Interligando diferentes padrões de interfaces (ART131)

Os interfaceamentos entre periféricos de um computador, principalmente os utilizados na indústria, possuem características elétricas bem diferentes. Os sinais têm tensões e freqüências máximas completamente diferentes o que, em princípio os torna incompatíveis. Além disso, pode ocorrer a necessidade de interfacearmos tais circuitos com lógica TTL ou CMOS. No entanto, com pequenos circuitos adaptadores é possível interligar sistemas de padrões de interfaceamento diferentes. Veja nesse artigo como fazer isso no caso dos padrões comuns RS-232, RS-422 e RS-485 com lógica TTL e CMOS (Artigo elaborado com base no Application Note AN-972 da National Semiconductor).

Ao pensarmos em interfacear sistemas que operam com padrões e sinais completamente diferente, precisamos levar em conta diversos fatores como:

a)Características de entrada e saída
Os circuitos de entrada e saída dos diversos padrões de interface possuem características elétricas bem definidas. Precisamos conhecer as amplitudes das tensões, as impedâncias de entrada e de saída. Lembramos que nessa interfaces, os sinais podem assumir faixas de valores relativamente amplas o que vai implicar num cuidadoso estudo da sensibilidade de entrada dos circuitos utilizados.

b)Modo de sinal
Os sinais podem ser de terminação simples (single-ended) ou diferenciais, conforme mostra a figura 1.

Figura 1

Quando sistemas diferentes são interfaceados é preciso tomar cuidado para que as amplitudes dos sinais não ultrapassem os valores máximos permitidos. Normalmente são utilizados divisores resistivos para fazer a limitação desses sinais. Em função disso podemos dar diversos exemplos de interfaceamento:

RS-232 para RS-422
Na figura 2 temos o modo de se fazer esse interfaceamento.
Figura 2

Para a saída RS-232 os sinais podem assumir um valor máximo de +/- 15 V enquanto que a entrada máxima admitida para as interfaces RS-422 é +/-10 V. Para limitar os sinais ao máximo permitido pelas interfaces RS-422 é utilizado um divisor resistivo.
A atenuação do sinal proporcionada por este circuito é 40%. Assim, o limiar de 5 V cai para 3 V que, no entanto, ainda é maior do que o limiar de 400 mV da entrada das interfaces RS-422. O importante nesse circuito é que a carga para a saída da RS-232 se mantém em 5 k ohms.

TTL para RS-422
Na figura 3 temos o modo de se fazer o interfaceamento de uma saída TTL com uma entrada RS-422.
Figura 3

Observe que a saída TTL é de terminação simples enquanto que a entrada RS-422 é diferencial. Isso exige uma tensão de referência no circuito.
Para TTL essa tensão é de 1,5 V levando o limiar do circuito a 1,7 V e 1,3 V. Para fornecer essa tensão de referência pode ser utilizado um regulador ou ainda um divisor resistivo, dependendo apenas da precisão desejada.

RS-432 para RS-232
Na figura 4 temos o modo de se fazer interfaceamento que envolve a passagem de sinais diferenciais para sinais de terminação simples.

Figura 4

Os drivers RS-422 são unipolares sendo alimentados com fontes simples de 5 V. Isso significa que ambos os estados da saída (nível alto e baixo) são tensões positivas em relação à referência.
No entanto, os receptores RS-232 trabalham com sinais que consistem tanto em tensões positivas como negativas. O transistor PNP utilizado como chave comutando quando o nível é alto levando o driver a uma inversão de estado. O resistor R1 limita a corrente de base do transistor evitando que ele seja sobrecarregado no processo de saturação.
Eventualmente pode ser necessário um resistor adicional (R2) de pull-up na entrada da interface.

RS-422 para RS-232
No caso mostrado na figura 5 temos a situação inversa do caso anterior.

