Промышленные цифровые входы и выходы. Часть 3. Программируемые цифровые выходы

16 августа 2019

В цикле статей Maxim Integrated о проектировании цифровых промышленных входов и выходов для приема сигналов дискретных датчиков/переключателей рассматривается возможность применения в этих разработках специализированных ИС Maxim.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых статей на тему ПЛК

В данной части руководства от компании Maxim Integrated рассказывается о построении цифровых входов-выходов с помощью специализированных интегральных микросхем Maxim и о гальванических изоляторах.

Ключ верхнего плеча с опцией комплементарного выхода и возможностью работы в режиме цифрового входа 

MAX14914 – это одноканальная микросхема, которая может использоваться как промышленный цифровой вход или как промышленный цифровой выход, работающий в режиме ключа верхнего плеча либо в режиме комплементарного выхода (рисунок 24). MAX14914 имеет напряжение питания до 40 В. Минимальный ток в режиме верхнего ключа настраивается с помощью внешнего резистора в диапазоне 135 мА…1,3 А. Типовое сопротивление верхнего ключа составляет 120 мОм при T_A =125°C. Дополнительный режим комплементарного выхода позволяет работать с длинными кабелями и быстро разряжать нагрузочную емкость. Для обеспечения повышенной безопасности микросхема контролирует выходное напряжение. При работе в режиме входа MAX14914 обеспечивает выполнение требований стандарта IEC61131-2 для входов типа 1, 2 или 3.

Рис. 24. Функциональная схема MAX14914

Микросхемы для гальванической развязки

Для гальванической развязки микросхем, рассмотренных в частях 1 и 2 используются дополнительные изоляторы, подробный обзор которых приводится ниже.

Шестиканальный цифровой SPI-изолятор

MAX14483 – SPI-изолятор общего назначения с дополнительными каналами для развязки сигналов управления. MAX14483 оптимизирован для совместной работы с MAX22190, но также походит и для других SPI-устройств, например, MAX14912. Изолятор имеет шесть изолированных каналов, причем каналы SDI, SDO и SCLK отличаются очень малой задержкой распространения. Выход SDO может быть переведен в высокоимпедансное состояние, что позволяет одной микросхеме MAX14483 работать с несколькими SPI-устройствами. Выход FAULT выполнен по схеме с открытым стоком. Таким образом, у пользователей есть возможность объединения выходов FAULT нескольких микросхем по схеме монтажного «ИЛИ», что существенно упрощает трассировку печатной платы. Кроме того, у микросхемы MAX14483 есть еще один вспомогательный канал AUX, который позволяет управляющему контроллеру выполнять дополнительную синхронизацию ведомых устройств. В MAX14483 присутствуют мониторы питания, которые сигнализируют о готовности к работе противоположной стороны изолятора. Для питания первичной и вторичной сторон могут использоваться независимые источники питания 1,71…5,5 В, что позволяет микросхеме выступать в качестве преобразователя уровней. MAX14483 поставляется в 20-выводном корпусе SSOP, в котором путь утечки (кратчайшее расстояние между двумя токопроводящими частями) равен 5,5 мм. Рейтинг изоляции микросхемы составляет 3,75 кВ (среднеквадратичное значение) при длительности воздействия 60 с. Материал корпуса обеспечивает сравнительный индекс трекингостойкости СИТ на уровне 400 В, что соответствует рейтингу материалов II группы. MAX14483 имеет диапазон рабочих температур -40…125°C. Потребляемая мощность составляет всего 0,77 мВт на канал (при SCLK = 10 МГц, VDD = 1,8 В). На рисунке 25 показан пример применения MAX14483 совместно с двумя последовательно включенными восьмиканальными микросхемами MAX14912.

Рис. 25. Схема включения изолятора SPI MAX14483

Быстродействующие, малопотребляющие четырехканальные цифровые изоляторы с усиленной изоляцией

Микросхемы MAX22444, MAX22445 и MAX22446 представляют собой быстродействующие, малопотребляющие четырехканальные цифровые изоляторы с усиленной изоляцией (рисунок 26). Они обеспечивают гальваническую развязку цифровых сигналов, потребляя всего 0,74 мВт на канал при частоте обмена 1 Мбит/с (питание 1,8 В). Усиленная изоляция определяет устойчивость к высокому напряжению 5 кВ (среднеквадратичное значение) при длительности воздействия 60 с. Представители семейства предлагают все возможные варианты конфигураций направлений каналов: 4/0 (4 прямых и 0 обратных), 3/1 (три прямых и 1 обратный), 2/2 (два прямых и два обратных). Это позволяет выполнять развязку не только популярных последовательных интерфейсов, включая SPI и RS-485, но и обычных однонаправленных цифровых входов или выходов.

