RS-232串行通信消除干擾噪聲的設(shè)計(jì)方法分析.

1、 RS-232串行通信消除干擾噪聲的設(shè)計(jì) 方法分析 1通信線路的絕緣設(shè)計(jì)方法？RS-232的大噪聲（干擾）容限可使接口可靠工作， 避免對(duì)由外部加到導(dǎo)線上的噪聲引起的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。在一個(gè)充滿了電子噪聲的連 接環(huán)境中，絕緣可以防止噪聲在連接電路之間的耦合。絕緣通過(guò)將一個(gè)電路分 成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的塊來(lái)進(jìn)行工作。這些塊使用光和磁耦合來(lái)傳送能量和數(shù)據(jù)，而 過(guò)濾掉大部分的噪聲。 ?絕緣可以隔開(kāi)地線、數(shù)據(jù)連接，或者把兩者都隔開(kāi)。地 線絕緣使得一個(gè)電路對(duì)電源震蕩和在被附近電路共用的地線中的噪 1 通信線路的絕緣設(shè)計(jì)方法 ? RS-232的大噪聲（干擾）容限可使接口可靠工作，避免對(duì)由外部加到導(dǎo)線上的 噪聲引起的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤

2、。在一個(gè)充滿了 電子噪聲的連接環(huán)境中，絕緣可以防止噪 聲在連接電路之間的耦合。絕緣通過(guò)將一個(gè)電路分成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的塊來(lái)進(jìn)行工 作。這些塊使用光和磁耦合來(lái)傳送能量和數(shù)據(jù)，而過(guò)濾掉大部分的噪聲。 ? 絕緣可以隔開(kāi)地線、數(shù)據(jù)連接，或者把兩者都隔開(kāi)。地線絕緣使得一個(gè)電路對(duì) 電源震蕩和在被附近電路共用的地線中的噪聲有免疫能力。在長(zhǎng)的連接中，地 線絕緣還使得連接對(duì)從一端到另一端的接地電位差異有免疫能力。絕緣數(shù)據(jù)連 接避免了噪聲在連接和它所連接到的電路之間的耦合。 隔離器 來(lái)隔離數(shù) 電流 在次線圈 紅外波段中的能 光學(xué)接口將 大多數(shù)的電路連接使用直接的辦法，例如焊點(diǎn)或者諸如螺母接線端或壓接這樣 的機(jī)械連接。利

3、用電鍍絕緣，一個(gè)電路的地線和信號(hào)線與其他電路沒(méi)有 電阻通 道，或者直接的接觸。相反，電路可以使用光或者磁耦合來(lái)傳輸能量和信號(hào)。 絕緣還使得每個(gè)電路對(duì)另一個(gè)電路中的噪聲具有免疫能力。 實(shí)現(xiàn)電鍍絕緣的一般方法包括使用 變壓器 來(lái)絕緣電源和使用光 據(jù)。在一個(gè)變壓器中，在線圈繞組之間的磁耦合使得主線圈中的 中產(chǎn)生電流。光隔離器通過(guò)光敏電阻以及釋放和探測(cè)可見(jiàn)或者 量的光敏 二極管的方式來(lái)傳輸能量。以類(lèi)似的方式，一個(gè) 光纖 二個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，并且在 接收器中將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)。 為了進(jìn)行完全的絕緣，RS-232連接的每一端需要一個(gè)RS-232接口使用的一個(gè) 絕緣的電源，以及一個(gè)絕緣

4、的接口，用來(lái)穿過(guò)絕緣屏障傳輸信號(hào)。在RS-232連 接中，SG是信號(hào)地。因?yàn)镽S-232接收器讀取的是信號(hào)線和SG之間的電壓，一 個(gè)SG上的噪聲脈沖就能導(dǎo)致接收器誤讀一個(gè)邏輯電平。？ 在數(shù)字邏輯中，+5 V是對(duì)信號(hào)地以上5 V電壓的一個(gè)簡(jiǎn)單說(shuō)法。當(dāng)一個(gè)電路使 用不只一個(gè)電源的時(shí)候，即使電源的接地線沒(méi)有相互絕緣，使接地通路保持獨(dú) 立，減少了從一個(gè)通路耦合到另一個(gè)通路的噪聲。每個(gè)電源的接地線可以使用 獨(dú)立的 電線和電路板，只要在電源處連接到一起。 ? 含有模擬和數(shù)字電路的電路可以為每一種電路提供獨(dú)立的接地線，只在一個(gè)電 源附近的點(diǎn)，連接這兩條通路。數(shù)字地線往往是有噪聲的，因?yàn)閿?shù)字輸出在它 們切換的

