Как ток сигналов RS485 возвращается от получателя к отправителю?

1.) Как именно выглядят токовые петли, когда мастер общается со слейвами?

Для высокоскоростных сигналов (не постоянного тока) ответ зависит от того, является ли интерфейс полосковым/микрополосковым (трассировка через GND) или витыми парами.

В первом случае обратный ток для каждого сигнала разностной пары протекает непосредственно под дорожкой, несущей сигнал, при условии, что плоскость GND непрерывна. Это связано с тем, что отдельные дорожки гораздо сильнее связаны с плоскостью возврата, чем друг с другом. Было бы неверным утверждение, что + и - токи компенсируются. Каждый из них течет независимо по соответствующей трассе сигнала.

Во втором случае отдельные провода витой пары соединяются друг с другом гораздо сильнее, чем с окружающей средой. Так что в этом случае правильно будет сказать, что ток от одного провода возвращается по другому.

Теперь, если есть дисбаланс в двух сигналах разностной пары (немного разные задержки, перекосы или амплитуды), это вызывает протекание синфазного тока по обеим дорожкам. Этот синфазный ток также протекает по петле и должен возвращаться обратно к источнику возбуждения. Этот ток будет протекать таким образом, чтобы минимизировать общую индуктивность контура, что означает минимизацию площади контура тока.

В конфигурации полосковой/микрополосковой линии этот обратный путь проходит через плоскость GND. В конфигурации с витой парой этот путь может проходить через соединения шасси и конструкции (нежелательно) или через экран кабеля, по которому проходят витые пары.

2.) Как я могу разработать лучший путь обратного тока даже для высоких частот?

Короче говоря, минимизируйте площадь петли, по которой текут токи.

Кроме того, посмотрите на этот пост: Куда течет обратный ток для дифференциального сигнала?

Комментарий к зеленому пути возврата

То, что вы показали как обратный путь для тока — зеленый путь на вашей диаграмме — правильно для входных токов, которые втекают или выходят из отдельных входов приемников дифференциальных сигналов. Этот ток обычно составляет порядка микроампер или десятков микроампер, в зависимости от характеристик используемого вами приемника, и должен возвращаться обратно к драйверу. На вашей диаграмме зеленая дорожка — единственный способ протекания этого тока. Обратите внимание, что в зависимости от того, как ваша система питания реализована и заземлена, может быть какой-то другой путь проникновения через шасси/конструкцию. Также этот ток является более или менее постоянным.

Из https://www2.htw-dresden.de/%7Ehuhle/ArtScienceRS485.pdf

Сигналы A и B дополняют друг друга, но это не означает, что один сигнал является текущим доходом для другого. RS-485 не является токовой петлей.

Драйверы и приемники должны иметь общую основу. Вот почему термин «двухпроводная сеть» является неправильным применительно к RS-485.

Дифференциальная передача с RS-485 требует, чтобы были соблюдены пределы напряжения синфазного сигнала. Общая основа должна избегать больших разностей потенциалов между станциями. Гальваническая развязка между несколькими станциями не сработала бы.

Если вам нужна большая разность потенциалов, вам следует обратить внимание на изолированные приемопередатчики RS-485, такие как ADM2485 или ISO35T .

Это не подробный ответ (у вас их уже много), а скорее комментарий к одному заблуждению, которое, кажется, является движущей силой вашего вопроса.

...из-за коммутируемых нагрузок через линию GND протекает значительный ток. Следовательно, из-за импеданса линии GND потенциал GND должен немного различаться для каждого ведомого устройства.

Проблема в том, что потенциал GND, измеренный относительно некоторого общего заземления, не зависит от тока в проводе . Если вы измеряете напряжение между двумя концами, то, конечно, оно будет зависеть от тока и может быть огромным. Но синфазное напряжение так не работает. Если из-за некоторых условий окружающей среды у вас есть изменения потенциала GND, то те же условия обычно применимы и к сигнальным проводам. В этом весь смысл прокладки заземляющего провода вместе с сигналами, даже когда используется дифференциальная сигнализация, чтобы сбалансировать синфазное напряжение. И да, чтобы обеспечить обратный путь сигнала с токами, которые могут быть незначительными по сравнению с полным током в проводе, но все же работают нормально.

