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  • 常用接口/信号的电平

    千次阅读 2019-09-08 00:04:13
    本文汇总常见接口信号的电平,包括I2C, SPI, UART, RS232, RS485, RS422, CAN, USB(2.0, 3.1),LVDS。其他接口如PCIE, MIPI, JTAG, 各种显示接口(VGA, HDMI, DVI),网口RJ45等混杂多种信号的通讯接口类型在这篇...

    本文汇总常见接口信号的电平,包括I2C, SPI, UART, RS232, RS485, RS422, CAN, USB(2.0, 3.1),LVDS。其他接口如PCIE, MIPI, JTAG, 各种显示接口(VGA, HDMI, DVI),网口RJ45等混杂多种信号的通讯接口类型在这篇文章就不列举,有机会在后续的文章再单独描述。

    1. TTL 与 CMOS
    TTL: 三极管组成,包括集电极开路(OC)和推挽(push-pull)两种,OC需要外部上拉电阻。
    CMOS: MOS管组成,包括集电极开路(OC)和推挽(push-pull)两种,OC需要外部上拉电阻。
    TTL与CMOS电平类似,高电平为1, 低电平为0,常用高电平由5V, 3.3V, 2.5V, 1.8V。CMOS可以驱动TTL,但是TTL不能完全驱动TTL,有时需要上拉电阻或电平转换。
    CMOS相对TTL有了更大的噪声容限,输入阻抗远大于TTL输入阻抗。
    5V TTL VCC:5V; VOH>=2.4V,VOL<=0.4V.VIH>=2V,VIL<=0.8V;
    3.3V LVTTL:VCC:3.3V.VOH>=2.4V,VOL<=0.4V,VIH>=2V,VIL<=0.8V
    2.5V LVTTL:VCC:2.5V,VOH>=2V,VOL<=0.2V;VIH>1.7V,VOL<=0.7V;
    5V CMOS Vcc:5V;VOH>=4.45V;VOL<=0.5V;VIH>=3.5V;VIL<=1.5V。
    3.3V LVCMOS:Vcc:3.3V;VOH>=3.2V;VOL<=0.1V;VIH>=2.0V;VIL<=0.7V。
    2.5V LVCMOS:Vcc:2.5V;VOH>=2V;VOL<=0.1V;VIH>=1.7V;VIL<=0.7V。
    推挽与开漏区别:
    推挽与开漏的特点
    I2C采用OC/OD,需要外部上拉电阻; SPI(PUSH-PULL),UART一般配置为PUSH-PULL输出,内部上拉输入.

    2. RS232-C
    在TxD和RxD上:逻辑1(MARK)=-3V~-15V,逻辑0(SPACE)=+3~+15V
    在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上:信号有效(接通,ON状态,正电压)=+3V~+15V;信号无效(断开,OFF状态,负电压)=-3V~-15V。
    RS-232C 与TTL转换:EIA RS-232C 是用正负电压来表示逻辑状态,与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此,为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接,必须在EIA RS-232C 与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件,也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件,如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换,而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。MAX232芯片可完成TTL←→EIA双向电平转换。

    3. RS422 与RS485
    发送端间T+与T-的电压差+2 ~ +6v为逻辑1; -2 ~ -6v 为逻辑0。
    接收端 R+与R-间的电压差大于 +200mv 为逻辑1,小于-200mv 为逻辑0。
    定义逻辑1为D+>D-或R+>R-的状态, 定义逻辑0为D+<D-或R+<R-的状态。
    接收端R+,R-之间的电压差不小于200mv.
    共模电压范围,RS-485收发器共模电压范围为-7~+12V,但RS-422收发器共模电压范围为-7~+7V。

