用GreenPAK可配置混合信號IC設(shè)計非接觸式旋轉(zhuǎn)編碼器

引言

本文介紹了如何采用Dialog GreenPAK 設(shè)計高可靠性旋轉(zhuǎn)開關(guān)或編碼器。該開關(guān)設(shè)計是非接觸式的，因此忽略了接觸氧化和磨損。該設(shè)計非常適用于戶外長期潮濕、灰塵、極端溫度等場景。

Dialog GreenPAK SLG46537：GreenPAK CMIC為該設(shè)計提供所有電路功能。它會生成一個信號（EVAL）以改善信噪比，接收來自旋轉(zhuǎn)開關(guān)的每個碼盤的輸入，并使用異步狀態(tài)機（ASM）解讀每個碼盤，以確保僅一個開關(guān)選擇。

設(shè)計概念

該設(shè)計通過計時工作。它產(chǎn)生一個時鐘（EVAL）信號，通過外部100kΩ電阻緩慢上拉每個碼盤（圖1）。EVAL信號電容耦合到中央游標，它驅(qū)動所選碼盤的上升沿的速度，比所有其他碼盤的上升沿更快（圖1中 fast）。然后，GreenPAK異步狀態(tài)機（ASM）評估哪個上升沿最先到達，并鎖存結(jié)果。電容耦合設(shè)計的優(yōu)點是其可靠性。無論編碼器是設(shè)計成電容性的，然后磨損至直接連接，還是設(shè)計成直接連接，然后降級（氧化）至電容性，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的輸出，作為演示。

圖1. 頂層應(yīng)用原理圖

圖2是示波器捕獲圖，顯示了具有與其對應(yīng)的選擇器游標的碼盤的上升時間差異，對比其他未選擇的碼盤上升時間。Delta T為248nS，這超過GreenPAK異步狀態(tài)機（ASM）解析所需的余量。ASM可以在1納秒內(nèi)解析，其內(nèi)部仲裁電路保證只有一個級有效。因此，任何時候只能記錄一個輸出。

圖2. 示波器捕獲圖顯示上升時間的差異

GreenPAK設(shè)計實現(xiàn)

圖3顯示了在GreenPAK可配置混合信號IC（CMIC）中配置的電路原理圖。

圖3. GreenPAK設(shè)計電路原理圖

為了節(jié)省功耗，EVAL信號以適合應(yīng)用的響應(yīng)時間的速率生成。使用低頻振蕩器并進一步用CNT2分頻。在這個例子中，大約是16Hz。請參見圖4中的配置設(shè)置。

圖4. 振蕩器配置設(shè)置

圖5異步狀態(tài)機（ASM）的狀態(tài)電路圖顯示了可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

圖5. 異步狀態(tài)機的狀態(tài)電路圖顯示了可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

將EVAL短延遲的副本用作每個周期的ASM復(fù)位。這確保了我們始終從STATE0開始。在ASM復(fù)位狀態(tài)之后，每個碼盤處的ASM對EVAL信號進行監(jiān)測。只有最早的上升沿才會導(dǎo)致狀態(tài)轉(zhuǎn)換出STATE0。由于只允許一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換，因此來自其他碼盤的任何后續(xù)上升沿將被忽略。這也是取決于我們配置ASM的方式，如圖6所示，6個ASM輸出狀態(tài)中的每一個僅對應(yīng)于一個碼盤。

DFF鎖存器保持ASM結(jié)果穩(wěn)定，以便在ASM復(fù)位期間不會切換最終輸出。驅(qū)動開漏NMOS輸出引腳所需的極性，要求我們配置具有反相輸出的DFF。

圖6. 輸出鏈接矩陣

測試結(jié)果

下面的照片顯示了一個較粗糙的原型，功能完整且可正常運行。它也是低功耗的，GreenPAK測量僅5uA。

碼盤和游標的布局做到最大化，以獲得最強的信號。該原型經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)不受強射頻干擾影響，如大型熒光燈和5W 145MHz無線電。這可能是因為所有碼盤都在共模中接收干擾。

可以排列布置一下碼盤和游標尺寸，確保在任何位置都不會出現(xiàn)兩個碼盤同時與游標重疊。這可能不是必需的，因為ASM仲裁電路僅允許其中一個狀態(tài)有效，即使有2個同時上升沿時亦如此。這是該設(shè)計穩(wěn)健的另一個原因。電路板布局具有良好的靈敏度，與碼盤的互連跡線非常窄，并且長度相等，因此每個碼盤的總電容與其他碼盤一致。最終產(chǎn)品可能包括游標的機械制動器，因此當它們位于每個位置中心時會“咔噠”一聲，并且提供良好的觸感。

總結(jié)

Dialog公司的GreenPAK CMIC為這款高可靠性旋轉(zhuǎn)開關(guān)提供低功耗、強大而完整的解決方案。它非常適用于需要穩(wěn)定、長期運行的戶外定時器和控制器等應(yīng)用。

作者：Jozef Froniewski，Dialog半導(dǎo)體公司應(yīng)用工程師