Maxim RS-485特性說明

本文介紹了Maxim的大量RS-485收發(fā)器的特性。器件可滿足半雙工或全雙工操作、低至 2.5V 的電源電壓、高達(dá) ±15kV 的 ESD 保護(hù)、250kbps 至 12Mbps 的數(shù)據(jù)速率、用于低輻射噪聲操作的壓擺率受限器件、使用開路或短路電纜的故障安全操作、用于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的正常 1 單位負(fù)載至 1/8 單位負(fù)載以及低功耗關(guān)斷操作的要求。

Maxim制造了一個(gè)看似令人眼花繚亂的RS-485驅(qū)動(dòng)器和接收器陣列。本應(yīng)用筆記解釋了Maxim產(chǎn)品線的不同特性，從而幫助您選擇最適合您需求的器件。以下是各種功能的說明以及要記住的其他重要事項(xiàng)。

數(shù)據(jù)速率和壓擺率限制

在RS-485系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的某個(gè)時(shí)間，會(huì)確定適合該系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)速率。然后有必要選擇能夠以這種速度運(yùn)行的物理RS-485設(shè)備。選擇額定速度等于或大于所需數(shù)據(jù)速率的設(shè)備。知道了這一點(diǎn)，您可能想知道選擇最快的可用設(shè)備是否有任何缺點(diǎn)，如果它們可能矯枉過正。答案是肯定的！

雖然快速器件確實(shí)可用于高數(shù)據(jù)速率和低數(shù)據(jù)速率，但使用比所需速度更快的器件存在缺點(diǎn)，包括更高的輻射發(fā)射和更容易發(fā)生不當(dāng)端接。

發(fā)生輻射發(fā)射是因?yàn)镽S-485中使用的布線將充當(dāng)天線。RS-485試圖通過使用雙絞線電纜和平衡發(fā)射器來最小化輻射發(fā)射。這背后的想法是，顧名思義，平衡發(fā)射器將產(chǎn)生兩個(gè)相等但相反的信號(hào)，這些信號(hào)以雙絞線的形式沿著兩根導(dǎo)線發(fā)送。由于導(dǎo)線實(shí)際上彼此重疊，因此它們將傾向于輻射與另一根導(dǎo)線傳輸?shù)男盘?hào)完全相反的信號(hào)。這具有相互抵消的效果，理想情況下不會(huì)產(chǎn)生凈輻射發(fā)射。這往往工作得很好，但是，就像工程中的所有東西一樣，它并不完美。不可避免地，一些輻射發(fā)射會(huì)泄漏出來。通常，信號(hào)中的頻率分量越高，電纜越長(zhǎng)，情況就越糟糕。

這同樣適用于電纜端接。由于布線的距離和數(shù)據(jù)速率，必須特別注意傳輸線效應(yīng)。RS-485電纜的兩端應(yīng)正確端接在電纜的特性阻抗中，以防止反射。電阻和電纜容差等可能導(dǎo)致這兩種阻抗不匹配。這將導(dǎo)致反射，從而降低噪聲容限，并最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。與輻射發(fā)射類似，通過電纜發(fā)送的頻率分量越高，電纜越長(zhǎng)，反射就越有可能影響您的系統(tǒng)。

壓擺率限制可以幫助低速系統(tǒng)解決上述兩個(gè)問題。壓擺率限制的工作原理是降低RS-485信號(hào)的邊沿，從而減少信號(hào)的高頻分量。比較圖 1 和圖 2 中的圖。

圖1.MAX3485E發(fā)送125kHz （250kbps）信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器輸出波形和FFT圖（a）;MAX3483E的驅(qū)動(dòng)器輸出波形和FFT圖，發(fā)送125kHz （250kbps）信號(hào)（b）。

圖2.比較MAX3483和MAX3485以125kHz （250kbps）發(fā)射的時(shí)域圖特寫 （a）;比較MAX3486和MAX3485以1.25MHz （2.5Mbps） （b）發(fā)射的時(shí)域特寫圖。

在圖1中，a和b都顯示了以485kbps（250kHz）傳輸?shù)腞S-125信號(hào)。圖1a是使用MAX3485E拍攝的，MAX12E不受壓擺率限制，速度高達(dá)1Mbps。圖3483b是使用壓擺率限制MAX250E拍攝的，MAX1E的最大數(shù)據(jù)速率為2kbps。在圖2a中，傅里葉變換顯示的頻率分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過<>Mbps。這些高頻元件對(duì)于產(chǎn)生更高數(shù)據(jù)速率所需的漂亮方形邊緣是必要的。壓擺率限制部分的傅里葉變換表明，<>MHz以上的頻率分量幾乎消失了。隨著這些高頻分量從信號(hào)中消失，圍繞壓擺率限制器件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將傾向于減少輻射，并且不太容易受到端接失配的影響。

