Warum sendet die differentielle Signalisierung komplementäre Signale, anstatt nur die Eingangs- und Massespannung zu paaren?

„Boden“ als Konzept bedarf einiger Klärung. Wenn Sie nur eine Signalleitung und eine Masse haben, dann ja, es ist schwer, den Unterschied zu erkennen. Aber wenn noch etwas passiert, ist es wichtig.

Bei allen Wechselstromsignalen fließt Strom , auch wenn er am Empfänger als Spannung gemessen wird. Sie müssen mindestens die parasitäre Kapazität des Empfängers laden/entladen, und die Signalleitung hat auch eine Kapazität gegen Masse. Beachten Sie, dass das Gleichtaktverhalten nur gilt, wenn die beiden Drähte die gleiche Länge haben und einen konstanten Abstand voneinander haben.

Wenn Sie also eine Signalleitung und eine Erdungsleitung haben, muss der Strom in der Signalleitung durch einen entsprechenden Strom in der anderen Richtung in der Erdungsleitung angepasst werden. Wenn Sie viele Signale haben, enthält das Erdungskabel eine zusammengemischte Kopie aller Signale. Daher ist es vorteilhaft, wenn jedes Signal eine eigene Masse hat. Wenn Sie sich VGA ansehen, werden Sie feststellen, dass dadurch jedes Signal seine eigene Masse erhält. Wenn Sie sich 80-Pin-IDE ansehen, hat jedes Signalpaar einen Erdungsdraht zwischen sich im Flachbandkabel. Diese sollen verhindern, dass die Signaladern Ströme ineinander induzieren ("Übersprechen").

Sobald Sie akzeptiert haben, dass jedes Signal seine eigene angepasste Masse haben muss, ist es natürlicher, die beiden als angepasstes Paar zu umfassen, eines von der Masse zu trennen und die beiden über ein Abschlusswiderstandsnetzwerk miteinander zu verbinden und sie als anzusteuern / zu lesen ein Differenzsignal.

Der Unterschied besteht darin, dass die Differenzleitungen in der Gleichtaktimpedanz (gegen Masse) angepasst sind, so dass induziertes oder kapazitiv mit den Leitungen gekoppeltes Rauschen dazu neigt, Gleichtaktrauschen zu sein und daher unterdrückt wird.

Ein differenziell angesteuertes Kabel erzeugt keine effektiven Fernfeldstörungen - was von einem Draht erzeugt wird, wird von dem anderen ausgelöscht. Bisher spricht jeder von Anfälligkeit, aber die große Sache für mich ist, dass zwei gegenphasige Signale, die über zwei Drähte (z. B. Twisted Pair) übertragen werden, lokale E- und H-Felder erzeugen können , diese Felder sich jedoch in kurzer Entfernung effektiv aufheben.

Wenn Sie ein solches unsymmetrisches Signal übertragen würden, wären die Fernfeldstörungen erheblich größer.

warum nicht einfach das Signalpaar wie folgt machen:

D+ = V_SIGNAL

D- = V_GROUND

Ich nehme an, Sie meinen, dass das V_GROUND-Signal an dem einen oder anderen Ende der Verbindung mit der Schaltungsmasse verbunden wäre. Vielleicht an beiden Enden.

Wenn Sie dies tun, führen Sie keine differenzielle Signalisierung mehr durch, sondern eine einfache alte einseitige oder unsymmetrische Signalisierung.

Die Frage, die Sie sich wirklich stellen, lautet also: Wann verwenden wir differentielle Signale und wann verwenden wir Single-Ended-Signale?

Single-Ended-Signale werden in vielen Situationen verwendet. Die meisten Leiterbahnen auf einer Leiterplatte sind typischerweise unsymmetrische Signale. Für kurze Verbindungen mit sich langsam ändernden Signalen über ein Flachbandkabel zwischen Platinen verwenden wir häufig Single-Ended-Signale. Auch bei langen Verbindungen zwischen Boxen können noch unsymmetrische Signale verwendet werden.

