RS-232收发器的发展过程回顾

2011-06-08 23:08:49来源: 互联网
摘要:将RS-232收发器集成到RS-232设计已经经历了20多年的历史。本应用笔记回顾了RS-232收发器的发展过程,对每一进程的技术优势以及带给用户的益处进行了详细说明。以业内领先的Maxim器件为示例介绍RS-232收发器的演变。

  引言

  在过去的25年,为了满足RS-232的发展对RS-232收发器进行了多次修改。这些创新设计包括:集成电荷泵、高ESD保护、自动关断(AutoShutdown™)、3.3V单电源供电、宽带、电平转换等,封装尺寸也在不断缩小。这些改进增强了器件功能,有助于简化RS-232接口设计,减少器件数量,节省电路板面积。作为RS-232收发器产品的领导者,Maxim Integrated Products推出了超过158种具有增值功能的RS-232器件,以满足广泛的应用需求。

  本应用笔记回顾了RS-232收发器的关键功能,从其发展过程看,RS-232收发器的演变也反映了串口通信的发展需求。

  背景

  EIA/TIA-232-E标准于1962年发布,此后进行了4次修改,以满足不断变化的串口通信要求。EIA/TIA-232-E标准的官方名称是“数据终端设备(DTE)与数据电路端设备(CTE)之间串行交换二进制数据的接口”,可以简单地定义为:主机系统(DTE)与外设系统(CTE)之间的串行数据通信(图1)。

  


  图1. DTE至DCE系统框图,电路采用MAX214收发器,显示两台PC的DTE与DCE之间的连接。

  应用历史

  历史上,RS-232串行通信常常用于连接计算机和外围设备,比如:调制解调器、打印机、键盘、游戏手柄、鼠标等。近几年,大部分这类应用已经转为通用串行总线(USB)等其它通信协议。

  现在,RS-232串行通信主要用于GPS、POS、血糖仪、条形码扫描仪、汽车数据通信设备、机顶盒、游戏机等需要低成本、低速率(低于1Mbps)的通信系统。

  RS-232 IC的演进过程

  虽然RS-232收发器设计经历了重大演进,但在当前应用中,工程师仍然使用RS-232协议。从图2可以看出RS-232的创新进程,我们将在后续章节逐一讨论。

  

图2. RS-232收发器的发展进程

  图2. RS-232收发器的发展进程

  集成电荷泵

  最初的RS-232 IC需要采用双电源(+15V和-15V)供电,以支持RS-232发送器的正、负输出摆幅(请参考图3 ,通道1)。而大多数系统只提供一个电源,这就需要外部电荷泵对单电源进行倍压,然后再进行反相。二十世纪八十年代,Maxim率先将电荷泵集成到RS-232收发器内,创造出首款单电源供电的RS-232 IC MAX232。这是最早推出的能够对电源电压进行倍压、反相转换,支持RS-232发送器电路的RS-232收发器。

  

图3. RS-232信号,通道1为发送器输出的总线信号;通道2为接收器的逻辑输出信号。

  图3. RS-232信号,通道1为发送器输出的总线信号;通道2为接收器的逻辑输出信号。

  在随后推出的产品中,例如MAX3232,EIA-232电平被定义成为5kΩ负载提供±5V驱动。利用新的低压差输出技术,Maxim推出了内置电荷泵、可提供稳定的±5.5V输出的RS-232收发器。这种设计允许收发器以最小的电源电流提供兼容于RS-232的输出电平。

  集成电荷泵如何工作呢? 第一个电荷泵的工作类似于倍压器,如果忽略少量损耗,该电荷泵能够把5V电源电压转换成+10V;第二个电荷泵配置成反相器,将+10V电压转成-10V,当然实际应用会存在少量损耗。所产生的±10V电源用于RS-232发送器供电。

  较高的ESD保护

  任何RS-232器件都会在所有引脚提供静电放电(ESD)保护能力(典型值为±2kV),避免器件处理、装配过程中受到ESD冲击而损坏。由于手持设备和便携设备采用RS-232串行通信,这类应用需要更高的ESD保护能力,以承受人体模式的静电冲击(HBM,工业标准要求高于±2kV的ESD保护)。Maxim提供的具有ESD保护的RS-232收发器均在RS-232发送器输出和接收器输入引脚集成了±15kV人体模式的ESD保护。有些器件,比如MAX3238E,在RS-232总线和CMOS引脚提供±15kV的ESD保护。

  具有±15kV ESD保护的RS-232器件通常与标准的RS-232器件具有相同的引脚和功能,无需更改电路板布线即可替换器件。例如,MAX3232与MAX3232E具有相同引脚排列、封装类型和功能。

  低压工作

  从历史上看,RS-232兼容器件最少需要两路供电电压,一路大于+5V,一路小于(更负) -5V,这两路电源用于支持发送器提供至少±5V的输出摆幅。图4所示波形中,如果系统可以提供±12V电源,则可满足这一输出电平的需求。而目前绝大多数系统中都不具备±12V (或其它电压)电源,为了采用单电源提供两路供电电压,Maxim公司开发了众多内置电源转换器的收发器。

  

图4. RS-232输出电平摆幅

  图4. RS-232输出电平摆幅

  以下内容讨论了各种双电源供电的特殊需求。

  3.0V至5.5V单电源供电

  虽然大部分RS-232系统采用5V单电源供电,但越来越多的应用要求器件工作在3.3V电源。在3.3V单电源供电系统中,器件工作在3.3V非常重要,同时也要求RS-232器件能够兼容于3V逻辑接口。采用类似于5V单电源供电器件的技术,Maxim推出了能够工作在3.0V至5.5V单电源的收发器产品。