圖3.比較MAX3486（頂部，無壓擺率限制）和MAX3483（底部，壓擺率限制）的上升沿，使用120歐姆阻抗電纜，端接220歐姆不正確。

表1比較了三種不同的RS-485器件。MAX3485是該系列中速度最快的，支持速率高達(dá)12Mbps。MAX3483具有壓擺率限制，工作速率可達(dá)250kbps。MAX3486是兩者之間的折衷方案，最大速度為2.5Mbps。

全/半雙工

RS-485的設(shè)計(jì)方式是，雙絞線上一次只能有一個(gè)發(fā)射器處于活動(dòng)狀態(tài)。有了這個(gè)約束，在圖 4a 所示的系統(tǒng)中，盒子 A 可以向盒子 B 傳輸數(shù)據(jù)，或者盒子 B 可以向盒子 A 傳輸數(shù)據(jù)，但兩者都不能同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。這稱為“半雙工”。另一方面，全雙工系統(tǒng)將允許同時(shí)進(jìn)行雙向通信。全雙工系統(tǒng)可以使用RS-485進(jìn)行設(shè)計(jì)，但需要在節(jié)點(diǎn)之間鋪設(shè)兩條雙絞線電纜，如圖4b所示。一根雙絞線專用于在一個(gè)方向上傳輸信息，另一根雙絞線專用于在相反方向上傳輸數(shù)據(jù)。每個(gè)系統(tǒng)需要略有不同的物理設(shè)備。圖5a顯示了一個(gè)典型的半雙工器件，圖5b顯示了一個(gè)典型的全雙工器件。

圖4.半雙工RS-485系統(tǒng)（a）;全雙工RS-485系統(tǒng)。（二）

圖5.系統(tǒng)中使用的半雙工部件（a）;系統(tǒng)中使用的全雙工部件。

由于半雙工部分必須能夠在同一雙絞線上發(fā)送和接收，因此發(fā)射器的輸出引腳和接收器的輸入引腳連接在一起。全雙工部分將發(fā)射器和接收器分開。此外，半雙工器件將始終具有驅(qū)動(dòng)器使能引腳（圖中為DE）。這是必需的，因?yàn)樵诮邮諗?shù)據(jù)時(shí)發(fā)射器必須三態(tài)。全雙工部件可能有也可能沒有驅(qū)動(dòng)器使能引腳，這取決于它是否為多點(diǎn)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。

軟件可選

從1年2001月1485日起，Maxim將生產(chǎn)三個(gè)可以全雙工或半雙工運(yùn)行的部件。它們是MAX1486、MAX3089和MAX6。這在可能需要同時(shí)連接到全雙工和半雙工系統(tǒng)的系統(tǒng)中很有價(jià)值。圖1485所示為MAX<>。注意標(biāo)有 H/F* 的引腳。當(dāng)該引腳被拉低時(shí)，半雙工接收器被禁用;當(dāng)它被拉高時(shí)，全雙工接收器被禁用。

圖6.MAX1485/MAX1486可配置為全雙工或半雙工部分。

2.5V/3.3V 和 5V 電源

根據(jù)EIA/TIA 485 Rev A規(guī)范，RS-485變送器在加載1歐姆時(shí)必須具有5.5V至27V的差分輸出電壓。通過精心設(shè)計(jì)和低壓差發(fā)送器，這可以通過運(yùn)行低至2.5V的電源來實(shí)現(xiàn)。因此，僅采用3.0V至3.6V電源供電的系統(tǒng)可以使用Maxim的3V系列器件，并符合RS-485規(guī)范。

需要注意的一個(gè)特殊部件是MAX3471。該器件的額定工作電壓范圍為2.5V至5.5V。因此，MAX3471在電池供電系統(tǒng)中特別有用。例如，使用3AA電池的系統(tǒng)在電池為新電池時(shí)的典型工作電壓范圍為4.5V，當(dāng)電池即將耗盡時(shí)，典型工作電壓范圍為2.7V。MAX3471的寬工作范圍允許器件直接由電池供電，無需任何會(huì)增加系統(tǒng)成本的電源轉(zhuǎn)換器。