Um jedoch eine gute Störfestigkeit und geringe Strahlungsemissionen für einigermaßen schnelle Signale über "lange" Entfernungen zu erreichen, erfordern unsymmetrische Signale normalerweise ein abgeschirmtes Kabel, z. B. ein Koaxialkabel.

Koaxialkabel sind jedoch teurer als das heute allgegenwärtige ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel (UTP).

Also würden wir lieber, wenn wir damit durchkommen, UTP verwenden.

Wenn wir nun ein Signal auf einer Leitung einer UTP-Verbindung treiben, können wir, wie Sie sagen, Gleichtaktstörungen eliminieren, indem wir das Signal am anderen Ende mit einem Differenzempfänger (V_SIGNAL = V + - V-) empfangen. Aber sehen Sie sich das Signal an, das wir über das Kabel aussenden. Das Signal, das wir erzeugen, hat eine beträchtliche Gleichtaktkomponente.

V_CM = 0.5 * (D+ + D-)

Aufgrund dieses Gleichtaktsignals strahlt unser System wahrscheinlich stark, was den Verkauf in den meisten Gerichtsbarkeiten erschwert.

Wir verwenden also wirklich differenzielle Signalisierung, um eine kostengünstige UTP-Verkabelung mit angemessenen (hoffentlich normkonformen) Strahlungsemissionen verwenden zu können. In einigen Fällen bevorzugen wir möglicherweise immer noch unsymmetrische Signale auf abgeschirmten Kabeln, wenn die Systemanforderungen (sehr niedrige Emissionen oder sehr strenge Immunitätsanforderungen) die Kosten rechtfertigen.

Selbst über kurze Entfernungen innerhalb einer Box können wir differenzielle Signalisierung auf nicht verdrillten Kabeln (z. B. einem herkömmlichen Flachbandkabel) verwenden, um Emissionen zu geringeren Kosten als bei der Verwendung von abgeschirmten Kabeln zu reduzieren.

Bearbeiten

Was ist der typische Rückweg für Strom, der auf dem Differentialpaar getrieben wird?

Die Ströme auf den beiden Leitern eines differentiellen Paares (für ein differentielles Signal) sind gleich und entgegengesetzt. Man könnte sagen, dass jeder der Leiter der Rückweg für den anderen ist, oder man könnte sagen, dass der Nettostrom Null ist, sodass kein Rückweg erforderlich ist.

Wenn Sie ein Gleichtaktsignal auf das Differenzpaar einspeisen, muss der Strom natürlich irgendwie zurückkehren. Wenn es keinen vorgesehenen Rückweg für das Gleichtaktsignal gibt, kann es über eine große Schleife laufen und erhebliche EMV-Probleme verursachen.

Was genau an der differenziellen Paarsignalisierung verursacht die EMR-Auslöschung?

1. Da die beiden Drähte eng miteinander gekoppelt sind, gibt es zwischen ihnen einen kleinen Schleifenbereich und daher ist die Möglichkeit, Magnetfelder zu erzeugen, gering. Aber Sie könnten dasselbe mit einer gut gestalteten unsymmetrischen Übertragungsleitung erreichen.

2. In Twisted Pair haben Sie abwechselnde Schleifen, in denen das Magnetfeld in entgegengesetzte Richtungen gerichtet ist. Im Fernfeld neigen die Beiträge der alternierenden Schleifen dazu, sich gegenseitig aufzuheben, was zu sehr geringer Strahlung führt. Es wird auch einen ähnlichen Effekt für die Anfälligkeit geben.

Was Sie vermissen, ist die Störfestigkeit.

Angenommen, Sie haben 2 Leitungen, eine bei +5 V und eine bei -5 V. Der Unterschied zwischen ihnen beträgt 10V.

Angenommen, 1 V Rauschen wird in jede Leitung gleichermaßen induziert. Die +5 V-Leitung wird zu +6 V und die –5 V-Leitung wird zu –4 V (5 + 1 = 6, –5 + 1 = –4).

Die Differenz zwischen den beiden Leitungen beträgt immer noch 10V. Das Rauschen wurde ausgelöscht und das ursprüngliche Signal ist noch intakt.

Das ist der Hauptpunkt der differentiellen Signalisierung.