RS485差分信号仍需三线制共地原因探析

RS-485是一种应用十分广泛的通信协议，其显著特点是信号采用“差分”的方式传输，因此具有强大的抗干扰能力，通信距离也比RS-232远得多。差分信号是一对大小相等而极性相反的对称信号，用于传输有用的信号。在差分信号传输过程中，两根差分信号线始终在一起，当遇到外部干扰信号时，这些干扰信号一般都会同时作用在两根信号线上，形成叠加在两根信号线上大小相等、相位也相同的共模信号。由于差分放大器只对两路输入信号之间的差值起放大作用，而对两路输入信号共同对地的电位不起作用，因此差分传输的信号对外部干扰具备很强的抗干扰能力。

尽管差分信号传输具有诸多优点，但在实际应用中，RS-485网络仍然需要采用三线制（共地）接法。这主要是因为差分信号传输虽然可以抵消共模干扰，但收发器却有一定的共模电压范围限制。例如，RS-485收发器的共模电压范围通常为-7～+12V，只有在这个范围内，整个网络才能正常工作。当网络线路中的共模电压超出此范围时，就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。

共模干扰问题主要源于两个系统之间存在的地电位差（VGPD）。当发送驱动器A向接收器B发送数据时，发送驱动器A的输出共模电压为VOS。由于两个系统具有各自独立的接地系统，因此存在着地电位差VGPD。此时，接收器输入端的共模电压VCM就会达到VCM=VOS+VGPD。虽然RS-485标准规定VOS≤3V，但VGPD可能会有很大幅度（十几伏甚至数十伏），并可能伴有强干扰信号，致使接收器共模输入VCM超出正常范围，并在传输线路上产生干扰电流，轻则影响正常通信，重则损坏通信接口电路。

为了解决这个问题，RS-485网络必须采用一条低阻的信号地将两个接口的工作地连接起来，使共模干扰电压VGPD被短路。这条信号地可以是额外的一条线（非屏蔽双绞线）或者是屏蔽双绞线的屏蔽层（但抗干扰能力将下降），分别连接两头网络设备的网络平衡线接口。因此，在RS-485通信中，除了两根用于传输差分信号的A、B线外，还需要一根用于提供信号地的GND线，即采用三线制接法。

此外，采用三线制共地接法还有助于解决EMI（电磁干扰）电磁兼容性问题。发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如果没有一个信号地这个低阻的返回通道，信号中的共模部分就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。这不仅会影响通信质量，还可能对其他电子设备造成干扰。

综上所述，尽管RS-485采用差分信号传输具有强大的抗干扰能力，但在实际应用中仍然需要采用三线制（共地）接法来确保通信的稳定可靠。这主要是因为差分信号传输虽然可以抵消共模干扰，但收发器却有一定的共模电压范围限制，同时还需要考虑EMI电磁兼容性问题。因此，在设计和应用RS-485网络时，应充分考虑这些因素，确保网络能够正常工作并满足通信需求。

在实际应用中，为了进一步提高RS-485网络的通信质量和稳定性，还可以采取一些额外的措施。例如，在传输线路上增加磁隔离器或光隔离器等隔离器件，以隔离和抑制共模干扰和电磁干扰；在接收器端增加保护电路，以防止雷击、电源波动、感应开关和静电放电等外部因素对接口造成损害；此外，还可以采用屏蔽双绞线或同轴电缆等高质量的传输介质来减少干扰和损耗。

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