5、時(shí)候產(chǎn)生了大電流，因此將它們和模擬電路分開(kāi)就比較合理，這些模 擬電路可能對(duì)微小的電壓變化比較敏感。 ? 1.1 安全地線 ? 安全地線，或者保護(hù)地線，是 1 個(gè)大地地線連接，它通常是一個(gè)直徑很大的部 分埋在地下的銅導(dǎo)線或者鍍銅管。 1 個(gè)電源插座上的 3根導(dǎo)線中的 1 根就和安 全地線相連，這個(gè)插座的另兩根導(dǎo)線是帶有 220 V 交流電壓的火線和 1 根零 線，帶有 220 V 交流電的返回電流，零線連接到安全地線。這意味著所有建筑 的電路零線通常在入口處有一個(gè)與建筑的連接。 ? 保險(xiǎn)絲 安全地線在出現(xiàn)故障的情況下提供了一個(gè)對(duì)地的低阻抗通路。例如，在很多電 源中，有 1 個(gè)端點(diǎn)將安全地線和電源

6、的底盤(pán)相連。如果底盤(pán)沒(méi)有接地并且 1 根 松散的導(dǎo)線或者元件故障導(dǎo)致 1 個(gè)電壓源和底盤(pán)相接觸，這個(gè)底盤(pán)就可能攜帶 高電壓。如果底盤(pán)接地了，電流就會(huì)沿著這個(gè)低阻抗通路流向大地直到 熔斷，電路斷開(kāi)。 ? SG和安全 TIA/EIA232標(biāo)準(zhǔn)中，有一個(gè)DCE可以有1個(gè)可移動(dòng)的跨接來(lái)連接 地線。實(shí)際上，DCEffi DTE上的SG線經(jīng)常和一個(gè)安全地線相連。？ 1.2 大地地線 ? 所以 一個(gè)安全地線是一個(gè)大地地線。因?yàn)槿魏坞姎怆娐房梢赃B接到大地地線， 它往往不是一個(gè)安靜的、穩(wěn)定的參考，相反它可以攜帶大量的各種類(lèi)型的噪 聲?？梢援a(chǎn)生接地噪聲的因素包括設(shè)備 開(kāi)關(guān)切換、電源系統(tǒng)波動(dòng)、電路故障、 雷擊或者任

7、何引起電流波動(dòng)的事件。噪聲可以表現(xiàn)為傾角，尖峰脈沖， 60 Hz 振動(dòng)，或者任何形式的磁、電場(chǎng)變化。 不同位置的大地地線相互之間可能有電氣連接，也可能沒(méi)有。它們是否相連， 以及接地電壓變化多大，部分取決于在接地線連接之間的介質(zhì)的導(dǎo)電性能的好 壞。 ? 1.3 共用接地線的影響 ? 如果一個(gè)RS-232連接的兩端共享一個(gè)共用的大地地線，并且 SG線也接到安全 地線，從所有源頭來(lái)的接地電流將會(huì)尋找阻抗最低的通路：大地地線或者 SG 線。這種情況，有多個(gè)返回通路，被稱(chēng)作一個(gè)接地回路，顯然這不是所希望 的。如果兩臺(tái)設(shè)備處在不同的建筑內(nèi)部，使用不同的電源系統(tǒng)，SG有可能比其 他通路有更小的阻抗，從其他源

8、頭來(lái)的接地電流就可能在連接的接地線上找到 它們的通路，這會(huì)導(dǎo)致連接中的一個(gè)有噪聲的接地線。一個(gè)有絕緣的接地線的 連接就避免了這個(gè)問(wèn)題。 ? 2 電源地線的設(shè)計(jì)應(yīng)用 ? 一個(gè)絕緣的接口要求為這個(gè)絕緣屏障的每一端提供一個(gè)電源。圖 2 顯示了兩個(gè) 絕緣的 RS-232 接口。每個(gè)接口使用一個(gè)雙電源，如圖 1 所示。在這個(gè)電源中一 個(gè)變壓器將 220 V 交流電轉(zhuǎn)變成兩個(gè)次級(jí)線圈中的低電壓。一個(gè)線圈為計(jì)算機(jī) 或者其他連接到光隔離器的設(shè)備端的電路提供電壓。另一個(gè)線圈為RS232 接 口提供電壓。每個(gè)電源有它自己的接地線，并且這些接地線必須和一個(gè)大地地 線、底盤(pán)或者信號(hào)地線沒(méi)有共同的連接。這個(gè)接口可以使用

