Während digitale Schaltungen
meist mit einer einfachen Betriebsspannung von +5 V arbeiten, sind für
die
RS232-Schnittstelle Pegel von +12 V und -12 V üblich. Damit erreicht
man eine
erhöhte Störsicherheit auch bei großen Kabellängen und höheren
Baudraten. So
kann man z.B. bei einer Kabellänge von 15 m noch sicher mit 19,2 kBaud
arbeiten.
Die Norm schreibt vor, dass
die Signalspannung am Eingang des Empfängers mindestens ±3V betragen
muss. Das
Übertragungskabel darf also erhebliche Pegelverluste mit sich bringen.
Da ein
längeres Kabel über eine erhöhte Kapazität verfügt, stellt es eine
nicht zu
vernachlässigende kapazitive Belastung des seriellen Senders dar. Da es
mit
±12V umgeladen wird, bleiben die Flanken ausreichend steil. Darüber
hinaus
fallen bei großen Signalpegeln eventuell eingestreute Störungen weniger
ins
Gewicht.
Die Schnittstelle des PCs
verwendet die üblichen Leitungstreiber 1488 und
Leitungsempfänger 1489, deren Eigenschaften der RS232-Norm
entsprechen. Abb.
2.4 zeigt die vereinfachten Innenschaltungen und die
Anschlussbelegungen beider
ICs. Man kann ihre Funktion kurz als invertierende Pegelwandler
zwischen
5-VLogigpegeln und ±12V-
RS232-Pegeln beschreiben. Neben den
Datenleitungen
werden auch die Hilfsleitungen auf Normpegel gebracht.
Abb. 2.14 Innenaufbau und Pinbelegung
der Leitungstreiber und -empfänger
Der vierfache Leitungstreiber
1488 invertiert bis zu vier logische Signale und setzt sie auf die
höheren
Pegel um. Drei der vier Treiber sind als NAND-Gatter ausgeführt, einer
als
einfacher Inverter. Die Ausgänge sind auf ±10 mA strombegrenzt. Dies
führt
automatisch zu einer nicht zu hohen Flankensteilheit und damit zur
Vermeidung
von Funkstörungen auch bei nicht abgeschirmten Kabeln. Außerdem sind
die
Ausgänge weitgehend zerstörungssicher. Sie sind absolut
kurzschlussfest, sodass
auch die fälschliche Verbindung zweier Ausgänge problemlos verkraftet
wird.
Der vierfache invertierende
Leitungsempfänger 1489 bringt die Signale auf Logikpegel zurück. Jeder
Empfänger besteht praktisch aus einem dreistufigen Schaltverstärker mit
geschütztem Eingang. Eine Rückkopplung vom Ausgang der zweiten Stufe
führt zu
einer geringen Schalthysterese. Während ein Eingangspegel von 1,25 V
als High
anerkannt wird, muss die Spannung bis auf ca. 1 V absinken, um als Low
zu
gelten. Spannungen zwischen diesen Eckpegeln führen zu keiner
Pegeländerung am
Ausgang. Ein offener Eingang erscheint in jedem Fall als Low. Über
einen
zusätzlichen Hilfseingang kann man das Übertragungsverhalten ändern.
Ein
Kondensator von z.B. 220 pF flacht die ankommenden Impulsflanken ab,
sodass
höherfrequente Störungen gedämpft werden. Ein zusätzlicher Widerstand
zur
positiven Betriebsspannung verschiebt die Eckpegel des Empfängers hin
zu
negativeren Werten.
Die Innenschaltung des
Leitungsempfängers zeigt deutlich, dass er nicht nur mit Normpegeln von
±12 V
arbeiten kann, sondern auch mit geringeren Eingangsspannungen auskommt.
Insbesondere ist die direkte Ansteuerung mit 5V-CMOS- oder TTL-Pegeln
durchaus möglich. Es reicht also, 0 V als Low-Pegel
und +3,5 V ... +5 V als High-Pegel zu verwenden, was zu einem erheblich
geringeren Bauteileaufwand auf der Interfaceseite führt. Umgekehrt kann
auch
der genormte Leitungstreiber im PC mit seinen ±12V-Pegeln einen
CMOS-Eingang
ansteuern, wenn man negative Spannungen abschneidet und positive
Spannungen
begrenzt. Abb. 2.15 zeigt die Verbindung der Normschnittstelle mit
CMOS-Bausteinen. Diese vereinfachte Ansteuerung bringt natürlich eine
geringere
Störsicherheit mit sich. In den meisten Fällen arbeitet man jedoch
ohnehin mit
relativ geringen Kabellängen bis zu 3 m und bei relativ geringen
Störfeldern.
