用GreenPAK可配置混合信號(hào)IC設(shè)計(jì)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(jì)高可靠性旋轉(zhuǎn)開關(guān)或編碼器。該開關(guān)設(shè)計(jì)是非接觸式的，因此忽略了接觸氧化和磨損。該設(shè)計(jì)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(jì)提供所有電路功能。它會(huì)生成一個(gè)信號(hào)（EVAL）以改善信噪比，接收來自旋轉(zhuǎn)開關(guān)的每個(gè)碼盤的輸入，并使用異步狀態(tài)機(jī)（ASM）解讀每個(gè)碼盤，以確保僅一個(gè)開關(guān)選擇。

設(shè)計(jì)概念

該設(shè)計(jì)通過計(jì)時(shí)工作。它產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘（EVAL）信號(hào)，通過外部100kΩ電阻緩慢上拉每個(gè)碼盤（圖1）。EVAL信號(hào)電容耦合到中央游標(biāo)，它驅(qū)動(dòng)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(jī)（ASM）評估哪個(gè)上升沿最先到達(dá)，并鎖存結(jié)果。電容耦合設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是其可靠性。無論編碼器是設(shè)計(jì)成電容性的，然后磨損至直接連接，還是設(shè)計(jì)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(biāo)的碼盤的上升時(shí)間差異，對比其他未選擇的碼盤上升時(shí)間。Delta T為248nS，這超過GreenPAK異步狀態(tài)機(jī)（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(gè)級有效。因此，任何時(shí)候只能記錄一個(gè)輸出。

圖2. 示波器捕獲圖顯示上升時(shí)間的差異

GreenPAK設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

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

圖3. GreenPAK設(shè)計(jì)電路原理圖

為了節(jié)省功耗，EVAL信號(hào)以適合應(yīng)用的響應(yīng)時(shí)間的速率生成。使用低頻振蕩器并進(jìn)一步用CNT2分頻。在這個(gè)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(jī)（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(jī)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(gè)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(gè)碼盤處的ASM對EVAL信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測。只有最早的上升沿才會(huì)導(dǎo)致狀態(tài)轉(zhuǎn)換出STATE0。由于只允許一個(gè)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(gè)ASM輸出狀態(tài)中的每一個(gè)僅對應(yīng)于一個(gè)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(huì)切換最終輸出。驅(qū)動(dòng)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(gè)較粗糙的原型，功能完整且可正常運(yùn)行。它也是低功耗的，GreenPAK測量僅5uA。

碼盤和游標(biāo)的布局做到最大化，以獲得最強(qiáng)的信號(hào)。該原型經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)不受強(qiáng)射頻干擾影響，如大型熒光燈和5W 145MHz無線電。這可能是因?yàn)樗写a盤都在共模中接收干擾。

可以排列布置一下碼盤和游標(biāo)尺寸，確保在任何位置都不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)碼盤同時(shí)與游標(biāo)重疊。這可能不是必需的，因?yàn)锳SM仲裁電路僅允許其中一個(gè)狀態(tài)有效，即使有2個(gè)同時(shí)上升沿時(shí)亦如此。這是該設(shè)計(jì)穩(wěn)健的另一個(gè)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(gè)碼盤的總電容與其他碼盤一致。最終產(chǎn)品可能包括游標(biāo)的機(jī)械制動(dòng)器，因此當(dāng)它們位于每個(gè)位置中心時(shí)會(huì)“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(qiáng)大而完整的解決方案。它非常適用于需要穩(wěn)定、長期運(yùn)行的戶外定時(shí)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