在當(dāng)今電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)于實(shí)時(shí)性、低延遲和高速數(shù)據(jù)處理的需求日益增長(zhǎng)。MAX22190 和 MAX22199 這兩款工業(yè)級(jí)數(shù)字輸入芯片，默認(rèn)情況下提供串行化數(shù)據(jù)輸出。然而，在一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的系統(tǒng)中，為每個(gè)工業(yè)級(jí)數(shù)字輸入通道提供電平轉(zhuǎn)換的實(shí)時(shí)邏輯信號(hào)顯得尤為重要。這些芯片在基于 SPI 或引腳（LATCH）的時(shí)序控制下，能夠?qū)?8 個(gè) 24 V 灌電流輸入的狀態(tài)進(jìn)行采樣和串行化，用戶可以通過 SPI 讀出這 8 個(gè)狀態(tài)。采用串行接口的優(yōu)勢(shì)在于能夠盡量減少需要隔離的邏輯信號(hào)數(shù)量，這對(duì)于高通道數(shù)字輸入模塊的設(shè)計(jì)非常有幫助。

邏輯信號(hào)的串行化是通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行同步采樣，將其轉(zhuǎn)換為時(shí)間量化的形式。但這種方式會(huì)導(dǎo)致實(shí)時(shí)信息內(nèi)容的丟失，在某些特定系統(tǒng)中，這種信息丟失可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重問題。例如，在增量編碼器或計(jì)數(shù)器等應(yīng)用中，它們更關(guān)注開關(guān)信號(hào)之間的時(shí)序差異。對(duì)于這類應(yīng)用，要么需要采用高速采樣和高速串行讀出的方式，要么可以利用 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，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)診斷功能，還能提供配置的靈活性。接下來，我們將深入探討這種方法的特點(diǎn)、局限性以及設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素。

這項(xiàng)技術(shù)的在于將 8 個(gè) LED 輸出用作邏輯信號(hào)。LED 能夠直觀地指示數(shù)字輸入的狀態(tài)，這對(duì)于模塊的安裝、維護(hù)和使用都具有重要意義。IEC 61131 - 2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工業(yè)級(jí)輸入的特性和規(guī)格進(jìn)行了明確的定義，而輸出狀態(tài)本質(zhì)上是二元的，即要么為開，要么為關(guān)。

MAX22190/MAX22199 采用無能耗 LED 驅(qū)動(dòng)器，LED 由現(xiàn)場(chǎng)傳感器 / 開關(guān)供電，而非從數(shù)字輸入模塊中的電源獲取電流 / 功率。這些器件會(huì)將輸入電流限制在由 REFDI 電阻設(shè)置的某一水平，其目的是盡量降低模塊的功耗。對(duì)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），該值大于 IEC 標(biāo)準(zhǔn)要求的 2.0 mA 值。芯片會(huì)將約 2.3 mA 現(xiàn)場(chǎng)輸入（IN）電流的大部分傳輸至 LED 輸出引腳，自身僅消耗約 160 μA 電流。

由于 LED 驅(qū)動(dòng)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）進(jìn)行對(duì)接。電阻是實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)便的跨阻元件。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中并未介紹如何以這種方式使用 LED 輸出引腳，下面我們來探討其特性和可能存在的局限性。

在 LED 引腳上使用接地電阻來產(chǎn)生電壓輸出時(shí)，需要考慮多個(gè)方面的問題。例如，LED 引腳容許的電壓是多少？從 LED 引腳到 IN 引腳是否存在交互 / 反饋？具體而言，由于 IEC 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電流水平，LED 引腳上的電壓是否會(huì)導(dǎo)致 IN 輸入電流發(fā)生變化？LED 輸出電流是否會(huì)表現(xiàn)出不良的瞬態(tài)行為，如過沖或上升 / 下降緩慢？當(dāng)輸入以高速率切換時(shí)，LED 輸出是否適合用作高速邏輯信號(hào)？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(cè)所列的額定值，容許的 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，但必須注意，電壓不得高于 6 V。同時(shí)，還需要評(píng)估 LED 引腳電壓對(duì)其他關(guān)鍵特性的影響，特別是在高 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(duì) IN 輸入電流有明確的要求。對(duì)于 3 型數(shù)字輸入，需要關(guān)注的關(guān)鍵情況是現(xiàn)場(chǎng)電壓接近所定義的 11 V 導(dǎo)通狀態(tài)閾值電壓時(shí)。

