|
作者：Thomas Kugelstadt ，德州儀器 (TI) 高級應用工程師 許多工業網絡設計人員對已經存在了30年的工業接口標準（例如：RS-485 等）似乎仍然搞不清楚，這令人難以置信。盡管講解這種標準基礎知識的文獻有很多，但是TI應用團隊仍然每周都會收到一些基礎性問題，例如：如何把故障保護偏置應用于閑置總線。 故障保護是指為端接閑置總線提供差動電壓的技術，其目的是讓總線收發器的接收機輸出維持在邏輯高電平狀態。當傳統收發器設計用于總線網絡設計時，常常會要求使用這種技術。 一些傳統設計，例如：表1所示收發器，具有±200 mV 的寬輸入敏感度。這意味著，+200 mV 和-200 mV 之間的小輸入信號可以讓接收機輸出變高或者低，從而使輸出狀態變得不確定。 在數據傳輸期間，要求滿負載總線的差動線壓高于±1.5 V，其遠高于收發器的輸入敏感度。但是，在總線訪問權限從一個節點移交給另一個節點期間或者傳輸暫停期間，總線閑置。使兩個差動信號對導體相互連接的低阻抗端接電阻器，讓差動總線電壓為0V，剛好位于收發器輸入敏感度的中間，從而產生一個不確定的輸出。 因此，為了使接收機輸出在總線閑置期間保持邏輯高電平，必須對總線施加一個高于接收機正輸入閾值（VIT+ ）的正差動故障保護電壓。表1表明，收發器每提高一代，理論要求故障保護電平便隨接收機正輸入閾值改變而下降。盡管收發器X要求最低+200 mV 的故障保護偏置，但是收發器Y和Z均可在沒有它的情況下工作，因為它們的正輸入閾值低于0V。不幸的是，這些值僅運用在無噪環境下，例如：實驗室或者地球的南北極，肯定不能在惡劣的工廠環境下使用，而RS-485 網絡就普遍安裝在這種環境中。 差動噪聲會進入總線，如果這種噪聲的量級被包括在故障保護電壓計算中，則其會錯誤觸發接收機輸入。利用一條雙絞線可幫助把線纜噪聲轉換為共模噪聲。之后，接收機的差動輸入對這種噪聲進行抑制。但是，線纜不規則性以及總線節點連接器出現的噪聲，可能會促進差動噪聲的產生，而這種噪聲是無法被接收機抑制的。 下一頁的圖1表明，當噪聲信號疊加在收發器X和Y的正輸入閾值電平上時，最小遲滯電壓決定接收機輸出出現錯誤邏輯狀態的噪聲電平。表1顯示了從不同產品說明書提取的接收機參數，它僅舉出了收發器Z的最小遲滯電平。使用兩個老式的收發器X和Y時，僅舉出典型的遲滯值。在某種情況下，例如：確定極端情況的最小故障保護值，典型值沒有意義。實際上，TI應用團隊同時測量了收發器X和Y的最小遲滯電壓，其接近規定典型值的一半。 表1 第一代、第二代和第三代（X、Y和Z）收發器的接收機輸入敏感度 
另外，有一種可能性是，給定收發器情況下，遲滯窗口可能位于正輸入閾值和負輸入閾值之間的任何位置。因此，進行極端情況計算時，你必須假設遲滯窗口位于最高正閾值極限處。因此，要確定足夠高的故障保護偏置電壓，必須給正輸入閾值電壓添加預計峰到峰噪聲電平：VAB(min) = VIT+ + VN(PP_max)。 對于噪聲電平為VN(PP_max)= 50 mV的高度平衡總線來說，使用收發器X要求差動故障保護電壓為VAB(min) = 200 mV + 50 mV = 250 mV（圖1）。
