EIA-422

EIA-422, oder Ursprünglich RS-422, ist ein Schnittstellen-Standard für serielle Datenkommunikation ähnlich wie RS-232. Im Gegensatz zu RS-232 ist jedoch RS-422 differentiell ausgelegt. Das bedeutet das vom Sender zum Empfänger ein Leitungspaar erforderlich ist. Da beide Leitungen gleichwertig sein sollten, spricht man auch von "balanced transmission". Die Übertragung von einen Sender (Transmitter) zu u.U. mehreren Empfänger (Receiver) geschieht über das Leitungspaar nur in eine Richtung, unidirektional. Entsprechend benötigt man für beide Richtungen mind. 2 Leitungspaare und bei Hardwarehandshake ggf. 2 zusätzliche Leitungspaare. Da mehrere Empfänger angeschlossen sein können, ist RS-422 auch eingeschränkt als Bus verwendbar. Da kein Sender einen anderen stört ist ununterbrochener Datenfluß in beide Richtungen zur gleichen Zeit möglich. Man spricht daher auch von full-duplex-Betrieb. Ist die Leitung nicht abgeschlossen, also offen, dann liegt gewöhnlich ein Ruhespannungspegel nahe der Versorgungsspannung der Treiber (Transmitter) von 5V an. Sie sind als hochohmige Spannungsquellen oder niederohmige Stromquellen ausgelegt (vertragen durchaus Kurzschluß) um im Regelfall einen kleinen Abschlußwiderstand von typischerweise 110 Ohm treiben zu können. Entsprechend sind die Empfänger ausgelegt kleine Differenzspannungen (von +-200mV Threshold) sicher zu erkennen. Bei einer Punkt zu Punkt-Verbindung spielt ähnlich der Stromschnittstelle, der Spannungsabfall über der Leitung kaum eine Rolle, lediglich der Spannungsabfall am Abschlußwiderstand nahe des Empfängers.

Um eine möglichst gute Datenübertragung zu gewährleisten, sind gewisse Dinge empfohlen und ab bestimmten Datenraten zwingend notwendig.

Um möglichst wenig die Umgebung mit EMI (siehe Elektromagnetische Verträglichkeit) zu verschmutzen, sollten die jeweiligen Leitungspaare verdrillt (UTP: unshielded twisted pair) sein. Das entstehende Magnetfeld dreht sich so längst der Leitung und hebt sich als Fernfeld nahezu auf. Umgekehrt wird so das Kabel auch robuster gegen äußere EMI (engl. electro magnetic interference oder deutsch EMB wie Beinflussung).
Die mechanische Anordnung der Kabels führt zu einen charakteristischen Widerstands-, Kapazitäts- und Induktivitäts-belag. Diese Impedanz oder auch Wellenwiderstand genannt (z.B. 110 Ohm-Kabel) sollte dem Abschlußwiderstand entsprechen, der das letzte Empfängerseitige Ende darstellt. Der Abschlußwiderstand kann auch Terminator für die Terminierung genannt werden. Gibt es irgendwo auf der Leitung Impedanz-Sprünge, sei wegen geometrischer Änderung (falsche Stecker) oder falscher Terminierung (zu groß oder zu klein), so entstehen Leitungsreflexionen, die sich auf gleiche Art und Weise wie das Nutzsignal ausbreiten und dieses überlagern (im schlimmsten Fall zu bestimmten Zeitpunkten an best. Stellen auslöschen).
Werden noch höhere Ansprüche an die Übertragung gestellt (wegen höherer Übertragungsraten), wird noch eine weitere kapazitive Schirmung in Form eines Mantels benötigt (STP shielded twisted pair z.B. CAT3 bis CAT5 Kabel für Ethernet)
Da keine galvanische Trennung existiert, ist es möglich sowohl NRZ (gleichspannungsfrei) als auch RZ zu übertragen. Leider hat die nicht vorhandene Potentialtrennung auch einen Nachteil. Der Empfänger kann das Differenzsignal nur korrekt bestimmen, wenn es innerhalb des Versorgungsspannungsbereiches des Empfängers (von 5V; z.Zt. eher 3,3V) liegt. Um allzugroße Potentialverschiebungen zu vermeiden sollten geeignete Maßnahmen getroffen werden (über Schirm die Gnd miteinander zu verbinden ist eine Notlösung).
Bei einem in sich verdrillten 4-Drahtkabel (z.B. Telefonleitung) läßt sich relativ einfach und effektiv ein Entkopplung der Leitungspaare bewirken wenn das eine Paar die Kabel in Nord-Süd-Richtung verwendet und das andere Paar die Kabel in West-Ost-Richtung.

