作者：Neil Quinn and Richard Anslow

PROCENTEC等行業專家展示了基于RS-485的現場總線技術（PROFIBUS）采用和工業以太網（PROFINET）快速增長的穩步增長。2018年，全球安裝了6100萬個PROFIBUS現場總線節點，其中PROFIBUS過程自動化（PA）同比增長7%。PROFINET 的安裝基礎為 2600 萬個節點，僅在 2018 年就安裝了 510 萬臺設備。

隨著RS-485現場總線采用率的穩步增長和工業4.0加速智能互聯工廠的部署，確?，F場總線技術得到優化有助于實現智能系統。優化的現場總線技術必須仔細平衡EMC穩健性和可靠的數據傳輸。

不可靠的數據傳輸會降低整體系統性能。在運動控制應用中，現場總線通常用于單軸或多軸電機的閉環位置控制。高數據速率和長電纜很常見，如圖1所示。如果位置控制不可靠，那么性能下降實際上意味著機器吞吐量質量降低和工廠生產率降低。在無線基礎設施應用中，現場總線通常用于天線的傾斜/位置控制，其中準確的數據傳輸至關重要。在運動控制和無線基礎設施應用中，都需要不同級別的EMC保護，如圖1所示。運動控制應用通常在電氣噪聲環境中運行，這可能會導致數據錯誤。相比之下，必須保護無線基礎設施免受暴露環境中的破壞性間接雷擊。

圖1.RS-485的EMC、數據速率和電纜長度。

對于這些要求苛刻的應用，需要仔細檢查電纜上的RS-485收發器定時性能，以確?？煽康南到y以及EMC表征。本文介紹了一些關鍵的系統定時和通信電纜概念;提供關鍵性能指標，包括時鐘和數據分配以及電纜驅動能力;并展示了使用下一代ADM3065E/ADM3066E RS-485收發器的工業應用的優勢。

定時性能

當考慮在長電纜上以高數據速率進行可靠的數據傳輸時，時序性能概念（例如抖動和偏斜（通常與低壓差分信號（LVDS）有關）對于RS-485變得非常重要。需要檢查RS-485收發器和系統電纜增加的抖動和歪斜。

抖動和偏斜

抖動可以量化為時間間隔誤差;信號轉換的預期到達時間與實際轉換到達時間之間的差異。在通信鏈路中，抖動有多種因素。每個貢獻者都可以被廣義地描述為隨機或確定性。隨機抖動可以從其高斯分布中識別出來，并且源于半導體內的熱噪聲和寬帶散粒噪聲。確定性抖動來自通信系統內的源;例如，占空比失真、串擾、周期性外部噪聲源或碼間干擾。在使用RS-485標準的通信系統中，數據速率低于100 MHz，其中這些確定性抖動效應主導隨機效應。

峰峰值抖動值是確定性來源產生的總系統抖動的有用度量。峰峰值抖動可以通過在同一顯示器上疊加大量信號轉換（通常稱為眼圖）在時域中檢查。這可以在使用無限持久性的示波器顯示器上實現，也可以使用示波器的內置抖動分解軟件來實現，如圖 2 所示。2

圖2.時間間隔誤差、抖動和眼圖。

疊加過渡的寬度是峰到峰值抖動，中間的開放區域稱為眼圖。該眼圖是接收節點在長RS-485電纜遠端可用采樣的區域。更大的眼圖寬度為接收節點提供了更寬的采樣窗口，并降低了錯誤接收位的風險?？捎玫难蹐D主要受RS-485驅動器和接收器以及互連電纜的確定性抖動貢獻的影響。

圖3顯示了通信網絡中的各種抖動源。在基于RS-485的通信系統中，影響時序性能的兩個關鍵因素是收發器脈沖偏斜和碼間干擾。脈沖偏斜，也稱為脈沖寬度失真或占空比失真，是收發器在發射和接收節點引入的一種確定性抖動形式。脈沖偏斜定義為信號上升沿和下降沿之間的傳播延遲之差。在差分通信中，這種偏斜會產生不對稱的交叉點，并在傳輸的 0 和 1 的持續時間之間產生不匹配。在時鐘分配系統中，過大的脈沖偏斜表現為發射時鐘占空比的失真。在數據分配系統中，這種不對稱性增加了眼圖中觀察到的峰峰值抖動。在這兩種情況下，過度的脈沖偏斜都會對通過RS-485傳輸的信號產生負面影響，并降低可用的采樣窗口和整體系統性能。

