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【Maker電子學】認識UART界面#4 — 電氣特性

   
作者:Bird

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。

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Liang Bird

Author: Liang Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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1 Comment

  1. 你好

    請問是否後續會有介紹關於RS-232,RS-422,RS-485的傳輸方式在業界上應用的範例,看完了UART Part 1 – Part 4 的說明,想知道更多UART實際得應用, 謝謝

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