,我們對RSM485PCHT進行實際測試,其輸出差分電壓1.58V,略大于標準規定的最小電壓。

當差模負載為54Ω(485總線接兩個120Ω終端電阻并且上拉電阻(下拉電阻)與收發器內阻的并聯值為270Ω)時,RSM485PCHT的差分輸出電壓為1.52V(實測值),基本和RS-485標準相同。當差模負載為41.54Ω(485總線接兩個120Ω終端電阻并且上拉電阻(下拉電阻)與收發器內阻的并聯值為135Ω)時,RSM485PCHT的差分輸出電壓在1.17V左右(實測值),在這種情況下可以通信。

5、 總結

1) 通信線應選用屏蔽雙絞線,屏蔽層應單點接大地;

2) 當我們沒有遇到信號反射問題時,盡量不要使用終端電阻;

3) 如果使用終端電阻,我們可以通過上下拉電阻調節485總線在空閑狀態的電壓值,保證不處于門限電平(-200mV~+200mV或-200mV~-40mV)范圍內;

4)當我們增加上下拉電阻時,上拉電阻(下拉電阻)與收發器輸入阻抗的并聯值應大于375Ω;

{ganrao}