差分技术：LVDS、MLVDS、CML、LVPECL的区别与应用场景

差分传输是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相同， 相位相反。在这两根线上的传输的信号就是差分信号。信号接收端比较这两个电压的差值来判断发送端发送的逻辑状态。在电路板上，差分走线必须是等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的两根线。

差分信号与传统的一根信号线一根地线（即单端信号）走线的做法相比，其优缺点分别是。

优点：

缺点：

为了实现高速数据传输，有多种差分技术可供选择。这些差分技术都有差分信号几个共同的优点，但是在性能、功耗和应用场景上有很大的区别。下图列举了最常用的几种差分信号技术和它们的主要参数。

LVDS信号摆幅低，为350mv，对应功耗很低，速率达到3.125Gbps。总的来说，终接方法简单、功耗和噪声低等优点，使得LVDS成为几十Mbps至3Gbps、甚至更高的应用之首选。

CML是一种高速的点到点接口，在驱动器和接收器上均集成了终接网络。CML使用一个无源的上拉电路，阻抗一般50欧姆。大多数CML采用了交流耦合的实现方案，因此需要有直流平衡的数据信号。直流平衡的数据要求数据编码中的1和0的数量平均来说是相等的。

LVPECL信号一个优点是具有清晰尖锐和平衡的信号沿，以及高驱动能力。缺点是功耗相对较高以及有时需要提供单独的终接电压轨。CML与LVPECL技术能实现超过10Gbps的高数据率，为了实现这样高的数据率，必须采用速率极高、边缘陡直（sharp edge）的数据信号，摆幅一般约800mv，也因此它们的功耗超过了LVDS。

M-LVDS将LVDS延伸到用于解决多点应用中的问题，相对于同样多点应用的RS-485和CAN技术，M-LVDS能够以更低的功耗实现更高速的通信链路。相对于LVDS，M-LVDS驱动输出强度更高，跃迁时间可控，共模范围更广且面向总线空闲条件提供故障安全接收器选项。

Low Voltage Differential Signaling，是一种低摆幅的电流型差分信号技术。LVDS 驱动器级在一个始终开启的 3.5 mA （典型值）电流源环境中运行。需通过差分对导体以不同方向重新分配电流，便可形成总线上的逻辑 1 和 0。

由于专为点对点信号传输而设计，LVDS 使用的是一种简单的端接方案。安装在接收机输入端的单个 100-ohm 电阻端接差分对，从而消除了反射。

由于高阻抗接收机输入，驱动器电流源的全部电流流经端接电阻，从而产生了一个 350 mV 额定值的低、差分总线电压。该电压在 1.2V 共模电位左右摆动，一般LVDS接收器可以承受至少±1V的驱动器与接收器之间的地的电压变化，所以在+0.2V~+2.2V的宽共模范围内，接收器的阈值可以保证为100mv或更低。这个组合可提供出色的噪声裕量，对驱动器与接收器之间的共模信号漂移的容忍度也会更好。

尽管低功耗、低 EMI 和高噪声抗扰度使得 LVDS 成为高速数据转换器的接口选择，但是必须运用精心的布局技术，以避免阻抗不连续和信号时延差，否则就抵消了上述 LVDS 的好处。不管使用的LVDS传输媒质是PCB线对还是电缆，都必须采取措施防止信号在媒质终端发生反射，同时减少电磁干扰。LVDS要求使用一个与媒质相匹配的终端电阻(100±20Ω)，该电阻终止了环流信号，应该将它尽可能靠近接收器输入端放置。LVDS驱动器能以超过155.5Mbps的速度驱动双绞线对，距离超过10m。

RS-485和MLVDS都是通过多点差分总线交换二进制数据的一种得到广泛应用的电气标准。两种技术都使用了差分信号来保证低功耗、高速和出色的抗噪声性能。

对于要驱动信号在长电缆上传输的情况，RS-485有较高的摆幅和更宽的共模输入范围，有助于实现更远的传输距离。不过M-LVDS具有更高的速度，大大降低的功耗和EMI辐射。RS-485具有长距离传输能力，一般以电缆为传输介质，而M-LVDS则更多的在背板上传输。两种技术共享的一个应用是在长电缆上进行的点到点信号传输，100米以上推荐的是RS-485，100米以内（一般40米以内）更多考虑M-LVDS。

M-LVDS其实是LVDS技术的延伸，除了拓扑结构外，将两者进行比较。上图显示了LVDS和M-LVDS的差分输出电压和共模范围规格。对于LVDS，在负载为100Ω的情况 下，输出电压摆幅|VOD|最小为250 mV、最大为450 mV。相较而言，M-LVDS驱动器强度更高，在负载为 50 Ω（两个100 Ω的端接电阻，总线的任意一端）的情况下，最小输出电压摆幅|VOD|为480 mV，最大值则为650mV，所以可以解决多点应用中的问题。

接收器阈值是一种差分电平，高于或低于此电平时，接收的信号就会算作逻辑1或逻辑0。对于LVDS，正VOD >= +100 mV 对应于逻辑1，负VOD <= −100 mV则对应于逻辑0。 对于1类M-LVDS接收器，正VOD ≥ +50 mV对应于逻辑1，负 VOD ≤ −50 mV则对应于逻辑0。 两个电压阈值之间是跃迁区。

LVDS和M-LVDS传输距离均受两个主要因素的影响:传输介质和数据速率。

PCB走线通常允许大约几十厘米的传输距离，双绞线电缆用于LVDS时允许大约几米的传输距离，由于驱动器强度更高，M-LVDS一般能通过更长的电缆进行传输，允许几十米。更高的数据速率会极大地限制传输距离；1Gbps下的LVDS或许只能通过1米的优质电缆+额外的信号调理进行传输，但是在100 Mbps条件下传输距离可能达到10米 。

计算机技术在教育中存在着广泛的应用领域，其中计算机辅助教学是目前存在以久，发展比较全面的重要形式。下面我们来看一下计算机辅助教育的三种主要形式。

1．计算机辅助教学

计算机辅助教学(Computer-Aided

lnstruction，简称CAl)，是指利用计算机为媒体帮助教师执行教学功能的活动。它代表一个广阔的计算机应用领域，与此有关的还有CAL(Computer

Aided Learning)和CAT(Computer Aided

Teaching)。一般时候我们对计算机辅助教学都作较为广义的理解，它包含CAL和CAT。

2．计算机管理教学(CMl)

计算机辅助教学(CAl)和计算机管理教学(Computer

Managed

lnstruction，简称CMl)是计算机技术在教育中应用的两种主要形式。计算机作为存储、处理信息工具的特点决定了计算机技术在教学信息管理上的显赫功绩。计算机管理教学(CMl)是利用计算机来帮助教师完成教学管理的任务，也就是利用计算机来辅助教师对学生的学习过程进行记录和对教学效果进行测量和评估等。计算机管理教学有广义和狭义两方面的含义。广义的计算机管理教学泛指从管理教学的需要出发对计算机的各种应用。从狭义的角度说，计算机管理教学是指使用专门的计算机管理教学或系统帮助课堂管理和利用计算机辅助测验辅助教学效果的测量和评估。

3．计算机辅助测验

计算机辅助测验是指用计算机编制的独立于计算机辅助教学的客观性测验。计算机辅助测验包括测验生成、实施以及评卷分析等环节。计算机辅助测验的实施既可以是联机的也可以是脱机的。计算机进行的自动计分特别适合包括选择题、正误判断题、匹配题等题型的标准化测验。与传统的纸笔测验相比，电脑的适应性测验产生的测验更清晰，更易于作答，因此也更为被测者所青睐。

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