  与单5V供电的RS-232收发器相同,采用3.0V至5.5V单电源供电的器件同样集成了两路电荷泵电源。这类RS-232器件由于采用了低压差发送器,在采用低至±5.5V的电荷泵电源供电时能够满足±5V最小摆幅的要求。因此,这些器件工作在3V单电源时仍然兼容于RS-232规范。虽然这类产品可以工作在最低3.0V,但也可以工作在最高5.5V电压,即同一器件可以支持3.3V和5V设计。图5所示为MAX3232E工作在3.3V至5V的RS-232器件。

  

图5. MAX3232E RS-232收发器内置电荷泵,可以工作在3.3V至5V单电源。

  图5. MAX3232E RS-232收发器内置电荷泵,可以工作在3.3V至5V单电源。

  2.7V至3.6V单电源供电

  为了使器件在低于3.0V供电时仍然兼容于RS-232规范,电荷泵倍压和反相将无法实现这一目标。图6所示MAX3212采用基于电感的转换器产生±6.5V,以满足发送器的需求。利用buck转换器拓扑,器件可以工作在2.7V至3.6V单电源。

  

图6. MAX3212集成buck转换器,允许器件采用2.7V至3.6V单电源供电。

  图6. MAX3212集成buck转换器,允许器件采用2.7V至3.6V单电源供电。

  1.8V至4.25V单电源供电

  MAX3218 (图7所示)采用混合架构解决供电问题,通过基于电感的转换器产生+6.5V电压,然后利用电荷泵产生-6.5V电压。基于这种技术,器件可以工作在1.8V至4.25V单电源。如此宽的电源输入范围,使MAX3218能够理想用于电池供电系统。

  

图7. MAX3218采用基于电感的升压转换器,并利用电荷泵产生反相电压,器件可采用1.8V至4.25V单电源供电。

  图7. MAX3218采用基于电感的升压转换器,并利用电荷泵产生反相电压,器件可采用1.8V至4.25V单电源供电。

  自动关断(AutoShutdown)

  许多RS-232器件仅仅工作很短一段时间,例如:血糖仪,大部分时间不会使用RS-232端口。如果没有使用RS-232端口,最好将RS-232器件置于低功耗关断状态以节省电能。

  自动关断是系统的一个省电模式,如果监测到RS-232接口没有使用,则将RS-232器件置于低功耗关断状态。自动关断的重要意义在于它不需要处理器介入,无需软件处理即可达到省电的目的。

  自动关断监控器检测RS-232的接收器,如果连接到其它RS-232器件,接收器侧可以检测到低于-3V或高于+3V的有效RS-232信号。如果没有任何连接,接收器电压通常为地电位,如果自动关断功能检测到所有接收器电压处于-0.3V至+0.3V之间,持续时间达到30µs以上,则判断为没有连接有效的发送器,器件将自动进入低功耗状态,请参考图8和图10。如果任意一路接收器输入超过+2.7V或低于-2.7V,收发器将自动脱离低功耗状态,请参考图9和图10。

  

图8. 所有接收器输入介于±0.3V以内的时间超过30µs时,器件进入自动关断模式。

  图8. 所有接收器输入介于±0.3V以内的时间超过30µs时,器件进入自动关断模式。

  

图9. 任何一路接收器的输入超出±2.7V时,退出自动关断模式。

  图9. 任何一路接收器的输入超出±2.7V时,退出自动关断模式。

  

图10. 进入、退出自动关断的门限值

  图10. 进入、退出自动关断的门限值

  低功耗模式下,发送器和发送器使用的电荷泵也会关闭。由于接收器工作时消耗非常低的电流,接收器将始终保持有效工作状态。由此,MAX3221的典型静态电流可以从0.3mA降至1µA (最大值从1mA降至10µA)。需要注意的是,一旦在接收器上检测到有效的RS-232电平时,器件需要100µs才能使发送器进入有效工作状态。MAX3221和MAX3243是具有自动关断功能的RS-232器件。

  增强型自动关断(AutoShutdown Plus™)

  类似于自动关断功能,增强型自动关断设计用于只要没有使用RS-232器件即刻关断整个器件,以节省功耗。如果在30s内器件没有有效信号,增强型自动关断将关断器件。这种功能适用于发送器连接到RS-232端口,但没有发送数据的场合。

  增强型自动关断需要关注两种情况。

  器件同时监测接收器和发送器是否有效工作。

  将无效的引脚连接到ForceOn和ForceOff时,器件的工作状况类似于自动关断,如图11所示。

  

图11. 将ForceOn、ForceOff输入连接到无效输出,增强型自动关断器件的工作状况将类似于自动关断器件。

  图11. 将ForceOn、ForceOff输入连接到无效输出,增强型自动关断器件的工作状况将类似于自动关断器件。

  MAX3224E和MAX3245E是具有增强型自动关断功能的RS-232器件。

  MegaBaud™

  对于需要宽带、低辐射的应用,MegaBaud RS-232器件不失为理想的解决方案。MegaBaud是Maxim推出的1Mbps、甚至更高速率的RS-232逻辑电平兼容的器件名称。注意,这里采用了“兼容”,而非“满足”,因为MegaBaud功能实际上并不符合RS-232的限摆率要求。

在典型的RS-232应用中,限摆率有利于降低辐射和反射,但也限制了最高数据速率。限制发送器的摆率,使其低于30V/µs。这一限制是为了最终将RS-232定义为一个简单的物理接口。如果没有这个限制,则要注意辐射、传输线等

[1] [2]

关键字:收发器  发展  过程  回顾

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0608/article_9729.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
收发器
发展
过程
回顾

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved