【導讀】MAX22190和MAX22199默認提供串行化數據，但在需要實時、低延遲或更高速度的系統中，最好為每個工業級數字輸入通道提供電平轉換的實時邏輯信號。這些工業級數字輸入在基于SPI或引腳(LATCH)的時序控制下，對8個24 V灌電流輸入的狀態進行采樣和串行化，以便用戶可以通過SPI讀出8個狀態。使用串行接口可以盡量減少需要隔離的邏輯信號數量，對于高通道數數字輸入模塊很有幫助。
背景知識
邏輯信號的串行化是指通過對信號進行同步采樣，將信號變成時間量化的形式。但這意味著實時信息內容會丟失。在某些系統中，這種信息丟失可能會引發問題。例如，增量編碼器或計數器等應用關注開關信號之間的時序差異。這些應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據。通過并行操作方式使用MAX22190/MAX22199，能夠實現診斷功能和配置靈活性。本文深入探討了這種方法的特點、局限性和設計考量。
詳情
這項技術的核心在于將8個LED輸出用作邏輯信號。LED可以直觀地指示數字輸入的狀態，這對于安裝、維護和使用都很有用。IEC 61131-2標準明確定義了工業級輸入的特性和規格，而輸出狀態本質上是二元的：要么為開，要么為關。
MAX22190/MAX22199采用無能耗LED驅動器，LED由現場傳感器/開關供電，而不是從數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型數字輸入，輸入電流通常設置為約2.3 mA（典型值），大于IEC標準要求的2.0 mA最小值。IC將約2.3 mA現場輸入(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驅動器輸出的是電流而非電壓，因此需要將電流轉換為電壓，才能與其他邏輯器件（如數字隔離器、微控制器等）對接。為了實現此目的，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
產品數據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生電壓輸出時，需要考慮以下事項：
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標準規定了最小電流水平，LED引腳上的電壓是否會導致IN輸入電流發生變化？
LED輸出電流是否表現出不良的瞬態行為，例如過沖或上升/下降緩慢？
當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MAX22190/MAX22199數據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引腳電壓對其他關鍵特性的影響。特別值得關注的是在高LED引腳電壓下IN輸入電流的變化，因為相關標準對IN輸入電流有明確要求。對于3型數字輸入，要注意的關鍵情況是現場電壓接近所定義的11 V導通狀態閾值電壓時。
對于接近11 V電平的三個現場輸入電壓（9 V、10 V和11 V），圖2顯示了實測的現場IN電流與LED引腳電壓的依賴關系。之所以選擇10 V和9 V電平，是因為它們處于3型輸入的過渡區間內，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。
當現場電壓為11 V閾值時，藍色曲線顯示：當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間），測量結果顯示：對于高達5.5 V的輸入，輸入電流仍然高于2 mA。
總之，以上結果表明MAX22190/MAX22199能夠產生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型數字輸入。對于1型數字輸入，情況非常簡單，因為導通閾值為15 V，要高得多，因而LED引腳也能提供5 V邏輯電平，而不會對現場輸入電流產生任何影響。
并行操作示例
圖3顯示了一個10 kHz現場輸入（黃色曲線）及所產生的LED輸出電壓（藍色曲線）。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（默認旁路模式）。
圖2.現場輸入電流與LED引腳電壓的依賴關系
關于切換條件下LED輸出電流的瞬態行為，圖3顯示了10 kHz切換的情況。使用1.5 kΩ電阻將電流轉換為電壓。示波器截圖顯示，LED輸出不會產生可能損壞邏輯輸入器件的瞬態過沖或下沖。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。針對高速應用，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場輸入的斷線檢測。
寄存器位的上電默認狀態為：
所有8個輸入都處于使能狀態
所有輸入濾波器都處于旁路狀態
斷線檢測處于禁用狀態
REFDI和REFWB（僅限MAX22199）引腳的短路檢測處于禁用狀態
因此，在不需要毛刺濾波（比如對于高速信號）和診斷的應用中，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。
圖3.10 kHz切換；通道1：現場輸入；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常現象，例如導通狀態下電壓變化不定。這說明LED輸出可以用作電壓輸出。我們對其特點和局限性進行了研究。
毛刺濾波
MAX22190和MAX22199提供每通道可選的毛刺濾波。下面以濾波時間設置為800 μs的200 Hz開關信號為例，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。對正毛刺和負毛刺均進行了研究。
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數據均有效。
圖4.正毛刺濾波
然而，負毛刺并未在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讀出數據的情況不同，后者的正毛刺和負毛刺均被成功濾除。
圖5.負毛刺濾波
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
高頻切換
對于要求高開關頻率、低傳輸延遲或低偏斜的應用，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，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，如數據手冊中所述。在下降沿不會發生采樣，因此響應速度很快。
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輸出在某些應用中的使用。
設計考量
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。
為確保安全，應當對MAX22190/MAX22199電流驅動型LED輸出的電壓進行限制，使之不超過所驅動的邏輯輸入的安全電平。雖然REFDI電阻將IN現場輸入電流設置為典型電流水平，但實際IN電流存在±10.6%的容差，如數據手冊中所述。
因此，電阻兩端的電壓將在±10.6%范圍內。邏輯輸入通常存在嚴格規定的絕對最大額定值，如VL + 0.3 V，其中VL為邏輯電源電壓。當連接兩個邏輯信號時，通常使用公共VL電源來確保匹配，因為標準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。或者，可以認為LED引腳的約2.3 mA輸出電流不會對邏輯輸入造成損害，因為邏輯輸入通常設計成能夠承受遠高于此的閂鎖電流（一般在50 mA至100 mA范圍）。這需要針對所考慮的器件進行驗證。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。
標準邏輯輸出為推挽式，阻抗較低，為驅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，可以實現100 kHz及以上的開關頻率。
結論
雖然根據文檔的說明，MAX22190/MAX22199工業級數字輸入用于串行數據操作，但它們也可用作提供8個并行輸出的8通道輸入模塊。為實現此目的，原本用于視覺狀態指示的LED驅動器被轉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。
致謝
本文系與Rockwell Automation資深硬件工程師Chin Chia Leong合作撰寫。
作者簡介
Wei Shi是ADI公司工業級自動化事業部的應用工程經理，工作地點在美國加利福尼亞州圣何塞。她于2012年加入Maxim Integrated（現為ADI公司的一部分），擔任應用工程師。她2012年畢業于紐約大學，獲電氣工程碩士學位。
Reinhardt Wagner是ADI公司的前杰出工程師，工作地點在德國慕尼黑。在21年的任職期間里，他主要負責通信和輸入/輸出器件領域的新型工業級芯片產品定義工作，涉及IO-Link、快速數字I/O、Beyond-the Rails?模擬開關和數字隔離等產品。
