本方案是基于 GreenPAK 的非接觸式旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)計(jì)。

該項(xiàng)目描述了如何使用 GreenPAK IC 設(shè)計(jì)高可靠性旋轉(zhuǎn)開關(guān)或編碼器。這種開關(guān)設(shè)計(jì)是非接觸式的，因此忽略了觸點(diǎn)氧化和磨損。它非常適合在存在長期潮濕、灰塵、極端溫度等的室外使用。

該GreenPAK SLG46537 ：該IC提供了所有為這個(gè)設(shè)計(jì)的電路功能。它生成一個(gè)信號(hào) (EVAL) 以改善信噪比，從旋轉(zhuǎn)開關(guān)的每個(gè)扇區(qū)焊盤接收輸入，并使用異步狀態(tài)機(jī) (ASM) 解釋每個(gè)扇區(qū)焊盤以保證只有一個(gè)開關(guān)選擇。

下面我們描述了了解如何對(duì)解決方案進(jìn)行編程以設(shè)計(jì)非接觸式旋轉(zhuǎn)編碼器所需的步驟。

設(shè)計(jì)理念
此設(shè)計(jì)按時(shí)序工作。它生成時(shí)鐘 (EVAL) 信號(hào)，通過外部 100 kohm 電阻器緩慢上拉每個(gè)扇區(qū)焊盤（圖 1）。EVAL 信號(hào)與中央“抽頭”電容耦合，該抽頭驅(qū)動(dòng)所選扇區(qū)焊盤的上升沿比所有其他信號(hào)都快（圖 1 中的快）。GreenPAK 異步狀態(tài)機(jī) (ASM) 然后評(píng)估哪個(gè)上升沿首先到達(dá)并鎖存結(jié)果。電容耦合設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可靠性。無論編碼器是內(nèi)置電容然后磨損到直接連接，還是內(nèi)置直接連接然后退化（氧化）為電容，它仍然可以工作。

圖 1 中的頂層原理圖顯示了連接到外部 LED 以進(jìn)行演示的輸出。

圖 2 是示波器捕獲，顯示了選擇器滑動(dòng)器與其對(duì)齊的扇區(qū)焊盤的上升時(shí)間與其他未選擇焊盤的上升時(shí)間的差異。delta T 為 248 nS，對(duì)于 GreenPAK 異步狀態(tài)機(jī) (ASM) 解決來說，這綽綽有余。ASM 可以在一納秒內(nèi)解決，其內(nèi)部仲裁電路保證只有一種狀態(tài)有效。因此，任何時(shí)候只有一個(gè)輸出會(huì)注冊。

GreenPAK 設(shè)計(jì)實(shí)施
編程到 GreenPAK IC 中的原理圖如圖 3 所示。

為了節(jié)省功耗，EVAL 信號(hào)以適合應(yīng)用響應(yīng)時(shí)間的速率生成。使用低頻振蕩器并與 CNT2 進(jìn)一步分頻。在這個(gè)例子中，它大約是 16 Hz。請(qǐng)參見圖 4 中的配置設(shè)置。

ASM 狀態(tài)圖（圖 5）中顯示了可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換的圖示。

一個(gè)稍微延遲的 EVAL 副本用作每個(gè)周期的 ASM 復(fù)位。這確保我們總是從 STATE0 開始。在 ASM 復(fù)位條件之后，每個(gè)焊盤上的 ASM 都會(huì)監(jiān)控 EVAL 信號(hào)。只有最早的上升沿才會(huì)導(dǎo)致狀態(tài)從 STATE0 跳出。來自其他焊盤的任何后續(xù)上升沿都將被忽略，因?yàn)橹挥幸环N狀態(tài)轉(zhuǎn)換是可能的。這也是因?yàn)槲覀兣渲?ASM 的方式如圖 6 所示。 6 個(gè) ASM 輸出狀態(tài)中的每一個(gè)都只對(duì)應(yīng)一個(gè)扇區(qū)焊盤。

DFF 鎖存器保持 ASM 結(jié)果穩(wěn)定，因此在 ASM 復(fù)位期間沒有最終輸出的切換。驅(qū)動(dòng)開漏 NMOS 輸出引腳所需的極性要求我們將 DFF 配置為反相輸出。

檢測結(jié)果
下面的照片顯示了一個(gè)粗略的原型，完全可操作。它也是低功耗的，GreenPAK 的測量電流僅為 5 uA。

焊盤和擦拭器的布局最大化以獲得最強(qiáng)信號(hào)。發(fā)現(xiàn)該原型不受強(qiáng)射頻干擾的影響，例如大型熒光燈泡和 5 W 145 MHz 無線電。這可能是因?yàn)樗泻副P都受到共模干擾。

可以布置墊片和擦拭器尺寸，因此在任何位置都不會(huì)同時(shí)有 2 個(gè)墊片與擦拭器重疊。這可能不是真的，因?yàn)?ASM 仲裁電路將只允許其中一種狀態(tài)有效，即使在 2 個(gè)同時(shí)上升沿的情況下也是如此。這是該設(shè)計(jì)穩(wěn)健的另一個(gè)原因。具有到焊盤的互連跡線非常窄且彼此等長的電路板布局實(shí)現(xiàn)了良好的靈敏度，因此每個(gè)扇區(qū)焊盤的總電容與其他焊盤相匹配。最終產(chǎn)品可能包括用于雨刷器的機(jī)械棘爪，因此當(dāng)它在每個(gè)位置居中時(shí)“咔噠”一聲，并提供良好的觸感。

結(jié)論
GreenPAK IC 為這種高可靠性旋轉(zhuǎn)開關(guān)提供了低功耗、穩(wěn)健且完整的解決方案。它非常適合需要穩(wěn)定、長期運(yùn)行的戶外定時(shí)器和控制等應(yīng)用。