RS-485 с использованием кабеля Belden с низкой емкостью 120 Ом STP с двойным экраном может быть ограничен до 150 МГц-м длины полосы пропускания продукта и 20 МГц максимум, как я полагаю, из-за паразитной емкости порта и ESL 10 нГн / см, который легко моделируется на сайте Фалстада. .

Таким образом, для магистрали 0,25 м у вас есть избыточная полоса пропускания, и теоретически ее можно увеличить до 150 МГц-м/40 МГц примерно на 4 м. Проблемы с CMRR возникают, когда на конечных устройствах присутствует КМ-шум C, связанный с их изоляцией Tfmr, что приводит к снижению BER. Если да, то для повышения импеданса CM и изоляции заземления протокол переменного тока, такой как BiPhase или RLL, используется в протоколе Ethernet с использованием вторичного центрального ответвления R+C, связанного по переменному току. режим и дроссель CM объединены в «гибридный» Tfmr для PHY.

Нелинейное затухание гармоник может привести к некоторым межсимвольным помехам или джиттеру, который зависит от шаблона с полосой пропускания 1T, 2T, что может наблюдаться, если проблема с кабелем и даже с предварительной компенсацией, как это было сделано для магнитной записи, но, вероятно, это не обязательно, если вы не собираетесь 20 Мбит/с.

• таким образом, согласование импеданса драйвера с магистралью 120 имеет важное значение.
• ЭМП возникает из-за несбалансированного соединения каждой витой линии с двойными экранами. Если есть ток заземления, его можно измерить, если он содержит шум или сколько сигнала излучается с помощью датчика осциллографа 10: 1, обернутого вокруг кабеля с очень короткой петлей заземления, чтобы минимизировать резонанс коаксиального кабеля или поднять резонансную частоту f> 40 МГц или более лучший ток. зонд.

Вероятно, самым большим источником излучения является паразитная индуктивность, не сбалансированная по отношению к светодиодам с ШИМ. Поэтому при необходимости рассмотрите возможность снижения скорости нарастания и кабель STP.

Вы хотите, чтобы 1 ведущий и 19 ведомых питались от одного блока питания, частота сигнала 250 Кбит/с, плоский кабель 10 см между двумя ведомыми.

Таким образом, общая длина шины составляет всего 2 м, а частота значительно ниже 10 МГц, что не составляет труда при использовании RS-485. Я бы порекомендовал окончание шины на обоих концах

1. В любом случае, вы можете думать, что приемник RS-485 на практике является входом с высоким импедансом, а провода данных являются дифференциальными, поэтому все, что выходит на контакт A передатчика, погружается на контакт B передатчика, и это будет проходить через согласующие резисторы. В нормальных условиях ток провода передачи данных не окажется в VCC или заземлении на приемниках, по крайней мере, не в какой-либо значительной степени, о которой вам следует беспокоиться. А поскольку для дифференциальных данных используется витая пара проводов, площадь контура будет небольшой и эффективно устранит магнитную связь.

2. Поскольку ваш вопрос, похоже, основан на ложном предположении о том, как работает RS-485, возможно, вам не нужен лучший текущий путь.

3. RS-485 должен работать нормально. Один передатчик, 19 приемников, 250 кбит/с, используемый для отправки команд на свет - вы случайно заново изобрели DMX-512.

Вы пренебрегаете тем, что в то самое время, когда одна из дифференциальных линий становится положительной, другая становится отрицательной. Две линии заканчиваются на концах резистором (обычно 120 Ом). Один выход драйвера будет потреблять ток, а другой — потреблять. Эта ситуация будет обратной в зависимости от того, передается ли единица или ноль.

Два тока равны и противоположны и сокращаются. Все, что остается в цепи заземления, — это постоянный ток, питающий входы. Приемники имеют высокий импеданс по сравнению с оконечными устройствами, поэтому большая часть тока протекает по дифференциальным линиям от одного выхода драйвера, а затем возвращается к другому. Через землю течет очень мало.

Во время переходов будет некоторый ток в землю в емкость, которую каждая линия должна заземлить. Это должно быть в значительной степени отменено в зависимости от того, насколько хорошо согласованы дифференциальные линии - при идеальном согласовании вообще не будет протекать заземленный переменный ток.