    4. CAN
    发收器将单端数字逻辑信号TXD(或者D)和RXD(或者R)转换为差分CAN总线所要求的电平。隐性(Recessive)为高电平,显性(Dominant)为低电平。
    高速CAN典型值:隐性CANH=CANL=2.5V,差分0V; 显性CANH=3.5V, CANL=1.5V,差分2V;
    低速CAN典型值:隐性CANH=1.75V, CANL=3.25V, 差分-1.5V, 显性CANH=4, CANL=1,差分3V。
    CAN电平规范
    5. USB
    USB接口、引脚定义及电平在不同代有不同的要求。
    对于USB 2.0 采用差分线进行数据传输,D+/D-采用(3.3V逻辑电平)。
    差分信号高电平:D+>2.8V,D-<0.3V,D+ - D->0.2V
    差分信号低电平:D->2.8V, D+<0.3V, D- - D+>0.2V
    单端0状态(SE0):D+<0.3V, D-<0.3V;
    差分信号状态并不直接代表数据状态0或1,而是指示逻辑电平有变化。USB采用不归零取反(NRZI)来传输数据,当传输线上的差分数据输入0时就取反,输入1时就保持原值无变化保持1,有变化变为零。当在USB总线上发送一个包时,传输设备就要进行位插入操作(即在数据流中每连续6个1后就插入一个0),从而强迫NRZI码发生变化。
    对于USB3.X高速差分对,电压电平定义有:差分信号电压摆动典型0.5V,最小0.2V,最大0.6V。共模电压最小值为0V,最大为2.2V。
    单端0状态(SE0):D+<0.3V, D-<0.3V;一般用于复位信号,SE0状态维持10ms以上则复位。
    单端1状态(SE1):D+>2.8V,D->2.8V;无效状态,一般不出现。
    低速下:差分信号高电平(D+>2.8V,D-<0.3V)为K状态,低电平(D->2.8V,D+<0.3V)为J状态;
    高速和全速下:差分信号高电平为J状态,低电平(D->2.8V,D+<0.3V)为K状态;
    主机默认在D+和D-都有15k电阻下拉,若从机D+有1.5k电阻上拉则为高速或全速设备,若D-有1.5k上拉则为低速设备。
    USB 3.0 采用8b/10b编码,USB3.1采用128b/132b编码。

    6. LVDS
    LVDS = Low-Voltage Differential Signaling 低电压差分信号,属于平衡传输信号。
    LVDS传输信号为电流驱动信号,终端匹配电阻标准规定为100Ω,由于恒流源为3.5mA,则摆动电平幅度为-350mV350mV。由于偏置电压为1.2V,则差分信号的电压范围为850mV1550mV。
    LVDS收发器示意图
    当Q2、Q3导通而Q1、Q4截止时,恒流源电流经Q3流向接收器,并向下穿过100欧姆端接电阻再返回至驱动端,最后经Q2到地(GND),3.5mA的电流在100欧姆电阻上产生350mV的压降,此时同相端电压高于反相端电压,输出为高电平“H”.
    而当Q2、Q3截止而Q1、Q4导通时,恒流源电流经Q1向右流向接收器,并向上穿过100欧姆端接电阻再返回至驱动端,最后经Q4到地(GND),3.5mA的电流在100欧姆电阻上也产生350mV的压降,但此时同相端电压低于反相端电压,输出为高电平“L”.
    从LVDS结构原理可以看出,一对差分信号线只能够进行一个方向的数据传输,即单工通信(也称为点对点传输,point-to-point).
    驱动器端的电气特征:
    驱动电流: 2.5mA ~ 4.5mA, 典型值为3.5mA
    差分电压摆动: 247mV<= Vswing <=454mV with two 49.9OHM(+/-1%) resistors in series.
    共模电压: 1.125V<= Vos <=1.375V
    短路电流: 12mA(P short to N),24mA(P or N short to GND)
    接收器电气特征:
    共模电压范围:0 <= Vin <= 2.4V
    差分电压范围:100mV <= Vith <= 600mV
    接收器和驱动器间对地电势差:+/-1V
    LVDS电平范围

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  • RS232、RS485、RS422、RJ45接口的特点 1、RS232接口及特点 我们先说题目中的第一个RS232通信接口,我记得在以前的台式电脑主机或笔记本电脑上一般都会留有这种接口,我在上学学习单片机时,在单片机实验板上也会有...

    只要是学习计算机、电子通信技术或电气控制技术的朋友对以上通信接口都不会陌生,多多少少都会用到其中的一两个通信接口,至于对这四个通信接口有什么区别,按照“只有对比,才有鉴别”的分析法,今天我们借着这个题目给朋友们盘点一下这四个通信接口到底有什么区别吧。

    RS232、RS485、RS422、RJ45接口的特点

    1、RS232接口及特点

    我们先说题目中的第一个RS232通信接口,我记得在以前的台式电脑主机或笔记本电脑上一般都会留有这种接口,我在上学学习单片机时,在单片机实验板上也会有这种接口,这种通信接口名叫串行通信接口,它总共有9个针或者9个孔,如下图所示。