EIA-422 Sender

Der Sender oder auch Transmitter genannt, wandelt ein Signal kommend von DI Data Input in das Signal gleicher Polarität Y und umgekehrter Polarität Z um. Wobei umgekehrte Polarität hier nicht heist das eine negative Spannung erzeugt wird, sondern lediglich aus einen logischen H ein logisches L und umgekehrt. Um mehrere Transmitter parallel schalten zu können, wird noch ein Signal zum aktivieren der Ausgangstreiber DE Data Enable benötigt. Ein Punkt am Symbol stellt die Negation des Signals dar.

Wird nun an den Ausgängen Y und Z ein Abschlußwiderstand von 50 Ohm angeschlossen, passiert folgendes (reale Werte):

DI ist beispielsweise H und somit wird der Ausgang Y Richtung pos. Versorgungsspannung auf z.B. 3,5V gezogen, entsprechend der andere Ausgang Z runter nach GND auf z.B. 1,5V gezogen. Über den Widerstand ist dann ein Spannungsabfall von 2V entsprechend einem Strom von 40mA festzustellen. Dabei fungiert Y als Stromquelle und Z Stromsenke.
Ist DI logisch L, dann wird der Ausgang Y runter gezogen und entsprechend Z hoch gezogen. Über den Widerstand ist dann ebenfalls ein Spannungsabfall von 2V entsprechend einem Strom von 40mA festzustellen. Nur fungiert Z als Stromquelle und Y Stromsenke.

Zusammen gefasst:

Der aufgebrachte Versorgungsstrom für den externen Abschlußwiderstand ist bis auf die Umschaltmomente konstant 40mA und stört somit kaum die eigene Versorgung.
Da der Hinstrom auf der einen Leitung dem Rückstrom auf der anderen Leitung entspricht, wird eine Gnd-Leitung durch die Übertragung nicht belastet (im Gegensatz zu RS-232).
Durch den Abschlußwiderstand kann man eine Kombination aus Datenübertragungsrate und Leitungslänge wählen, welche bei RS-232 unweigerlich zu Störungen führt.

EIA-422 Empfänger

Die Ausgänge Y und Z entsprechen analog den Eingängen A und B des Empfängers. Die Differenz aus A - B kommt am Ausgang RO Receiver out heraus. Genau genommen sind im Receiver noch künstliche Schwellen eingebaut, um die Signalerkennung zu verbessern. Zum einen ist ein Threshold von +-200mV definiert und zum Anderen eine Hysterese von 70mV. Der Threshold (Schwellwert) des Differenzsignals sollte idealerweise 0 mV sein, ist aber im Bereich von -200mV bis +200mV definiert. Das hat zur Konsequenz +235mV sind mind. erforderlich um sicher ein H zu übertragen. Danach bleibt es bis +165mV sicher (+200 - 1/2*70) und danach bis -235mV unsicher wann ein logisch L kommt. Unterhalb -235mV habe ich dann sicher ein L und das bleibt auch bis -165mV so.

Der große Threshold hat Fertigungsgründe .Schnelle Verstärker sind als CFA (current feed back amplifier) aufgebaut und haben im Gegensatz zu VFA (voltage feed back amplifier) aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften von NPN und PNP Transistoren einen größeren Offset. VFA haben eine symmetrische Eingangsstufe bestehend aus der gleichen Technologie z.B. NPN siehe Differenzverstärker und haben daher einen kleineren Offset oder hier Threshold genannt.

Siehe auch: serielle Datenübertragung, EIA-232, EIA-485

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