對(duì)于接近 11 V 電平的三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)輸入電壓（9 V、10 V 和 11 V），圖 2 顯示了實(shí)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng) IN 電流與 LED 引腳電壓的依賴關(guān)系。選擇 10 V 和 9 V 電平是因?yàn)樗鼈兲幱?3 型輸入的過渡區(qū)間內(nèi)，并且它們的輸入電流沒有值要求，而 11 V 要求輸入電流的值為 2 mA。
當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)電壓為 11 V 閾值時(shí)，藍(lán)色曲線顯示：當(dāng) LED 電壓高于約 5.8 V 時(shí)，IN 電流開始下降。在 6 V 時(shí)，電流僅下降 0.6%。對(duì)于 9 V 和 10 V 的情況（它們處于對(duì)電流無明確要求的過渡區(qū)間），測(cè)量結(jié)果顯示：對(duì)于高達(dá) 5.5 V 的輸入，輸入電流仍然高于 2 mA。
綜上所述，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(shí)仍然兼容 3 型數(shù)字輸入。對(duì)于 1 型數(shù)字輸入，情況相對(duì)簡(jiǎn)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(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸入電流產(chǎn)生任何影響。

關(guān)于切換條件下 LED 輸出電流的瞬態(tài)行為，圖 3 展示了 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(huì)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(shí)間很快，不會(huì)造成信號(hào)失真。

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(gè)長(zhǎng) 20 ms 的濾波時(shí)間常數(shù)。針對(duì)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(hào)一致。同時(shí)，診斷功能也通過 SPI 提供，例如低電源電壓報(bào)警、過熱警告、REFDI 和 REFWB 引腳上的短路檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)輸入的斷線檢測(cè)。

寄存器位的上電默認(rèn)狀態(tài)為：所有 8 個(gè)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(cè)處于禁用狀態(tài)；REFDI 和 REFWB（僅限 MAX22199）引腳的短路檢測(cè)處于禁用狀態(tài)。因此，在不需要毛刺濾波（比如對(duì)于高速信號(hào)）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(cè)功能，則可以使用 SPI。

下面以濾波時(shí)間設(shè)置為 800 μs 的 200 Hz 開關(guān)信號(hào)為例，展示毛刺濾波器對(duì) LED 輸出的影響。指定的毛刺寬度通過改變占空比來模擬，對(duì)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，這說明正毛刺濾波對(duì) LED 輸出和 SPI 數(shù)據(jù)均有效。

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 6 顯示了使能 800 μs 毛刺濾波器且輸入以 50% 占空比切換時(shí)的 LED 輸出信號(hào)。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。

對(duì)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(huì)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(dòng)，上升沿抖動(dòng)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(dòng)的原因是約 1 MHz 的采樣，如數(shù)據(jù)手冊(cè)中所述。在下降沿不會(huì)發(fā)生采樣，因此響應(yīng)速度很快。

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

在將 LED 輸出引腳用作電壓輸出時(shí)，還需要考慮一些重要的設(shè)計(jì)事項(xiàng)。為確保安全，應(yīng)當(dāng)對(duì) MAX22190/MAX22199 電流驅(qū)動(dòng)型 LED 輸出的電壓進(jìn)行限制，使之不超過所驅(qū)動(dòng)的邏輯輸入的安全電平。雖然 REFDI 電阻將 IN 現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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)定的額定值，如 VL + 0.3 V，其中 VL 為邏輯電源電壓。當(dāng)連接兩個(gè)邏輯信號(hào)時(shí)，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，其輸出電壓由邏輯電源 VL 定義 / 限制。為了確保輸入不超過額定值，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(huì)對(duì)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），但這需要針對(duì)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(duì)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(dòng)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。