    带针的接口称为公头,带孔的接口称为母头。根据上图中所标针脚序号,我们分别给它们赋予了如下的功能:

    1、载波检测(DCD):数据载波检测端。

    2、接收数据(RXD):它的作用是串口数据接收端。

    3、发送数据(TXD):它的作用是串口数据输出端。

    4、数据终端准备好(DTR):数据接收端就绪信号。

    5、信号地线(SG):接地端。

    6、数据准备好(DSR):准备好要发送的数据。

    7、请求发送(RTS):对发送的数据进行请求。

    8、清除发送(CTS):清除发送端的数据。

    9、振铃提示(RI):铃声指示。

    我们学习单片机技术时都知道,当我们要让这个RS232串口和我们的单片机进行“通话”时,我们只需要关心其中的 2 脚数据接收(RXD),3 脚数据发送(TXD)和 5 脚接地(GND)就可以了。比如我们用电脑在给单片机传数据时,由于单片机电路5V 代表高电平而 0V 代表低电平,对于计算机所具有的RS232 标准来说,它是个反逻辑,我们也叫做负逻辑。也就是TXD 和 RXD 的电压,从负3V 到负15V 代表是高电平( 1),从3到15V 之间的电压代表是低电平( 0)。低电平代表的是 1,高电平代表的是 0,所以我们叫它负逻辑。由此可见电脑端RS232电平逻辑与单片机端的电平逻辑不一致,也就是说彼此是“听”不懂对方所所讲的“话”,这就需要在中间有个传话人,因此在电脑的 9 针232 串口和单片机之间就需要一个能够起到“翻译”作用的芯片,常见的芯片有 MAX232,如下图所示。

    现在我们总结一下RS232接口的特点吧,首先它通信方式采用是点对点的方式;其次它使用的是负逻辑,也就是-5V到-15V代表逻辑状态“1”,+5V到+15V代表逻辑状态“0”;再次RS232接口最大的通信距离15.24米;最后它最高的传输数据的速度20千字节/每秒。从稳定性来说,它所传输的信号很容易收外部干扰信号的影响。由此可见RS232通信这种方式的缺点是显而易见的。比如它的接口信号电平值较高,达到十几 V,容易损坏接口电路的芯片,而且和 晶体逻辑电平(TTL )不匹配,因此和单片机电路接起来的话必须加转换电路;传输速率有不高,一般也就几十 Kb/s 就到极限了;RS232接口使用信号线和 GND 与其他设备形成的是共地模式的通信,这种共地模式传输容易产生干扰,因此抗干扰性能力比较弱;从传输的距离来看很有限,最多只能通信几十米;它通信时采用点对点通信,只能两点之间进行通信,不能够实现多机联网通信。

    2、RS422接口及特点

    鉴于RS232有许多不足和短板,在1977年美国又推出了一种新标准串行通信接口RS422,在性能上有了全面的提升。RS422主要是对RS232的电气特性进行了改进,比如它在信号传输上使用了差分接收电路,也就是说它使用了两根线(TXD+和TXD-)发送信号和两根线(RXD+和RXD-)接收信号,大大增强了信号的抗干扰能力,同时在传输信号的距离上也拓展了不少,它最大可以有1200米的通信距离,其传输数据的速率可到100千字节每秒,当通信距离为12米的时候,其最大数据传输速度为10Mb/s。最终有了联网通信的能力,一个RS422连接驱动器端口可以连接十台接收器,其接线端口如下图所示。在通信方式上,RS422使用的是全双工通信方式,可以同时进行数据的发送和接收。

    3、RS485接口及特点

    为了拓展通信连接的设备数量,在RS422接口的基础上人们又进行了改进,从原先可以连接10个设备增加到可以连接32个通信设备,也可以说RS485端口是在RS422端口的基础上又进行了改进。它的主要突出特点首先是在接口除了采用了差分驱动器外还使用了平衡驱动器,抗噪声能力更上一层楼。其次是通信的距离可延展到1219米,数据的传输速率达到10Mb/s;最后体现在电气特性的逻辑电平上,RS485逻辑"1"的电平其电压在2V到6V之间,逻辑“0”的电压在负2V到负6负之间,从电平的数值来说要比RS232电平低了许多,因此它不易损坏接口电路的芯片,同时还可以与晶体管逻辑电平(TTL)相连接,使用方便,比如使用MAX487芯片就可以实现两者的转换。