1 單位負(fù)載，1/4 單位負(fù)載，1/8 單位負(fù)載

“單位負(fù)載”是由EIA 485規(guī)范創(chuàng)建的假設(shè)單位，旨在幫助RS-485系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員確定每根電纜可以連接多少個(gè)接收器/發(fā)射器。該規(guī)范認(rèn)識(shí)到，可以連接的設(shè)備數(shù)量在很大程度上取決于每個(gè)部件對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載。部件對(duì)系統(tǒng)的負(fù)載越大，可以使用的部件就越少。為了量化這一點(diǎn)，發(fā)明了“單位負(fù)載”。所有RS-485部件都應(yīng)根據(jù)這些單位負(fù)載的分?jǐn)?shù)或倍數(shù)來表征其負(fù)載。例如，MAX487被描述為1/4單位負(fù)載器件，而MAX3485被表征為1單位負(fù)載器件。這基本上意味著MAX487的負(fù)載將比MAX1低4/3487，因此，如果系統(tǒng)僅使用MAX487，則系統(tǒng)可以連接多達(dá)四倍的MAX3487。

最終，一根雙絞線最多可連接 32 個(gè)單位負(fù)載。這 32 個(gè)單位負(fù)載可以是零件的任意組合。例如，32 x 1/4 單位負(fù)載部件加上 16 x 1 單位負(fù)載部件可以在系統(tǒng)中成功使用。目前，Maxim生產(chǎn)的器件為1單位負(fù)載、1/4單位負(fù)載和1/8單位負(fù)載。下表顯示了每種示例。

高靜電保護(hù)

所有Maxim器件的每個(gè)引腳均采用ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，以防止在處理和組裝過程中遇到的靜電放電。Maxim的標(biāo)準(zhǔn)RS-485器件在所有引腳上提供≥2kV ESD。Maxim的±15kV保護(hù)器件通過在其驅(qū)動(dòng)器輸出和接收器輸入端提供（人們可能懷疑的）±15kV保護(hù)來改善這一點(diǎn)。生活中的一切都是有代價(jià)的，而增加的ESD保護(hù)需要支付少量的額外費(fèi)用?！?5kV保護(hù)部件通常與標(biāo)準(zhǔn)器件具有相同的引腳排列和功能，因此無需修改電路板布局即可輕松替換這些器件。MAX485和MAX485E就是兩個(gè)這樣的器件的例子。MAX485具有標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)級(jí)別，而MAX485E具有±15kV保護(hù)。重要的是要注意我們的零件在ESD沖擊期間的反應(yīng)。這些部件不僅不會(huì)因低于其額定值的ESD撞擊而損壞，而且還可以繼續(xù)正常工作，而無需回收電源。此外，它們?cè)谏想?、斷電和關(guān)斷時(shí)具有 ESD 沖擊保護(hù)。

故障安全操作

RS-485系統(tǒng)中可能會(huì)出現(xiàn)四種常見的故障情況，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。通過專門設(shè)計(jì)的輸入級(jí)，Maxim的故障安全器件設(shè)計(jì)用于防止這些條件下出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

RS-485系統(tǒng)可能遇到的四個(gè)常見故障如下：

系統(tǒng)中的所有發(fā)射器都處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。

接收器未連接到電纜。

電纜有一個(gè)開口。

電纜短路。

RS-485規(guī)定接收器的輸入門限在±200mV差分之間。這基本上意味著，如果接收器上的差分電壓為0V，則輸出狀態(tài)不確定。不幸的是，除非另有設(shè)計(jì)，否則這正是上面列出的每個(gè)故障中發(fā)生的情況。更糟糕的是，如果接收器的閾值非常接近0V，則耦合到其中的任何噪聲都足以觸發(fā)閾值并導(dǎo)致輸出顫振。這種顫動(dòng)可能顯示為信號(hào)并混淆系統(tǒng)。Maxim的故障安全器件，如MAX3080，通過-50mV至-200mV的接收器門限解決了這一問題。對(duì)于這些器件，如果由于故障條件，輸入級(jí)兩端出現(xiàn)0V電壓，則保證輸出為邏輯高電平。此外，接收器具有50mV的噪聲容限。所有這些都是在符合RS-485規(guī)范的同時(shí)完成的。

關(guān)閉

關(guān)斷功能的唯一目的是節(jié)省電量。將器件置于關(guān)斷狀態(tài)可顯著降低其電源電流，從而降低功耗。使用MAX3483可以說明節(jié)能的示例。正常工作期間，典型電源電流為 1.1mA。關(guān)斷時(shí)，電源電流降至2nA！使用關(guān)斷時(shí)要考慮的一個(gè)重要方面是從關(guān)斷狀態(tài)到有效輸出所需的時(shí)間。對(duì)于MAX3483，這可能需要長(zhǎng)達(dá)3μS的時(shí)間。MAX3485在最壞情況下可將這一時(shí)間縮短至900nS。

審核編輯：郭婷