Figura 5

São sinais diferenciais de saída excitando uma entrada de terminação simples. Esta configuração é relativamente simples já que os sinais de saída RS-422 são próximos dos sinais TTL e portanto compatíveis com a entrada RS-232.
A interligação é direta, sem a necessidade de componentes adicionais, apenas observando-se os pontos de conexão. Não se deve conectar a saída não usada à terra para se evitar curto-circuitos que poderiam causar problemas ao circuito.

RS-422 para RS-232 (II)
Outra forma de se fazer o interfaceamento entre esses dois padrões é mostrada na figura 6.

Figura 6

Nesse caso, dada também a compatibilidade de amplitudes dos sinais não é preciso utilizar componentes adicionais.


RS-422 para TTL
Na figura 7 mostramos o modo de se fazer o interfaceamento de uma saída RS-422 com a entrada de um circuito TTL.

Figura 7

Veja que nesse caso também, dadas as semelhanças entre as amplitude dos sinais utilizados pelos dois circuitos não precisamos de componentes adicionais. O principal cuidado que se deve ter nesse caso é a garantia de que os sinais RS-422 chegam até a entrada do circuito TTL com a intensidade que permita seu reconhecimento, ou seja, os níveis alto e baixo devem ser diferenciados.
Isso pode não ocorre no caso de uma linha com grande atenuação (muito longa) ou nos limites do alcance. Veja que a saída mantida aberta não deve, de modo algum, ser ligada à terra para não levar o circuito a uma condição de curto-circuito.

RS-485 para TTL
O interfaceamento de uma saída RS-485 com uma entrada TTL é um pouco mais complexo dada as diferenças entre as características dos sinais. Na figura 8 mostramos como esse interfaceamento pode ser feito.

Figura 8

Nesse tipo de interfaceamento é preciso estar atento aos limiares dos diversos níveis lógicos. Não ligue as entradas e saídas não utilizadas à terra para não causar curtos por conflitos de níveis lógicos.

TTL para RS-232
As saídas TTL podem interfacear diretamente com entradas RS-232 dadas as características dos sinais. Na figura 9 temos a maneira de fazer isso.

Figura 9

Isso ocorre porque muitos dispositivos RS-232 suportam sinais com valores até um pouco fora dos padrões. Como os limiares RS-232 estão entre +3 V e –3 V os limiares são centrados em +1,5 V.
Isso significa que os níveis altos TTL >2 V e baixos <0,9 V serão detectados corretamente. Deve-se apenar tomar cuidado para a porta TTL deve ser carregado com 5 k ohms em lugar da carga de entrada padrão TTL .

RS-232 para TTL
Os sinais de saída RS-232 são polarizados e com isso variam em torno do potencial de terra. Essa oscilação impede o interfaceamento direto com circuitos TTL. No entanto, conforme mostra a figura 10 podemos cortar as oscilações negativas com um diodo e trabalhar apenas com as oscilações positivas.

Figura 10

Essa solução é aceitável se o driver de saída fornecer uma corrente que não seja muito alta, com uma limitação em torno de 10 mA.

ECL para RS-422
Nesse caso temos o interfaceamento entre dois padrões que operam com sinais diferenciais. A interoperação tanto com o ECL como PECL é possível através do circuito mostrado na figura 11.

Figura 11

A especificação de limiar do RS-422 é de +/- 200 V com uma rejeição em modo comum de +/- 10 V. Para as saídas ECL os níveis estão normalmente entre +/- 500 mV e +/- 800 mV o que pode ser detectado pelo receptor.

RS-422 para RS-485
A conexão direta de sistemas que operam com esses sinais também é possível, conforme mostra a figura 12.

Figura 12

Temos ainda a vantagem de ser possível o suporte de diversos drivers, conforme mostra a mesma figura.
Os receptores RS-232 e RS-485 são virtualmente iguais, exceto pelo fato de que a impedância de entrada dos dispositivos RS-485 é tipicamente três vezes maior que a impedância de entrada dos dispositivos RS-232.
A tabela abaixo resume as características dos diversos padrões sde interfaceamento, o que pode facilitar a melhor compreensão dos circuitos apresentados.