Posted By Liang Bird on 2 月 4, 2020 in Maker電子學, UART界面, 教學文 | 1 comment

前幾次我們聊了 UART 轉換到實體通訊界面 RS-232、RS-422、RS-485，以及這些通訊介面的驅動 IC 應用，這次我們要聊一下這些通訊介面的電氣特性與它們的制定原因，順便也會帶到一些傳輸線的原理。

神秘的終端電阻

上次我們在解釋 RS-485 的實體網路結構時，看過這張圖：

（圖片來源：Bird 提供）

圖中有兩個神秘的電阻 RT，將 A 和 B 連接起來，我們稱這兩個電阻為「終端電阻」或 terminator，它的目的是在纜線的尾端將訊號消耗掉，避免訊號反射回來。

為什麼訊號會反射，而我們為什麼又怕訊號反射呢？當一個訊號在纜線中傳遞，訊號本身會有一個特性阻抗（characteristic impedance），這個特性阻抗可以想像成訊號本身電壓和電流的比例。

還記得歐姆定律吧？V=IR，或是 R = V/I。如果電壓和電流的比例是純量，那就是電阻；如果是複數，就是阻抗。現在將纜線的尾巴視為一個開路的電路，也就是阻抗無限大的狀況，會發生什麼事呢？開路代表電流流不過去（電流為 0），但隨著訊號而來的電流帶著電荷過來，這些電荷無處可去，該怎麼辦呢？

這時候反射就發生了。這些電荷到達纜線尾巴開路的地方後，因為能量無處可去，只好往回走，因此在阻抗無限大的地方，訊號會原封不動發生全反射，且反射的波形會原來的訊號一模一樣。

如果纜線的尾巴是一個短路的電路，會怎麼樣呢？短路的電路電壓為 0，因此無法消耗能量，訊號中的能量同樣無處可去，所以也會發生反射，只是這次的反射長得不太一樣，訊號的電壓會反過來，正的變負的、負的變正的。

事實上在大部分的狀況中，除了在纜線的尾端會遇到開路或短路外，更常碰到的是在纜線中間阻抗有變化的地方，比方說電路經過連接器、纜線經過駁接等，在這些地方阻抗會發生變化，而訊號通過阻抗變化的地方時，會有一部分的能量發生反射，一部分的能量繼續往前走。

請記得，我們上面講的現象都發生在訊號以接近光速的速度在纜線上傳遞時，雖然傳遞的速度很快，但如果訊號頻率很高，波長相對就會比較短，就有可能在線上面的不同位置有不同的電壓。

比方說，如果我們用 10 Mbps 來跑 RS-485，這個訊號在纜線上的波長就是：λ＝v / f = 310⁸/ 1010⁶= 30（m），如果我們把 RS-485 的纜線拉了超過 30 公尺，就能在纜線上觀察到這個「波」的現象，但如果纜線很短，訊號在纜線上不同位置的差異就不會這麼明顯。

電纜上的波

一般來說，有一個原則，就是當纜線的長度超過訊號波長的 1/4 時，就必須考慮這種「波」的效應。