    RS485接口在使用多点互连时比较方便,现在许多设备上都会预留RS485接口,在联网时方便构成分布式连接方式。RS485使用的是半双工通信方式,任意时刻只能有一点处于发送状态,发送电路要由使能信号控制。

    下面我们总结RS485的特点: RS485采用的是一种半双工的差分通信方式,它的通信线路是两根,常用 A 和 B 或者 D+和 D-来表示。逻辑“1”以两线之间的电压差为+(2~6)V 表示,逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V 来表示,是一种典型的差分通信;RS485 通信速度快,最大传输速度可以达到 10Mb/s 以上。;RS485 内部的物理结构,采用的是平衡驱动器和差分接收器的组合,抗干扰能力也大大增加。;传输距离最远可以达到 1200 米左右,但是他的传输速率和传输距离是成反比的,只有在 100Kb/s 以下的传输速度,才能达到最大的通信距离,如果需要传输更远距离可以使用中继。;可以在总线上进行联网实现多机通信,总线上允许挂多个收发器,从现有的 RS485芯片来看,有可以挂 32、64、128、256 等不同个设备的驱动器。RS485 的接口非常简单,只需要一个 RS485 转换器,由于 RS485 是差分通信,因此接收数据和发送数据是不能同时进行的,也就是说它是一种半双工通信。

    4、RJ45接口及特点

    RJ45接口它是一种网络通信接口,现在自动化控制设备上一般都会预留这种接口,比如变频器、可编程控制器(PLC)、触摸屏、伺服驱动器等。这种接口最常见的要数在网卡上了,比如不管是台式计算机还是笔记本电脑都有这种接口,它的作用主要也是用于数据传输的。

    我们从RJ45接口看它有8个引脚,有两种接线方式,一种是T568A,另一种是T568B,两种接线的顺序也是不同的,例如对于T568B接线方式来说,其中第六脚绿色线为接收信号数据的负极-RX,第三脚绿白线为接收信号数据的正极+RX,第二脚橙色线为发送信号的负极-TX,第一脚橙白色线为发送信号的正极+TX,如下如所示,因此对于这种接线方式只用到了1脚、2脚、3脚、6脚其余四个引脚为空脚。

    RJ45接口常常用来作为以太网接口,作为网络接口,它的传输速率比较快,一般有10Mb/s和100Mb/s两种,RJ45接口有两种,一种是DTE接口,主要用于以太网网卡、路由器的接口;另一种是DCE接口,它主要用于交换机接口上。从这种信号传输方式看,它也属于差分信号传输,并且每两根线互相缠绕在一起,起到抗干扰的作用。

    由于RJ45接口传输距离远,抗干扰能力强、传输速率高等优点,现在已经成为各种通信设备上的必备的通信接口了。

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  • 这是布林特节能科技的第777期文章RS-232、RS...RS-232采取不平衡传输方式,即所谓单端通讯,而RJ45接口通常用于数据传输,最常见的应用为网卡接口。RS-232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而设计的,其驱动器负...

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    这是布林特节能科技的第777期文章


    RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准,RS-232是PC机与通信中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232采取不平衡传输方式,即所谓单端通讯,而RJ45接口通常用于数据传输,最常见的应用为网卡接口。

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    RS-232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而设计的,其驱动器负载为3~7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。

    422与RS-485串行接口标准,RS-422、RS-485与RS-232不一样,数据信号采用差分传输方式,也称作平衡传输,它使用一对双绞线,在早期PC通信中比较常见,RS-422的最大传输距离为4000英尺,最大传输速率为10Mb/s

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    RS-485与RS-422一样,其最大传输距离约为1219米,最大传输速率为10Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比,在100kb/s速率以下,才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1Mb/s。

    这些异步串行通讯接口都应用于计算机测控系统中,RS232C 是美国电子工业协会正式布的串行总线标准,也是目前最常用的串行接口标准,用于实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。RS232C串行接口总线适用于:设备之间的通讯距离不大于15米,传输速率最大为20kB/s。

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    一个完整的RS232C接口有22根线,采用标准的25芯插头座。RS232C采用逻辑,逻辑“1”:-5V~-15V,逻辑“0”:+5V~+15V