Unter diesen Bedingungen kann man mit CMOS-Ansteuerung noch bis zu
Übertragungsraten von 19,2 kBaud problemlos arbeiten.
Abb. 2.15 Ankopplung der RS232
an CMOS-Bausteine
Fast alle seriellen
Schnittstellen können direkt TTL-Pegel empfangen. Einige
Computerhersteller
verwenden jedoch Leitungsempfänger mit Schmitt-Trigger-Eingängen mit
größerer
Hysterese und Eckpegeln von ca. +2V und -2V. Solche Eingänge müssen
bipolar
angesteuert werden. Ein Interface kann trotzdem auf eine negative
Betriebsspannung verzichten, da sie sich z.B. aus der TXD-Leitung
erzeugen
lässt. Abb. 2.6 zeigt eine kleine Adapterschaltung zum Regenerieren
bipolarer
Pegel.
Abb. 2.16 Regenerierung
bipolarer Pegel
2.8 Potentialtrennung
Das einfache
Schnittstellenkabel verbindet die Massen von PC und Interface. Oft ist
es
jedoch sinnvoller, PC und Interface vollständig zu isolieren, indem man
alle
Signale über
Optokoppler leitet. Abb. 2.17 zeigt den Aufbau
eines isolierenden
Schnittstellenkabels, diesmal für einen 25-poligen RS232-Anschluss.
Abb. 2.17 Potentialtrennung
durch Optokoppler
Auf beiden Seiten steuern die
Ausgangsleitungen über Vorwiderstände direkt die LEDs der Optokoppler
an. Die
Fototransistoren erhalten ihre Betriebsspannung über den jeweiligen
Handshake-Ausgang DTR bzw. RTS. Sie ziehen ihre Ausgänge aktiv hoch,
sodass die
angeschlossenen Eingänge Eingangswiderstände gegen Masse benötigen.
Dies ist
beim Leitungsempfänger 1489 und bei der Eingangsschaltung nach Abb.
2.16
gegeben. Auf der PC-Seite ist in die Leitung DTR eine Diode eingefügt,
da hier
negative Pegel auftreten können, die größer als die erlaubte
Sperrspannung der
Optokoppler sind. Auf der Interfaceseite kann diese Diode entfallen,
solange
man mit Logikpegeln arbeitet.
Man kann die Trennschaltung
als ein Steckmodul aufbauen, das bei Bedarf in die Verbindungsleitung
eingefügt
wird. Als Optokoppler kommen z.B. vier CNY17 in Frage. Der Einsatz von
zwei
zweifachen Optokopplern (z.B. CNY 74) ist möglich, wenn sie jeweils nur
für
eine Übertragungsrichtung eingesetzt werden. Ein vierfacher Optokoppler
kann
nicht eingesetzt werden, da zwischen benachbarten Sendedioden und
Fototransistoren keine ausreichende Isolation besteht.
Die Potentialtrennung hat
ihre besondere Bedeutung beim Anschluss empfindlicher Messgeräte. Die
meisten
PCs verwenden eine Schutzerdung über das Netzkabel. Sind auch die
angeschlossenen Geräte über ihr Netzteil geerdet, dann bildet sich eine
Masseschleife mit möglichen Ausgleichströmen, die geringe
Störspannungen an den
Messeingängen verursachen können. Einige PCs arbeiten ohne Schutzerde.
Durch
Kapazitäten von Transformatoren oder Entstörkondensatoren können sich
dann auf
der Masseleitung Störspannungen bis etwa 100 V bilden. Ist das
Interface
geerdet, kann es beim Einstecken des Datenkabels zu impulsartigen
Ausgleichströmen kommen, die die Leitungsempfänger gefährden. Bei
ungeerdeten
Interfaces an ungeerdeten PCs sind insbesondere empfindliche
CMOS-Eingänge
gefährdet. Alle diese möglichen Probleme werden mit der gezeigten
Potentialtrennung vermieden.
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