圖3.RS-485通信網絡中抖動的主要因素。

當信號邊沿的到達時間受到經過該邊沿的數據模式的影響時，就會發生碼間干擾（ISI）。碼間干擾效應在電纜互連較長的應用中變得突出，使ISI成為RS-485網絡的關鍵貢獻者。較長的互連會產生一個RC時間常數，其中電纜電容在單個比特周期結束時尚未完全充電。在傳輸的數據僅由時鐘組成的應用中，不存在這種形式的碼間干擾。碼間干擾也可能由電纜傳輸線上的阻抗不匹配、線路短截線或端接電阻器使用不當引起。具有高輸出驅動強度的RS-485收發器通常有助于將ISI效應降至最低，因為它們需要更少的時間來為RS-485電纜的負載電容充電。

可容忍的峰峰值抖動百分比高度依賴于應用，通常使用10%抖動來基準測試RS-485收發器和電纜性能的組合。過度抖動和偏斜的組合會影響接收RS-485收發器的采樣能力，從而增加通信錯誤的可能性。在正確端接的傳輸網絡中，選擇經過優化的收發器以最大程度地減少收發器脈沖偏斜和碼間干擾效應，可實現更可靠、無差錯的通信鏈路。

RS-485 收發器設計和電纜效果

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485 標準3提供RS-485發射器和接收器的設計和工作范圍規格，包括電壓輸出差分（VOD）、短路特性、共模負載以及輸入電壓閾值和范圍。RS-485 時序性能（包括偏斜和抖動）未在 TIA-485-A/EIA-485-A 標準中指定，由 IC 供應商根據產品數據手冊規范進行優化。

其他標準，如 TIA-568-B.2/EIA-568-B.2，雙絞線布線的電信標準4提供電纜交流和直流對RS-485信號質量的影響的背景。該標準提供了抖動、偏斜和其他時序測量的注意事項和測試程序，并設置了性能限制;例如，允許的最大 5e 類電纜傾斜為每 100 m 45 ns。 ADI公司應用筆記AN-1399更詳細地討論了TIA-568-B.2/EIA-568-B.2標準，以及使用非理想布線對系統性能的影響。

雖然現有的標準和產品數據手冊提供了有用的信息來源，但任何有意義的系統時序性能表征都需要在長電纜上測量RS-485收發器。

通過RS-485更快、更遠地通信

ADM3065E RS-485收發器具有超低發射器和接收器偏斜性能，這使得這些器件非常適合傳輸精密時鐘，而精密時鐘通常在EnDat 2.2等電機編碼標準中具有這種特性。5經證明，ADM3065E在電機控制應用中遇到的典型電纜長度（圖4和圖5）的確定性抖動不到5%。ADM3065E的寬電源范圍意味著這種時序性能水平適用于需要3.3 V或5 V收發器電源的應用。

圖4.ADM3065E典型時鐘抖動性能

圖5.ADM3065E接收眼圖：25 MHz時鐘分布在100 m電纜上。

除了出色的時鐘分配外，ADM3065E的定時性能還具有可靠的數據分配，具有高速輸出和最小的附加抖動。圖6顯示，通過使用ADM3065E，RS-485數據通信通常引用的時序限制大大放寬。標準RS-485收發器通常以10%或更低的抖動工作。ADM3065E可以在長達100米的電纜上以大于20 Mbps的速度工作，并且在接收節點上仍保持10%的抖動。這種低抖動水平降低了接收數據節點錯誤采樣的風險，并提高了以前使用典型RS-485收發器無法實現的傳輸可靠性。在接收節點可以承受高達 20% 的抖動水平的應用中，跨 100 m 電纜線路可實現高達 35 Mbps 的數據速率。

圖6.ADM3065E接收數據節點具有出色的抖動性能。

這種時序特性使ADM3065E成為電機控制編碼器通信接口的理想選擇。對于使用 EnDat 2.2 編碼器協議傳輸的每個數據包，數據與時鐘邊沿下降同步傳輸。圖7顯示，在初始計算絕對位置（T卡爾).隨后的錯誤位（F1、F2）指示編碼器故障何時會導致位置值不正確。然后，編碼器傳輸絕對位置值，從LS開始，然后是數據。時鐘和數據信號完整性對于在長距離電纜上成功發出位置和錯誤信號至關重要，EnDat 2.2 規定最大抖動為 10%。EnDat 2.2 規定了在 20 m 電纜上以 16 MHz 時鐘速率的最大操作。圖4顯示，ADM3065E僅5%時鐘抖動即可滿足這一要求，圖6顯示ADM3065E滿足數據傳輸的抖動要求，而標準RS-485收發器則不滿足。

