MAX22190 和 MAX22199 默認(rèn)提供串行化數(shù)據(jù)，但在需要實(shí)時、低延遲或更高速度的系統(tǒng)中，最好為每個工業(yè)級數(shù)字輸入通道提供電平轉(zhuǎn)換的實(shí)時邏輯信號。這些工業(yè)級數(shù)字輸入在基于SPI或引腳(LATCH)的時序控制下，對8個24 V灌電流輸入的狀態(tài)進(jìn)行采樣和串行化，以便用戶可以通過SPI讀出8個狀態(tài)。使用串行接口可以盡量減少需要隔離的邏輯信號數(shù)量，對于高通道數(shù)字輸入模塊很有幫助。

邏輯信號的串行化是指通過對信號進(jìn)行同步采樣，將信號變成時間量化的形式。但這意味著實(shí)時信息內(nèi)容會丟失。在某些系統(tǒng)中，這種信息丟失可能會引發(fā)問題。例如，增量編碼器或計(jì)數(shù)器等應(yīng)用關(guān)注開關(guān)信號之間的時序差異。這些應(yīng)用要么需要采用高速采樣和高速串行讀出，要么需要利用 MAX22195所提供的非串行化并行數(shù)據(jù)。通過并行操作方式使用MAX22190/MAX22199，能夠?qū)崿F(xiàn)診斷功能和配置靈活性。本文深入探討了這種方法的特點(diǎn)、局限性和設(shè)計(jì)考量。

詳情

這項(xiàng)技術(shù)的核心在于將8個LED輸出用作邏輯信號。LED可以直觀地指示數(shù)字輸入的狀態(tài)，這對于安裝、維護(hù)和使用都很有用。IEC 61131-2標(biāo)準(zhǔn)明確定義了工業(yè)級輸入的特性和規(guī)格，而輸出狀態(tài)本質(zhì)上是二元的：要么為開，要么為關(guān)。

MAX22190/MAX22199采用無能耗LED驅(qū)動器，LED由現(xiàn)場傳感器/開關(guān)供電，而不是從數(shù)字輸入模塊中的電源獲得電流/功率。這些器件將輸入電流限制在由REFDI電阻設(shè)置的某一水平。這樣做是為了盡量降低模塊的功耗。對于常見的1型/3型數(shù)字輸入，輸入電流通常設(shè)置為約2.3 mA（典型值），大于IEC標(biāo)準(zhǔn)要求的2.0 mA最小值。IC將約2.3 mA現(xiàn)場輸入(IN)電流的大部分傳輸至LED輸出引腳，芯片僅消耗約160 μA電流。

LED驅(qū)動器輸出的是電流而非電壓，因此需要將電流轉(zhuǎn)換為電壓，才能與其他邏輯器件（如數(shù)字隔離器、微控制器等）對接。為了實(shí)現(xiàn)此目的，電阻是最簡便的跨阻元件，如圖1所示。

圖1. LED引腳用作基于電壓的邏輯輸出。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中沒有介紹如何以這種方式使用LED輸出引腳。本文探討了其特性和可能的局限性。

LED引腳特性

在LED引腳上使用接地電阻來產(chǎn)生電壓輸出時，需要考慮以下事項(xiàng)：

LED引腳容許的最大電壓是多少？

從LED引腳到IN引腳是否存在交互/反饋？

具體來說：由于IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最小電流水平，LED引腳上的電壓是否會導(dǎo)致IN輸入電流發(fā)生變化？

LED輸出電流是否表現(xiàn)出不良的瞬態(tài)行為，例如過沖或上升/下降緩慢？

當(dāng)輸入以高速率切換時，LED輸出是否適合用作高速邏輯信號？

LED輸出是否需要濾波？（可通過SPI編程）

根據(jù)MAX22190/MAX22199數(shù)據(jù)手冊所列的絕對最大額定值，容許的最大LED引腳電壓為+6 V。因此，LED引腳適合用作5 V（和3.3 V）邏輯輸出，但須注意，電壓不得高于6 V。

需要評估LED引腳電壓對其他關(guān)鍵特性的影響。特別值得關(guān)注的是在高LED引腳電壓下IN輸入電流的變化，因?yàn)橄嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)對IN輸入電流有明確要求。對于3型數(shù)字輸入，要注意的關(guān)鍵情況是現(xiàn)場電壓接近所定義的11 V導(dǎo)通狀態(tài)閾值電壓時。

