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1 通信線(xiàn)路的絕緣設計方法 RS-232的大噪聲（干擾）容限可使接口可靠工作，避免對由外部加到導線(xiàn)上的噪聲引起的數據錯誤。在一個(gè)充滿(mǎn)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)傳送能量和數據，而過(guò)濾掉大部分的噪聲。 絕緣可以隔開(kāi)地線(xiàn)、數據連接，或者把兩者都隔開(kāi)。地線(xiàn)絕緣使得一個(gè)電路對電源震蕩和在被附近電路共用的地線(xiàn)中的噪聲有免疫能力。在長(cháng)的連接中，地線(xiàn)絕緣還使得連接對從一端到另一端的接地電位差異有免疫能力。絕緣數據連接避免了噪聲在連接和它所連接到的電路之間的耦合。 大多數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(xiàn)端或壓接這樣的機械連接。利用電鍍絕緣，一個(gè)電路的地線(xiàn)和信號線(xiàn)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。絕緣還使得每個(gè)電路對另一個(gè)電路中的噪聲具有免疫能力。 實(shí)現電鍍絕緣的一般方法包括使用變壓器來(lái)絕緣電源和使用光隔離器來(lái)隔離數據。在一個(gè)變壓器中，在線(xiàn)圈繞組之間的磁耦合使得主線(xiàn)圈中的電流在次線(xiàn)圈中產(chǎn)生電流。光隔離器通過(guò)光敏電阻以及釋放和探測可見(jiàn)或者紅外波段中的能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——光學(xué)接口將二個(gè)電信號轉換成在光纖中傳輸的光信號，并且在接收器中將光信號轉換成電信號。 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)絕緣的接口，用來(lái)穿過(guò)絕緣屏障傳輸信號。在RS-232連接中，SG是信號地。因為RS-232接收器讀取的是信號線(xiàn)和SG之間的電壓，一個(gè)SG上的噪聲脈沖就能導致接收器誤讀一個(gè)邏輯電平。 在數字邏輯中，+5 V是對信號地以上5 V電壓的一個(gè)簡(jiǎn)單說(shuō)法。當一個(gè)電路使用不只一個(gè)電源的時(shí)候，即使電源的接地線(xiàn)沒(méi)有相互絕緣，使接地通路保持獨立，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(xiàn)可以使用獨立的電線(xiàn)和電路板，只要在電源處連接到一起。 含有模擬和數字電路的電路可以為每一種電路提供獨立的接地線(xiàn)，只在一個(gè)電源附近的點(diǎn)，連接這兩條通路。數字地線(xiàn)往往是有噪聲的，因為數字輸出在它們切換的時(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微小的電壓變化比較敏感。 1.1 安全地線(xiàn) 安全地線(xiàn)，或者保護地線(xiàn)，是1個(gè)大地地線(xiàn)連接，它通常是一個(gè)直徑很大的部分埋在地下的銅導線(xiàn)或者鍍銅管。1個(gè)電源插座上的3根導線(xiàn)中的1根就和安全地線(xiàn)相連，這個(gè)插座的另兩根導線(xiàn)是帶有220 V交流電壓的火線(xiàn)和1根零線(xiàn)，帶有220 V交流電的返回電流，零線(xiàn)連接到安全地線(xiàn)。這意味著(zhù)所有建筑的電路零線(xiàn)通常在入口處有一個(gè)與建筑的連接。 安全地線(xiàn)在出現故障的情況下提供了一個(gè)對地的低阻抗通路。例如，在很多電源中，有1個(gè)端點(diǎn)將安全地線(xiàn)和電源的底盤(pán)相連。如果底盤(pán)沒(méi)有接地并且1根松散的導線(xiàn)或者元件故障導致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(zhù)這個(gè)低阻抗通路流向大地直到保險絲熔斷，電路斷開(kāi)。 TIA／EIA—232標準中，有一個(gè)DCE可以有1個(gè)可移動(dòng)的跨接來(lái)連接SG和安全地線(xiàn)。實(shí)際上，DCE和DTE上的SG線(xiàn)經(jīng)常和一個(gè)安全地線(xiàn)相連。 1.2 大地地線(xiàn) 一個(gè)安全地線(xiàn)是一個(gè)大地地線(xiàn)。因為任何電氣電路可以連接到大地地線(xiàn)，所以它往往不是一個(gè)安靜的、穩定的參考，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備開(kāi)關(guān)切換、電源系統波動(dòng)、電路故障、雷擊或者任何引起電流波動(dòng)的事件。噪聲可以表現為傾角，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(xiàn)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(xiàn)連接之間的介質(zhì)的導電性能的好壞。 1.3共用接地線(xiàn)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(xiàn)，并且SG線(xiàn)也接到安全地線(xiàn)，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(xiàn)或者SG線(xiàn)。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。如果兩臺設備處在不同的建筑內部，使用不同的電源系統，SG有可能比其他通路有更小的阻抗，從其他源頭來(lái)的接地電流就可能在連接的接地線(xiàn)上找到它們的通路，這會(huì )導致連接中的一個(gè)有噪聲的接地線(xiàn)。一個(gè)有絕緣的接地線(xiàn)的連接就避免了這個(gè)問(wèn)題。 2 電源地線(xiàn)的設計應用 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交流電轉變成兩個(gè)次級線(xiàn)圈中的低電壓。一個(gè)線(xiàn)圈為計算機或者其他連接到光隔離器的設備端的電路提供電壓。另一個(gè)線(xiàn)圈為RS—232接口提供電壓。每個(gè)電源有它自己的接地線(xiàn)，并且這些接地線(xiàn)必須和一個(gè)大地地線(xiàn)、底盤(pán)或者信號地線(xiàn)沒(méi)有共同的連接。這個(gè)接口可以使用兩個(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(xiàn)的電池，而不是有兩個(gè)線(xiàn)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(xiàn)絕緣了呢?