9、兩個(gè)完全分開(kāi)的電 源或者輸出沒(méi)有共享一個(gè)通用地線的 電池 ，而不是有兩個(gè)線圈的一個(gè)電源。如 何掌握一個(gè)直流電源是否與大地地線絕緣了呢 ?在大多數(shù)用線電壓供電的直流電 源中，一個(gè)變壓器將線電壓降壓到一個(gè)較低的數(shù)值，其他元件整流、過(guò)濾和調(diào) 節(jié)這個(gè)電壓的輸出到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓值。在變壓器的主線圈和副線圈之間 需要的唯一的連接是主線圈中有電流流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁耦合。這樣，這個(gè)變壓器 就能夠?qū)㈦娫摧敵雠c線電壓導(dǎo)線和安全地線絕緣。實(shí)際上，有的數(shù)字電路電源 的輸出沒(méi)有連接到安全地線。在輸出端，因?yàn)殡妷汉艿?，穩(wěn)壓器限制了電流， 如果電路試圖產(chǎn)生大的電流，一根保險(xiǎn)絲就將電路斷開(kāi)。 ? 在其他電源中，輸出的接地末端

10、連接到一個(gè)安全地，打破了這個(gè)絕緣。結(jié)果就 是和其他還連接到安全地或者大地地線的電路的共享接地線。即使是這些電路 處于不同的建筑中或者相距數(shù)千英尺，它們之間也可能存在一個(gè)連接。 ? 有兩線電源插座的電源可能看上去沒(méi)有安全地線連接，但是零線在外接電路插 入電源的時(shí)候，是連接到安全地線的。這個(gè)電源的輸出只有在它的接地線沒(méi)有 和零線相連的時(shí)候才是絕緣的。 ? 對(duì)于含有變壓器的電源而言，可以用一個(gè)歐姆表來(lái)查看這個(gè)輸出是否和安全地 線絕緣。利用電源，量測(cè)在電源的安全地和這個(gè)直流輸出的接地線末端之間的 阻抗。如果這個(gè)歐姆表顯示有連接，就表示沒(méi)有絕緣。在電源內(nèi)部、零線和安 全地線應(yīng)該沒(méi)有連接。也可以用歐姆表驗(yàn)

11、證這一點(diǎn)。 ? 有的電源不使用變壓器，它們僅僅是直接整流，降低和過(guò)濾線電壓。在這種情 況下，輸出就沒(méi)有與大地地線絕緣。即使是電源插座沒(méi)有安全地線引腳，在外 接電路插入電源的時(shí)候，零線也是連接到安全地線的。 ? 3 采用 光電隔離器 光隔離器穿過(guò)一個(gè)隔離的屏障來(lái)傳輸信號(hào)。一個(gè)光隔離器由一個(gè)與光敏電阻耦 合的發(fā)光二極管 構(gòu)成。流過(guò)發(fā)光二極管的電流使得它以可見(jiàn)光或者 紅外線 的方 式釋放能量。這些能量將這個(gè)光敏電阻打開(kāi)，導(dǎo)致在這個(gè)電阻的發(fā)射極和集電 極之間的低阻抗。這個(gè)發(fā)光二極管的基極可以留著沒(méi)有連接。從基極到發(fā)射極 加入一個(gè)電阻可以導(dǎo)致更快的開(kāi)關(guān)速度，但是輸出電流更低。 圖 2 的接口使用了 6N

12、1398 光隔離器，它是設(shè)計(jì)用來(lái)和 LSTTL 邏輯直接連接的。 它們的增益很高達(dá)400%，但一個(gè)發(fā)光二極管的電流只有 0.5 mA。在TTL到 RS-232電路中，在74LS14轉(zhuǎn)換器的引腳3的一個(gè)邏輯低電平使得電流流過(guò)這 個(gè)發(fā)光二極管，這就打開(kāi)了相應(yīng)的光敏電阻，使得它的集電極處于低電平。這 個(gè)MAX233各這個(gè)信號(hào)反向，然后發(fā)送一個(gè)正的 RS-232電壓。 在74LSI4引腳3的邏輯高電平關(guān)閉這個(gè)發(fā)光二極管和光敏電阻。MAX23位于 引腳2的內(nèi)部上拉電阻產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的 RS-232電壓。？ 光隔離器在另一個(gè)方向上也是以類(lèi)似的方式工作。一個(gè)負(fù)的RS-232輸入使得 MAX233俞出一個(gè)邏輯高電