對于接近11 V電平的三個現(xiàn)場輸入電壓（9 V、10 V和11 V），圖2顯 示了實(shí)測的現(xiàn)場IN電流與LED引腳電壓的依賴關(guān)系。之所以選擇 10 V和9 V電平，是因?yàn)樗鼈兲幱?型輸入的過渡區(qū)間內(nèi)，并且它 們的輸入電流沒有最小值要求，而11 V要求輸入電流的最小值為 2 mA。

當(dāng)現(xiàn)場電壓為11 V閾值時，藍(lán)色曲線顯示：當(dāng)LED電壓高于約5.8 V時，IN電流開始下降。在6 V時，電流僅下降0.6%。對于9 V和10 V的情況（它們處于對電流無明確要求的過渡區(qū)間），測量結(jié)果顯示：對于高達(dá)5.5 V的輸入，輸入電流仍然高于2 mA。

總之，以上結(jié)果表明MAX22190/MAX22199能夠產(chǎn)生5 V LED邏輯輸出（及3.3 V等較低電壓邏輯輸出），同時仍然兼容3型數(shù)字輸入。對于1型數(shù)字輸入，情況非常簡單，因?yàn)閷?dǎo)通閾值為15 V，要高得多，因而LED引腳也能提供5 V邏輯電平，而不會對現(xiàn)場輸入電流產(chǎn)生任何影響。

圖2. 現(xiàn)場輸入電流與LED引腳電壓的依賴關(guān)系。

關(guān)于切換條件下LED輸出電流的瞬態(tài)行為，圖3顯示了10 kHz切換的情況。使用1.5 kΩ電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓。示波器截圖顯示，LED輸出不會產(chǎn)生可能損壞邏輯輸入器件的瞬態(tài)過沖或下沖。上升和下降時間很快，不會造成信號失真。

使用SPI接口

MAX22190/MAX22199具有SPI可編程濾波器，支持每通道毛刺/噪聲濾波。這些器件提供8個最長20 ms的濾波時間常數(shù)。針對高速應(yīng)用，可以旁路濾波器。選定的噪聲濾波也適用于LED輸出，以使視覺表現(xiàn)與電信號一致。

診斷通過SPI提供，例如低電源電壓報警、過熱警告、REFDI和REFWB引腳上的短路檢測及現(xiàn)場輸入的斷線檢測。

寄存器位的上電默認(rèn)狀態(tài)為：

所有8個輸入都處于使能狀態(tài)

所有輸入濾波器都處于旁路狀態(tài)

斷線檢測處于禁用狀態(tài)

REFDI和REFWB（僅限MAX22199）引腳的短路檢測處于禁用狀態(tài)

因此，在不需要毛刺濾波（比如對于高速信號）和診斷的應(yīng)用中，無需使用SPI接口。如果需要每通道可選的毛刺/噪聲濾波，或者需要診斷檢測功能，則可以使用SPI。

并行操作示例

圖3顯示了一個10 kHz現(xiàn)場輸入（黃色曲線）及所產(chǎn)生的LED輸出電壓（藍(lán)色曲線）。LED輸出上使用了一個1.5 kΩ電阻，以提供3.3 V邏輯信號。毛刺濾波已禁用（默認(rèn)旁路模式）。

圖3. 10 kHz切換；通道1：現(xiàn)場輸入；通道2：LED輸出。

LED輸出波形沒有顯示出過沖或其他不良的異?，F(xiàn)象，例如導(dǎo)通狀態(tài)下電壓變化不定。這說明LED輸出可以用作電壓輸出。我們對其特點(diǎn)和局限性進(jìn)行了研究。

毛刺濾波

MAX22190和MAX22199提供每通道可選的毛刺濾波。下面以濾波時間設(shè)置為800 μs的200 Hz開關(guān)信號為例，展示毛刺濾波器對LED輸出的影響。指定的毛刺寬度通過改變占空比來模擬。對正毛刺和負(fù)毛刺均進(jìn)行了研究。

