2.7 Leitungstreiber- und Empfänger


 
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.

Allgemein ist die RS232 etwas aus der Mode gekommen und weitgehend durch den USB ersetzt. Gerade im Elektronik-Labor geht es nicht ohne RS232. Ein Laptop hat gegenüber einem PC noch den Vorteil, dass man bei Bedarf völlig potentialfrei arbeiten kann. Man kann sich für die Nutzung im Alltag z.B. einen gängigen Laptop günstig bei expert kaufen und ihn an einen USB-Seriell-Wandler anschließen. Unter Windows hat man dann eine virtuelle COM-Schnittstelle, z.B. als COM2 oder COM3. Die elektrischen Daten entsprechen weitgehend denen der originalen RS232, was bei einem Laptop im Vergleich zu einem PC den Vorteil bringt, potenzialfrei arbeiten zu können.
 
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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