13、平。這個(gè)邏輯高電平將發(fā)光二極管和光敏電阻打開(kāi)， 導(dǎo)致在 74LSl4 的引腳 1 的邏輯低電平和引腳 2的邏輯高電平。一個(gè)正的 RS- 232輸入導(dǎo)致MAX23輸出一個(gè)邏輯低電平。這個(gè)邏輯低電平關(guān)閉這個(gè)發(fā)光二極 管和光敏電阻。一個(gè)上拉電阻將 74LSl4 的引腳 l 拉到高電平，導(dǎo)致在引腳 2處 出現(xiàn)邏輯低電平。 ? RS-232到RS-232電路顯示了怎樣通過(guò)使用一個(gè) RS-232輸出來(lái)直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā) 光二極管來(lái)絕緣一個(gè)現(xiàn)有的，未絕緣的RS-232接口。當(dāng)RS-232電壓為正的時(shí) 候，這個(gè)發(fā)光二極管打開(kāi)，并且這個(gè)絕緣的RS-232輸出也是正的。當(dāng)這個(gè)未絕 緣的輸出為負(fù)的時(shí)候，這個(gè)發(fā)光二極管關(guān)

14、閉，并且一個(gè)二極管將這個(gè)電壓限制 在大約-0?7 V。在另一個(gè)方向上，電路類(lèi)似于它上邊的電路，除了因?yàn)檫@個(gè)未 絕緣RS-232已經(jīng)將信號(hào)反向，因而不需要一個(gè) LS74系列的反向器以外。 圖2光耦合器從TTL到RS-232或從現(xiàn)有的RS-232到一個(gè)絕緣的RS-232形成一 個(gè)絕緣的接口 ? 對(duì)于最底下電路的Vcci，如果沒(méi)有其他用途的話，可以在 DTr或者Rrs使用一個(gè)正 的輸出。這個(gè)電路在Vxi這一邊的電纜應(yīng)該較短。光敏電阻的開(kāi)關(guān)時(shí)間是幾微 秒，這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度不會(huì)在 數(shù)據(jù)傳輸速度為?20 kb/s? 或者更低的時(shí)候?qū)е氯魏螁?wèn) 題。對(duì)于更快的波特率，應(yīng)該尋找一個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)間為這個(gè)位寬度的 1/10

15、或者更短 的發(fā)光二極管。 ? 另一個(gè)實(shí)現(xiàn)絕緣接口的方法是為接口的 RS-232-端使用一個(gè)獨(dú)立的、絕緣的 +12 V 電源。這也使能夠使用較便宜的 14889驅(qū)動(dòng)器和接收器。 ? 此外，可以選用Max252接口，Max252是一個(gè)在一個(gè)單一的封裝里的完整的、 絕緣的RS-232接口。這個(gè)芯片包括一個(gè)石英 諧振器和一個(gè)微型的變壓器，這個(gè) 變壓器從芯片的 5 V 電源產(chǎn)生一個(gè)隔離的電源。它還有兩個(gè)光隔離的驅(qū)動(dòng)器 接收器對(duì)。 ? 絕緣連接的另一種方式是使用光纖電纜來(lái)取代銅導(dǎo)線。光纖有很多優(yōu)點(diǎn)，它們 對(duì)接地噪聲和電磁干擾有抵抗力，并且自身不產(chǎn)生電磁干擾。光纖電纜往往可 以在12.5 mil之后才需要使用轉(zhuǎn)發(fā)器。？ 4 電涌保護(hù)設(shè)計(jì) ? 電涌保護(hù)是使電路免受噪聲或者破壞性電壓和電流攻擊的有效方法。理想的電 涌保護(hù)應(yīng)該吸收所有處在連接操作范圍之外的電壓和電流，而不在任何方面限 制連接的傳輸。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可在連接中添加 電容，以避免由于電壓波 動(dòng)而造成的不良影響，因此也限制了最大的波特率。 ? 在正常的操作中，這個(gè)保護(hù)設(shè)備表現(xiàn)出很高的電阻，因此事實(shí)上對(duì)于傳輸電路 而言是不可見(jiàn)的。當(dāng)線路存在一個(gè)高電壓涌流時(shí)，保護(hù)設(shè)備打開(kāi)，提供了一個(gè) 到地的電阻通道。 ? 兩個(gè)有用的涌流抑制設(shè)備是TVS二極管和氣電管。TVS瞬時(shí)電壓抑制）二極管在 關(guān)閉的時(shí)候有很小的電容，且反應(yīng)迅速 （10