Рис. 26. Типовая схема включения MAX2244x

В микросхемах MAX22445R/S/U/V сигнал разрешения работы (ENA) имеет активный низкий уровень, что делает его идеальным для SPI-шины. Дело в том, что в SPI-интерфейсе сигнал CS также имеет активный низкий уровень, а значит, может напрямую разрешать или запрещать прохождение сигнала MISO через изолятор. Все остальные сигналы разрешения в семействе MAX22444/45/46 имеют традиционный активный высокий уровень. В микросхемах MAX22444…22446M/N все каналы всегда включены, однако начальное состояние на выходах настраивается пользователем с помощью сигналов DEF, которые управляют подтяжкой на входе. Существуют также варианты микросхем с максимальной скоростью передачи данных 25 Мбит/с или 200 Мбит/с.

Изолированные АЦП со встроенным DC/DC-преобразователем

MAX14001 и MAX14002 – изолированные одноканальные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) с программируемыми компараторами напряжения и схемой контроля пусковых токов (рисунок 27). Эти АЦП оптимизированы для работы с дискретными входами. Рейтинг изоляции между первичной стороной (стороной датчиков) и вторичной стороной (сторона логики SPI-интерфейса) составляет 3,75 (среднеквадратичное значение). Встроенный изолированный DC/DC-преобразователь питает все компоненты и блоки первичной стороны, поэтому внешний источник питания для первичной стороны не требуется. Микросхемы поставляются в 20-выводном корпусе SSOP с путем утечки 5,5 мм и имеют сравнительный индекс трекингостойкости СИТ на уровне 400 В, что соответствует рейтингу материалов II группы.

Рис. 27. Изолированные АЦП MAX14001/MAX14002

Встроенный АЦП постоянно оцифровывает входное напряжение на первичной стороне и передает данные через изолирующий барьер на логическую сторону устройства, где полученный результат поступает на компаратор и сравнивается с программируемыми пороговыми значениями. Выход компаратора имеет высокий уровень, когда входное напряжение превышает верхний порог, и низкий уровень, когда напряжение оказывается меньше нижнего порога. Время отклика компаратора на изменение состояния входа не превышает 150 мкс при отключенной фильтрации. При активизации фильтрации компаратор усредняет 2/4/8 последних показаний АЦП. Отфильтрованные и неотфильтрованные показания АЦП могут быть считаны по SPI-интерфейсу с частотой до 5 МГц. SPI также используется для задания пороговых значений компаратора и настройки других функций микросхем.

MAX14001 и MAX14002 используются в приложениях с дискретными входами и имеют возможность управления пусковыми токами. Типовая схема включения для MAX14001/MAX14002 представлена на рисунке 28.

Рис. 28. Типовая схема включения MAX14001/MAX14002

Заключение

Для создания комбинированных входов-выходов компания Maxim Integrated предлагает использовать одноканальную микросхему MAX14914, которая может работать как цифровой вход или как промышленный цифровой выход. При работе в режиме входа MAX14914 обеспечивает выполнение требований стандарта IEC61131-2 для входов типа 1, 2 или 3.

Для гальванической развязки микросхем входов-выходов, как правило, требуются внешние изоляторы. Maxim является одним из лидеров в данном сегменте рынка и предлагает богатый выбор изоляторов. В частности, MAX14483 представляет собой SPI-изолятор, оптимизированный для совместной работы с MAX22190, однако он также походит и для развязки других SPI-устройств, например, MAX14912.

Микросхемы семейства MAX2244х представляют собой быстродействующие, малопотребляющие четырехканальные цифровые изоляторы с усиленной изоляцией. Они идеально подходят для развязки микросхем входов и выходов с параллельным интерфейсом.

MAX14001 и MAX14002 – изолированные одноканальные микросхемы со встроенным АЦП, оптимизированные для работы с дискретными входами.

Следующая часть данного цикла посвящена рассмотрению требований электромагнитной совместимости, описанных в группе стандартов IEC 61000-4-X.

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

1. 1. Промышленные цифровые входы и выходы. Руководство по проектированию. Часть 1. Цифровые входы
   2. Промышленные цифровые входы и выходы. Руководство по проектированию. Часть 2. Цифровые выходы

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