圖7.EnDat 2.2物理層和具有時鐘/數據同步的協議（改編自EnDat 2.2的圖表）。

ADI公司對ADM3065E收發器特性的表征具有優于電纜的時序性能，可確保系統設計人員獲得必要的信息，使設計成功設計符合EnDat 2.2規范。

通過更長的電纜實現更高的可靠性

TIA-485-A/EIA-485-A RS-485 標準3需要兼容的RS-485驅動器，以在滿載網絡中產生至少1.5 V的差分電壓幅度VOD。這款 1.5 VOD 允許在長電纜長度上實現 1.3 V 的電壓直流衰減，RS-485 接收器的額定輸入差分電壓至少為 200 mV。ADM3065E在5 V供電時輸出至少2.1 V的VOD，超出RS-485規格要求。

滿載RS-485網絡相當于一個54 Ω差分負載，它模擬由兩個120 Ω電阻組成的雙端接總線，另外750 Ω代表1單位負載或12 kΩ的32個連接器件。ADM3065E采用專有輸出架構，可在滿足所需共模電壓范圍的同時最大化VOD，超越TIA-485-A/EIA-485-A的要求。圖8顯示，ADM3065E采用3.3 V電源供電時超出RS-485標準的驅動要求>210%，采用5 V電源軌供電時超出>300%。這使得ADM3065E系列能夠與常規RS-485收發器相比，與更多的遠程節點和更高的噪聲容限進行進一步通信。

圖8.ADM3065E在寬電源范圍內超越RS-485驅動要求。

圖9進一步說明了在超過1000米電纜的典型應用中的這一點。通過標準AWG 24電纜進行通信時，ADM3065E比標準RS-485收發器好30%，接收節點的噪聲容限高30%，低數據速率下最大電纜長度增加30%。這種性能非常適合無線基礎設施應用，其中RS-485電纜延伸超過數百米。

圖9.ADM3065E為超長距離提供出色的差分信號。

電磁兼容保護和抗噪性

RS-485信令具有平衡、差分和固有的抗噪聲功能。系統噪聲平均耦合到RS-485雙絞線電纜中的每根電線。雙絞線布線導致感應噪聲電流向相反方向流動，耦合到RS-485總線上的電磁場相互抵消。這降低了系統的電磁敏感性。此外，增強型ADM3065E 2.1 V驅動強度可在通信中實現更高的信噪比（SNR）。在長距離電纜中，例如無線基站的地面和天線之間數百米的距離，具有增強的SNR以及出色的信號完整性，可確保天線的準確可靠的傾斜/位置控制。

圖 10.無線基礎設施電纜長度可以延伸數百米。

如圖1所示，RS-485收發器需要EMC保護，這些收發器通過相鄰的連接器和電纜直接連接到外部世界。例如，裸露的RS-485連接器上的ESD以及編碼器到電機驅動器的電纜是一種常見的系統危險。與可調速電力驅動系統的EMC抗擾度要求相關的系統級IEC 61800-3標準要求至少需要±4 kV接觸/ ±8 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護。ADM3065E具有±12 kV接觸/±12 kV空氣IEC 61000-4-2 ESD保護，超過了這一要求。

對于無線基礎設施應用，需要增強的EMC保護，以防止破壞性的雷電浪涌事件。在ADM3065E輸入端增加一個SM712 TVS和兩個10 Ω協調電阻可提供增強的EMC保護，具有高達±30 kV 61000-4-2 ESD保護和±1 kV IEC 61000-4-5浪涌保護。

為了提高電氣苛刻的電機控制、過程自動化和無線基礎設施應用的抗噪性，可以增加電流隔離。ADM3065E具有增強絕緣和5 kV rms瞬態耐受電壓的電流隔離功能，可采用ADI公司的i耦合器和iso電源技術添加到ADM3065E中。ADuM231D提供所需的3個通道5 kV rms信號隔離，具有精密時序性能，可在高達25 Mbps的速率下實現魯棒工作。ADuM6028隔離式DC-DC轉換器提供所需的隔離電源，額定耐受值為5 kV rms。兩個鐵氧體磁珠可輕松滿足 EN 55022 B/CISPR 22 等 EMC 合規標準，從而形成 6 mm × 7.5 mm 外形尺寸的緊湊型隔離式 DC-DC 解決方案。??

圖 11.完整的 25 Mbps 信號和電源隔離 RS-485 解決方案，具有 ESD、EFT 和浪涌保護功能。

結論

ADI公司的ADM3065E RS-485收發器性能優于行業標準，與標準RS-485器件相比，通信速度更快。在 EnDat 2.2 中指定的 10% 抖動水平下5，ADM3065E允許用戶在最長20 m的電纜上以16 MHz時鐘速率工作，而標準RS-485難以滿足這一要求。ADM3065E比RS-485總線驅動要求高出300%，在更長的電纜上提供更好的可靠性和更大的噪聲容限。通過增加耦合器隔離（包括ADuM231D信號隔離器）和業界尺寸最小的隔離電源解決方案ADuM6028，可以提高抗噪性。

審核編輯：郭婷