    缺点:数据传输速度慢、通讯距离短、未规定校准的连接器、接口处各信号间易产生串扰。

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    1、RS-232是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写,232为标识号,C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线,包括一个主通道和一个辅助通道,在多数情况下主要使用主通道,对于一般双工通信,仅需几条信号线就可实现,如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定,驱动器允许有2500pF的电容负载,通信距离将受此电容限制,例如,采用150pF/m的通信电缆时,最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小,通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送,存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题,因此一般用于20m以内的通信。

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    RS232通讯的基础知识:RS232通讯又叫串口通讯方式。是指计算机通过RS232国际标准协议用串口连接线和单台设备(控制器)进行通讯的方式。  

    通讯距离:9600波特率下建议在13米以内。  

    通讯速率(波特率 Baud Rate):缺省常用的是 9600 bps,常见的还有 1200 2400 4800 19200 38400等。波特率越大,传输速度越快,但稳定的传输距离越短,抗干扰能力越差。

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    2、RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时,广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mV的电压,故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式,任何时候只能有一点处于发送状态,因此,发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便,可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统,其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

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    RS485通讯的基本知识:RS485和RS232的基本的通讯机理是一致的,他的优点在于弥补了RS232 通讯距离短,不能进行多台设备同时进行联网管理的缺点。  

    计算机通过 RS232 RS485转换器,依次连接 多台 485设备(门禁控制器),采用轮询的方式,对总线上的设备轮流进行通讯。  

    接线标示是 485+ 485- ,分别对应链接设备(控制器)的 485+ 485-。

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    3、RS422是双端线传送信号,通过传输线驱动器,把逻辑电平变换成电位差,完成始端的信息怤;通过传输线接收器,把电位差转变成逻辑电平,实现终端的信息接收。总线,RS485和RS422电路原理基本相同,都是以差动方式发送和接受,不需要数字地线。差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因,这正是二者与RS232的根本区别,因为RS232是单端输入输出,双工工作时至少需要数字地线 发送线和接受线三条线(异步传输),还可以加其它控制线完成同步等功能。RS422通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响,而RS485只能半双工工作,发收不能同时进行,但它只需要一对双绞线。RS422和RS485在19kpbs下能传输1200米。用新型收发器线路上可连接台设备。

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        RS422比RS232传输信号距离长,速度快,传输率最大为10Mbit/s,在此速率下电缆允许长度为120米,如果采用较低传输速率,如9000波特率时,最大距离可达1200米。

    RS422每个通道要用二条信号线,如果一条是逻辑“1”状态,另一条为逻辑“0”。电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器几部分组成。在电路中规定只许有一个发送器,可有多个接收器,因此通常采用点对点通讯方式。

    RS422通讯基础知识:他的通讯原理和RS485类似,区别在于他的总线是两组双绞线(4根线),分别标示为R+ R- T+ T- .缺点是布线成本高,容易搞错。现在用得比较少。

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    4、RJ45是各种不同接头的一种类型(例如:RJ11也是接头的一种类型,不过它是电话上用的);RJ45头跟据线的排序不同的法有两种,一种是橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕;另一种是绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕;因此使用RJ45接头的线也有两种即:直通线、交叉线。RJ45 型网线插头又称水晶头,共有八芯做成,广泛应用于局域网和 ADSL 宽带上网用户的网络设备间网线(称作五类线或双绞线)的连接。在具体应用时,RJ45 型插头和网线有两种连接方法(线序),RJ45 型网线插头引脚号的识别方法是:手拿插头,有 8 个小镀金片的一端向上,有网线装入的矩形大口的一端向下,同时将没有细长塑料卡销的那个面对着你的眼睛,从左边第一个小镀金片开始依次是第1 脚、第2 脚、…、第8 脚。

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    以太网 10/100Base-T 接口:

    Pin Name Description

    1 TX+ Tranceive Data+ (发信号+)

    2 TX- Tranceive Data- (发信号-)

    3 RX+ Receive Data+ (收信号+)

    4 n/c Not connected (空脚)

    5 n/c Not connected (空脚)

    6 RX- Receive Data- (收信号-)

    7 n/c Not connected (空脚)

    8 n/c Not connected (空脚)

    以太网 100Base-T4 接口:

    Pin Name Description

    1 TX_D1+ Tranceive Data+

    2 TX_D1- Tranceive Data-

    3 RX_D2+ Receive Data+

    4 BI_D3+ Bi-directional Data+

    5 BI_D3- Bi-directional Data-

    6 RX_D2- Receive Data-

    7 BI_D4+ Bi-directional Data+

    8 BI_D4- Bi-directional Data-

    1 white/orange

    2 orange/white

    3 white/green

    4 blue/white

    5 white/blue

    6 green/white

    7 white/brown

    8 brown/white

    注:RJ45接口采用差分传输方式,tx+、tx-是一对双绞线,拧在一起可以减少干扰。

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    以往,PC与智能设备通讯多借助RS232、RS485、以太网等方式,主要取决于设备的接口规范。但RS232、RS485只能代表通讯的物理介质层和链路层,如果要实现数据的双向访问,就必须自己编写通讯应用程序,但这种程序多数都不能符合ISO/OSI的规范,只能实现较单一的功能,适用于单一设备类型,程序不具备通用性。

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    在RS232或RS485设备联成的设备网中,如果设备数量超过2台,就必须使用RS485做通讯介质,RS485网的设备间要想互通信息只有通过“主(Master)”设备中转才能实现,这个主设备通常是PC,而这种设备网中只允许存在一个主设备,其余全部是从(Slave)设备。而现场总线技术是以ISO/OSI模型为基础的,具有完整的软件支持系统,能够解决总线控制、冲突检测、链路维护等问题。现场总线设备自动成网,无主/从设备之分或允许多主存在。在同一个层次上不同厂家的产品可以互换,设备之间具有互操作性。

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    图 1 SP0505在以太网口中的应用

    在以太网口连接时可按图1所示方法接入SP0505,通过这种方式将器件内部两个方向的TVS管进行串联,从而实现两极保护,在信号发送线和接收线上 无论正向过压还是负向过压可以纳秒级速度快速反应。

    对于TVS管阵列的应用,最高反相截止电压应高于信号正常工作时的差分电平。根据IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)规范,百兆网口差分对信号的最高摆幅为1.05V。查询SP0505的反相截至电压最高值为5.5V,通过串联的方式可以做到更高,因此这一点是完全满足的。

    在以太网口中的应用中,信号的速度越快,工作的电压越低,但是电流却更高。因此引入TVS管阵列还应注意反相截止电流不能影响信号,SP0505的反相截至电流在5V测试条件下最大为100nA,典型值为1nA,但是对于网口信号差分电压摆幅为1.05V,且采用并联方式,其反相截止电流更低,这样的能量不足以对信号质量造成影响。此外,峰值电流也是SP0505中值得注意的参数。

    值得注意的是,当前的以太网口遵照10/100 Base的标准,通过的信号理论值可达100Mbit/s,属于高速信号,在做ESD防护要求不影响信号线的信号质量。因此在做防护时,需要考虑TVS管的寄生电容,特别是百兆网口工作时,阵列的寄生电容参数将对信号眼图产生影响。由于容性的存在,眼图的边缘速率将会降低,网口的回损参数也将受到影响。

    通过查询手册可以知道SP0505的寄生电容参数为30pF,按照图中的器件连接方法可以近似理解对于差分线上而言寄生电容为15pF,寄生电容值极低,笔者以一款厂家的RJ45以太网接口按照图示方法应用在80MHz物理频率下,回损为-10dB,数据通信正常,选用物料号是SP0505BAHT。

    图 2 印制板中TVS阵列的不合理布局

    此外,在元器件布局上,SP0505BAHT的放置也要注意,其应布置在PHY芯片和变压器之前,紧挨着网络口。比如在图2中,由于需要布置多个网口,且同时需要考虑平面分割,忽视了ESD防护器件应靠近网口布置的原则,将TVS阵列放置在较远位置,造成在静电放电实验中无法通过,网口受到冲击后无法正常工作。具体而言,这种现象的成因是多种原因造成的,但是过长的TVS管布线会引入不合理的等效电感,对于百兆信号来说这是极其敏感的,极易造成回损,影响信号质量,在有干扰的情况将更加严重。因此除了尽可能近地放置SP0505BAHT,还应在信号线上连接电感电容调节回损,提高眼图效果,建议按照图3布局。

    图 3 SP0505在以太网中的推荐布局

    因此,从上述关于SP0505BAHT这个TVS管阵列器件在以太网接口电路中的应用中可以发现,虽然这种阵列器件可以帮助设计者节约印制板空间,提高产品ESD防护性能,但是我们还是需要结合以太网这种高速电路的本质考虑器件的选型和空间的布置。在实际设计中,除了需要参考手册和仿真设计外,更多还是要通过测试的手段即时发现问题,选择相适应的电路和器件来解决具体问题。

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