圖4顯示了750 μs正脈沖被800 μs毛刺濾波器濾除的示例。因此，正毛刺濾波對LED輸出和SPI數(shù)據(jù)均有效。

圖4. 正毛刺濾波。

然而，負(fù)毛刺并未在LED輸出端被濾除，如圖5所示，750 μs下降脈沖傳播到LED輸出端。這與使用SPI讀出數(shù)據(jù)的情況不同，后者的正毛刺和負(fù)毛刺均被成功濾除。

圖5. 負(fù)毛刺濾波。

圖6顯示了使能800 μs毛刺濾波器且輸入以50%占空比切換時的LED輸出信號。上升沿延遲約770 μs，而下降沿沒有延遲。這說明濾波器未能妥善處理LED輸出。

圖6. 對LED輸出的濾波效應(yīng)。

高頻切換

對于要求高開關(guān)頻率、低傳輸延遲或低偏斜的應(yīng)用，毛刺濾波會被禁用。在旁路模式（毛刺濾波器）和100 kHz輸入下，LED輸出產(chǎn)生圖7所示的波形。下降沿顯示出約60 ns的低傳輸延遲，但上升沿具有顯著的傳輸延遲和抖動。上升沿抖動在±0.5 μs范圍內(nèi)，平均傳輸延遲為約1 μs。上升延遲和抖動的原因是約1 MHz的采樣，如數(shù)據(jù)手冊中所述。在下降沿不會發(fā)生采樣，因此響應(yīng)速度很快。

圖7. 100 kHz輸入切換，濾波器旁路。

這表明，LED輸出具有最大約1.5 μs的上升時間/下降時間偏斜，并 伴有抖動。通道間偏斜在下降沿較低，但在上升沿要高得多。 這可能會限制LED輸出在某些應(yīng)用中的使用。

設(shè)計(jì)考量

本部分討論LED輸出引腳用作電壓輸出時需要考慮的一些事項(xiàng)。

為確保安全，應(yīng)當(dāng)對MAX22190/MAX22199電流驅(qū)動型LED輸出的電壓進(jìn)行限制，使之不超過所驅(qū)動的邏輯輸入的安全電平。雖然REFDI電阻將IN現(xiàn)場輸入電流設(shè)置為典型電流水平，但實(shí)際IN電流存在±10.6%的容差，如數(shù)據(jù)手冊中所述。因此，電阻兩端的電壓將在±10.6%范圍內(nèi)。邏輯輸入通常存在嚴(yán)格規(guī)定的絕對最大額定值，如VL + 0.3 V，其中VL為邏輯電源電壓。當(dāng)連接兩個邏輯信號時，通常使用公共VL電源來確保匹配，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)邏輯輸出采用推挽或開漏輸出，其最大輸出電壓由邏輯電源VL定義/限制。為了確保輸入不超過絕對最大額定值，可以降低典型LED引腳的輸出電壓?；蛘撸梢哉J(rèn)為LED引腳的約2.3 mA輸出電流不會對邏輯輸入造成損害，因?yàn)檫壿嬢斎胪ǔＴO(shè)計(jì)成能夠承受遠(yuǎn)高于此的閂鎖電流（一般在50 mA至100 mA范圍）。這需要針對所考慮的器件進(jìn)行驗(yàn)證。第三種方案是通過箝位來限制電壓，此方案相對而言不理想。

標(biāo)準(zhǔn)邏輯輸出為推挽式，阻抗較低，為驅(qū)動邏輯輸入提供了很好的靈活性。相比之下，LED輸出是開漏輸出，開關(guān)速度由下拉電阻和寄生電容決定。

在無額外電容的情況下，可以實(shí)現(xiàn)100 kHz及以上的開關(guān)頻率。

結(jié)論

雖然根據(jù)文檔的說明，MAX22190/MAX22199工業(yè)級數(shù)字輸入用于串行數(shù)據(jù)操作，但它們也可用作提供8個并行輸出的8通道輸入模塊。為實(shí)現(xiàn)此目的，原本用于視覺狀態(tài)指示的LED驅(qū)動器被轉(zhuǎn)用作基于電壓或基于電流的邏輯輸出。以這種方式使用并行操作時，是否使用SPI接口并非強(qiáng)制要求，用戶可以獲得所有診斷和器件配置功能，但也存在一些限制。