信號鏈基礎知識之設計用RS-485的2-4線轉換器

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多點數據通信網絡，例如：Profibus、Modbus和BACnet等通常均要求具備RS-485雙線、半雙工總線系統與四線、全雙工總線系統通用性。這些系統可以擴展至數百米長，並承受較大的接地電位差(GPD)。這些電位差會超出收發器的共模電壓範圍，對器件造成損壞。為了消除GPD，我們利用電隔離型收發器，將總線節點的控制電子組件隔離於連接總線的實際收發器級。圖1顯示了使用2-4線轉換器的混合網絡的結構圖。

圖1：2-4線轉換器可確保半雙工系統和全雙工系統之間的通用性

為了使轉換器運行不依賴於數據速率，我們通過總線的邏輯狀態來控制轉換器驅動器和接收器的開啟和關閉。總線驅動是以每比特間隔，從而讓轉換器運行獨立於信號數據速率。

簡單的控制邏輯可確保驅動器D1和D2僅由相反接收器（也即R1或者R2）輸出的邏輯低激活啟用。因為接收器輸入端存在VFS>200 mV的總線故障保護電壓，所以在總線閒置期間，兩個接收器輸出均為邏輯高。逆變器柵極將該邏輯高電平反向為低態，並在關閉驅動器的同時啟用接收器。

在半到全雙工方向（圖2：自左向右），R1輸入端的負總線電壓激活驅動器D2，並對驅動器輸入使用低態。D2通過以一個負輸出電壓驅動傳輸總線來做出相應的響應。當R1輸入的總線電壓變為正時，D2立即失效。但是，它的輸出卻為高電平，原因是故障保護偏置電阻器RFS形成總線電壓VFS。

（請注意，在整個運行期間，R2的輸出始終保持高電平，確保R1保持有效而D1保持無效。）

圖2：半雙工到全雙工方向的轉換器時序

在全到半雙工方向（圖3：自右向左），R2輸入端的負總線電壓激活驅動器D1，並給驅動器輸入施加低態。D1通過以一個負輸出電壓驅動雙線總線做出相應的響應。當R2輸入的總線電壓變為正時，D1經一段延遲時間後失效。在該延遲時間內，D1在出現高阻抗前使用一個負電壓驅動總線，以防止R1輸出端出現開關瞬態。

我們建議，RD●CD時間常量產生的最小延遲時間應為驅動器最大傳播延遲的1.3倍，以補償組件值、逆變器閾值和電源電壓的容差。在給定的電容條件下，可通過方程式1確定要求的RD值：

其中，tPLH-max為驅動器D2的最大低到高傳播延遲，VIT+ min為施密特觸發逆變器的最小正輸入閾值，而VCC-max為最大供電電壓。

在D1失效以後，因為有故障保護偏置電阻器RFS形成的總線電壓VFS其輸出仍為高電平。當R2輸入端的總線電壓恢復負時，由於CD通過放電二極體DD快速放電D1立即被激活。圖3所示時序圖顯示，半雙工總線上一個遠程接收器（此處以R表示），將負總線電壓轉換為一個低比特。一個高比特由一個低主驅動正總線電壓和剩餘故障保護電壓VFS組成。

圖3：全雙工到半雙工方向的轉換器時序

圖4所示最後一個轉換器設計使用兩個全雙工收發器：一個配置為半雙工收發器；另一個則為全雙工模式。該轉換器擁有高達200 kbps的數據速率，並由一個單3.3 V電源供電。表 1為此電路的材料清單 (BOM)。

表1、雙到四線轉換器BOM