在大多數用線(xiàn)電壓供電的直流電源中，一個(gè)變壓器將線(xiàn)電壓降壓到一個(gè)較低的數值，其他元件整流、過(guò)濾和調節這個(gè)電壓的輸出到一個(gè)穩定的直流電壓值。在變壓器的主線(xiàn)圈和副線(xiàn)圈之間需要的唯一的連接是主線(xiàn)圈中有電流流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁耦合。這樣，這個(gè)變壓器就能夠將電源輸出與線(xiàn)電壓導線(xiàn)和安全地線(xiàn)絕緣。實(shí)際上，有的數字電路電源的輸出沒(méi)有連接到安全地線(xiàn)。在輸出端，因為電壓很低，穩壓器限制了電流，如果電路試圖產(chǎn)生大的電流，一根保險絲就將電路斷開(kāi)。 在其他電源中，輸出的接地末端連接到一個(gè)安全地，打破了這個(gè)絕緣。結果就是和其他還連接到安全地或者大地地線(xiàn)的電路的共享接地線(xiàn)。即使是這些電路處于不同的建筑中或者相距數千英尺，它們之間也可能存在一個(gè)連接。 有兩線(xiàn)電源插座的電源可能看上去沒(méi)有安全地線(xiàn)連接，但是零線(xiàn)在外接電路插入電源的時(shí)候，是連接到安全地線(xiàn)的。這個(gè)電源的輸出只有在它的接地線(xiàn)沒(méi)有和零線(xiàn)相連的時(shí)候才是絕緣的。 對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(xiàn)絕緣。利用電源，量測在電源的安全地和這個(gè)直流輸出的接地線(xiàn)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。在電源內部、零線(xiàn)和安全地線(xiàn)應該沒(méi)有連接。也可以用歐姆表驗證這一點(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(xiàn)電壓。在這種情況下，輸出就沒(méi)有與大地地線(xiàn)絕緣。即使是電源插座沒(méi)有安全地線(xiàn)引腳，在外接電路插入電源的時(shí)候，零線(xiàn)也是連接到安全地線(xiàn)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。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(xiàn)的方式釋放能量。這些能量將這個(gè)光敏電阻打開(kāi)，導致在這個(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(zhù)沒(méi)有連接。從基極到發(fā)射極加入一個(gè)電阻可以導致更快的開(kāi)關(guān)速度，但是輸出電流更低。 圖2的接口使用了6N1398光隔離器，它是設計用來(lái)和LSTTL邏輯直接連接的。它們的增益很高達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74LSl4轉換器的引腳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)了相應的光敏電阻，使得它的集電極處于低電平。這個(gè)MAX233將這個(gè)信號反向，然后發(fā)送一個(gè)正的RS-232電壓。 在74LS14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。MAX233位于引腳2的內部上拉電阻產(chǎn)生一個(gè)負的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)負的RS-232輸入使得MAX233輸出一個(gè)邏輯高電平。這個(gè)邏輯高電平將發(fā)光二極管和光敏電阻打開(kāi)，導致在74LS14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輸入導致MAX233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74LS14的引腳l拉到高電平，導致在引腳2處出現邏輯低電平。 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)直接驅動(dòng)一個(gè)發(fā)光二極管來(lái)絕緣一個(gè)現有的，未絕緣的RS-232接口。當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。當這個(gè)未絕緣的輸出為負的時(shí)候，這個(gè)發(fā)光二極管關(guān)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，除了因為這個(gè)未絕緣RS-232已經(jīng)將信號反向，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或從現有的RS-232到一個(gè)絕緣的RS-232形成一個(gè)絕緣的接口 對于最底下電路的VCC1，如果沒(méi)有其他用途的話(huà)，可以在DTR或者RTS使用一個(gè)正的輸出。這個(gè)電路在VCC1這一邊的電纜應該較短。光敏電阻的開(kāi)關(guān)時(shí)間是幾微秒，這個(gè)時(shí)間長(cháng)度不會(huì )在數據傳輸速度為20 kb/s或者更低的時(shí)候導致任何問(wèn)題。對于更快的波特率，應該尋找一個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)間為這個(gè)位寬度的1/10或者更短的發(fā)光二極管。 另一個(gè)實(shí)現絕緣接口的方法是為接口的RS-232—端使用一個(gè)獨立的、絕緣的+12 V電源。這也使能夠使用較便宜的1488／9驅動(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)光隔離的驅動(dòng)器／接收器對。 絕緣連接的另一種方式是使用光纖電纜來(lái)取代銅導線(xiàn)。光纖有很多優(yōu)點(diǎn)，它們對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1～2.5 mil之后才需要使用轉發(fā)器。 4 電涌保護設計 電涌保護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。理想的電涌保護應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)保護設備表現出很高的電阻，因此事實(shí)上對于傳輸電路而言是不可見(jiàn)的。當線(xiàn)路存在一個(gè)高電壓涌流時(shí)，保護設備打開(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，且反應迅速(10-12 s)，并且可以在很大擊穿電壓范圍內使用。氣電管要慢一些，但是可以在更高的電壓下提供保護。有的連接兩者都使用。每一種設備應該連接穿過(guò)一個(gè)接地跨接或者其他直接與大地地線(xiàn)的低阻抗連接。 |
