CAN总线为何要加终端电阻？

智能汽车电子与软件 2024-04-02 17:01

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CAN总线为什么要加终端电阻？主要有两个方面原因。

一、信号发射

在电路中，信号反射是指信号在传输线或电路中遇到阻抗不匹配导致部分信号被反射回去的现象。这种反射会引起信号的失真和干扰，对电路的性能和可靠性产生负面影响。

至于为什么会反射，这里引用《信号完整性与电源完整性分析第三版》原文（有省略）的分析：

为什么信号遇到阻抗突变时会发生反射？答案是：产生反射信号时为了满足两个重要的边界条件。

必须记住，信号到达瞬时阻抗不同的两个区域（区域1，区域2）的交界面时，在信号-返回路径的导体中仅存在一个电压和一个电流回路。在交界面处，无论时从区域1还是从区域2看过去，在交界面两侧的电压和电流都必须相等。边界处不可能出现电压不连续，否则此处会有一个无限大的电场；交界面处也不可能出现电流不连续，否则会在此处产生静电荷。

假如没有产生返回源端的反射电压，同时又要维持交界面两侧的电压和电流相等，就需要关系式V1=V2，I1=I2。但是，又有I1=V1/Z1，I2=V2/Z2。当两个区域的阻抗不同时，这4个关系式绝对不可能同时成立。

上诉文章论述中，原作者是借用了反证法与数学推论说明，当瞬时阻抗突变时会不合理，从而只有反射才能使得两个边界条件成立。当然以上分析方法是基于集总电路理论分析的，所以显得物理世界有些拟人化了。作者在本段最后也说：“没有人知道到底是什么产生了反射电压，只是知道这样产生之后，交界面两侧的电压才能相等，交界面处的电压才是连续的。”实际上，我在深入了解后发现，如果使用电磁学理论来研究反射问题会有更合理的解释，也就是搞清楚为什么电磁波会在波导体内发生反射。但是这又是另一个话题了。

《信号完整性与电源完整性分析第三版》上述文段中的分析并不妨碍我们计算反射系数等等反射规律，文段的结论是：在阻抗突变的地方会发生反射，这意味着我们为了避免这种情况的发生能有以下措施：

1. 使用可控阻抗互联；

2. 传输线两端至少有一个端接匹配；

3. 选择布线拓扑结构，使分支的影响最小化；

4. 让几何结构的任何突变都最小化。

二、阻抗匹配

所以在信号线上我们一般会加端接匹配电阻用来避免信号反射同时增强抗干扰能力，CAN总线也不例外。在CAN总线上我们常常端接120欧姆电阻用以阻抗匹配。

如果阻抗不匹配会发生什么？下面我们建立一个模型分析：

图1 传输线模型

如图1所示，信号源内阻120Ω，源端端接120Ω电阻，接收端开路因此反射系数为1。探针1为源端电压V1，探针2为接收端电压V2。我们假设传输延迟1ns，信号源电压幅值5V。

那么下面V1和V2随时间变化的理想曲线如图2：

图2 反射电压

可以看到，从第0秒开始，发射端给出一个5V的信号电压，经过1ns之后到达接收端，由于此时接收端处于全反射状态因此与源端信号叠加在1ns时刻V2变成10V，反射信号由于全反射并没有被消耗于是又经过1ns返回发射端使V1在2ns时刻变成10V。

以上是在理想情况下的反射情况，实际电路中并不存在全反射，因此实际的反射曲线会是一个幅值逐渐减小的振铃形式的信号。例如图3：

图3 V2电压

综上所述，信号反射是电路中常见的问题，会对信号质量和电路性能产生不良影响。采取适当的阻抗匹配和降低反射的方法可以减少信号反射并提高电路的稳定性和可靠性。

来源：张飞实战电子

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