在沒有外部偏置的情況下使用相同噪聲電平操作收發器Y，是一項高風險的工作，特別是在最小遲滯遠小于標稱值時。另外，給正輸入閾值增加噪聲電平，得到最小故障保護電壓為V AB(min) = –10 mV + 50 mV = 40 mV 。 更加現代的第三代收發器Z可以在沒有故障保護偏置的情況下維持穩定的輸出。它的正輸入閾值為–20 mV，規定最小遲滯為50 mV，允許最大峰到峰噪聲電平為140 mV ，這幾乎3倍于使用外部偏置的傳統器件的抗噪性能。 如果無法使用一些現代收發器，則后面內容介紹的一些計u-算方法可用于對傳統收發器要求的故障保護偏置網絡進行優化。 傳統收發器的故障保護偏置 圖2顯示了一條端接RS-485 總線及其分布式網絡節點，以及由兩個偏置電阻器（RFS）和一個終端電阻器（RT1）組成的故障保護偏置網絡。對于大多數作為主/從系統的RS-485應用來說，故障保護偏置網絡常常安裝于總線的主端，而另一個線纜端接收匹配典型線路阻抗（Z0）的終端電阻器（RT2）。
故障保護偏置的主要缺點是其共模負載。共模負載是信號導線和本地收發器接地之間的電阻。收發器具有高共模負載，主要是因為接收機的輸入電壓分壓器（圖3）把輸入信號降低了9倍以上。
內部電阻器網絡在每個A和B總線端施加一個共模負載，其可表示為組合輸入電阻（RIN）。那么，可以通過A和B線路的等效輸入電阻（RINEQ）表示整個收發器網絡的總共模電阻。RS-485 標準規定每條總線的最大共模負載為375。初始，該值僅分配給總線收發器。實現一個故障保護偏置網絡會消耗大量的這種負載，因此僅允許少數收發器連接至總線。
圖4顯示了一條RS-485 總線的集中等效電路。可根據規定故障保護總線電壓（VAB）、電源電壓（VS）、RFS 和RINEQ引起的共模負載以及特性線路阻抗（Z0），來計算這種電路允許故障保護電阻器值。計算節點A和B 的電流，然后求解各自線壓（VA和VB）得到：
就節點A而言：
就節點B而言，考慮到兩個壓線之間的差異，并確保故障保護偏置在最小電源條件以下，可計算得到要求的最小故障保護總線電壓：
由于RFS與RINEQ共同組成一條信號線的總共模負載，因此兩條信號線的并聯值不得超出375.的規定最大值，其可表示為：
在遠線纜端，終端電阻器（RT2）必須匹配特性線路阻抗（Z0）：
在偏置網絡處，RT1和兩個故障保護電阻器的并聯組合也必須匹配Z0：
插入方程式2、3和4到方程式1中，得到總線故障保護電壓：
求解方程式5的RFS，得到每個故障保護電阻器的值：
知道RFS以后，RT1可從方程式4得到。一旦故障保護網絡建立起來，可連接至總線的最大收發器數量可通過如下方法得到：
其中，ULXCVR 為收發器的額定單位負載（UL）。典型設計過程是，首先通過方程式6計算RFS，然后再通過方程式4計算RT1，并使RT2=Z0。最后，方程式7可用于計算可能的總收發器最大數目。 表2所示設計舉例描述了這種典型的設計過程。該表還突出顯示了使用1-UL 、5V收發器（X）網絡與使用1. 8-UL、3.3V收發器（Y）網絡之間的故障保護偏置差異。 表2 故障保護偏置影響總線收發器數目舉例
結論 第一代收發器要求的高故障保護電壓故障保護偏置導致大共模負載，并且必須減少總線收發器數目。使用更小輸入敏感度和更低單位負載的第二代收發器，可通過兼顧高收發器數目來提高低噪聲電平下的性能。但是，兩全其美的辦法是現在的第三代收發器，例如：TI的3V SN65HVD7x系列和5V SN65HVD8x系列。這些新型收發器擁有如下優點： ·它們不要求使用外部偏置電阻器網絡（會給總線帶來大共模負載），從而減少了連接總線的收發器數目。 ·它們最大允許一條總線上256個收發器。 ·它們可承受高噪聲電平。 ·它們對12kV IEC ESD 和4kV IEC 脈沖瞬態有很強的抵抗能力 ·它們比傳統收發器更便宜，并且有些使用更小的封裝，實現成本和空間節省。 ·設計人員不必花費時間研究數學計算難題，例如：本文中介紹的數學計算方法。 |
