MAX11300 (PIXI). Однонаправленный блок преобразования логических уровней

20 декабря 2019

системы безопасностиуправление питаниемавтоматизациялабораторные приборыMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Руководство знакомит разработчиков с широким спектром решений на базе программируемых ИС смешанного сигнала MAX11300 PIXI™ производства Maxim Integrated. Рассматриваются идеи по использованию каждого функционального блока, входящего в состав PIXI, приводится подробный алгоритм их настройки и тестирования. Описаны также конкретные приложения, использующие  MAX11300.

Вариант 1. Встроенная схема преобразователя логических уровней

На рисунке 39 изображена блок-схема однонаправленного преобразователя логических уровней. В среде MAX11300 Configuration Software преобразователь логических уровней представлен компонентом Level Translator.

Для подключения преобразователя требуются два порта: один вход и один выход. Напряжение входного порта должно лежать в диапазоне 0…5 В. Уровень порогового напряжения определяется выходным напряжением ЦАП и задается в поле Input threshold в окне свойств компонента. Входное напряжение, превышающее это пороговое значение, определяется как логическое «1». Далее логический сигнал подается на выходной порт. При необходимости сигнал может быть инвертирован (поле Inverted в свойствах компонента). Выход схемы может быть подключен одновременно ко многим выходным портам микросхемы MAX11300. Другими словами, допускается трансляция входного сигнала сразу на несколько выходов.

Рис. 39. Блок-схема однонаправленного блока преобразования логических уровней

Рис. 39. Блок-схема однонаправленного блока преобразования логических уровней

Реализация в PIXI

На рисунке 40 представлен пример подключения однонаправленного преобразователя логических уровней в среде MAX11300 Configuration Software. Подключите вход блока к порту P2, а выход – к порту P12. В свойствах компонента можно задать инверсию сигнала в поле Inverted. Уровень напряжения переключения задается в поле Input threshold и может составлять 0,3…VDACREF (напряжение встроенного ИОН). Обычно напряжение VDACREF равно 2,5 В. Выходное напряжение логической единицы задается в поле Output level и может составлять 0…10 В.

Рис. 40. Пример подключения однонаправленного блока преобразования логических уровней в среде MAX11300 Configuration Software

Рис. 40. Пример подключения однонаправленного блока преобразования логических уровней в среде MAX11300 Configuration Software

Однонаправленный блок преобразования логических уровней позволяет изменять уровень напряжения логических сигналов. Программируемое значение входного порогового напряжения (VITH) должно выбираться с учетом следующих условий:

  • реальное минимальное входное напряжение логической единицы VIH должно быть больше или равно VITH + 0,3 В;
  • реальное максимальное входное напряжение логического нуля VIL должно быть меньше или равно VITH – 0,3 В.

Характеристики напряжений микросхемы MAX11300 представлены в таблице 4.

Таблица 4. Характеристики напряжений микросхемы MAX11300

Параметр Обозначение Условие Минимальное значение Типовое значение Максимальное значение
Параметры GPIO при работе в двунаправленном режиме с преобразованием уровней
Программируемое пороговое входное логическое напряжение, В VITH 0,3 VDACREF
Входное напряжение высокого уровня, В VIH VITH + 0,3
Входное напряжение низкого уровня, В VIL VITH – 0,3
Гистерезис, мВ ±30
Диапазон программируемых выходных логических напряжений, В VOLVL 0 4 x VDACREF
Задержка распространения сигнала от входа GPI до выхода GPO в однонаправленном режиме с преобразованием уровней, мкс Среднее значение, размах напряжения 5 В 2

Оборудование для проведения испытаний

Необходимое оборудование:

  • отладочная плата MAX11300EVKIT;
  • кабель Micro A-B USB;
  • ПК с ОС Windows®;
  • мультиметр;
  • источники питания;
  • осциллограф.

Методика проведения испытаний

В ходе испытаний использовалась схема, в которой преобразователь уровней, реализованный с помощью MAX11300, транслировал сигнал с выхода микросхемы 74LVT00D на вход микросхемы CD4011BE (рисунок 41). 74LVT00D представляет собой логическую КМОП-микросхему NAND (ИЛИ с инверсией) со следующими характеристиками: VIH = 2,0 В, VIL = 0,8 В, VOH = VCC – 0,2 В, VOL = 0,5 В. CD4011BE также является логической КМОП-микросхемой NAND (ИЛИ с инверсией), но имеет другие характеристики: VIH = 7,0 В, VIL = 3 В, VOH = 10 В, VOL = 0 В. В ходе испытаний импульсы 3,3 В от генератора подавались на вход 74LVT00D. С выхода 74LVT00D сигнал поступал на схему преобразователя уровня и далее – на вход CD4011BE. Для наглядности входы вентилей NAND объединялись и в результате работали как простые инверторы.

Рис. 41. Преобразование входного сигнала 3,3 В в выходной сигнал 10 В

Рис. 41. Преобразование входного сигнала 3,3 В в выходной сигнал 10 В

Результаты испытаний

Как видно из осциллограмм, изображенных на рисунках 42…46, схема преобразует входной сигнал 3,3 В с выхода микросхемы 74LVT00D в сигнал 10 В, поступающий на вход микросхемы CD4011BE. При проведении испытаний использовалась частота входного сигнала 1 кГц. Задержка распространения сигнала, вносимая преобразователем уровня, составляет около 3 мкс (рисунки 43, 44). Таким образом, схема может транслировать сигналы частотой до 20 кГц (рисунки 45, 46).

Рис. 42. Осциллограммы входных и выходных напряжений однонаправленного блока преобразования логических уровней

Рис. 42. Осциллограммы входных и выходных напряжений однонаправленного блока преобразования логических уровней

Рис. 43. Задержка сигнала при переходе от низкого уровня к высокому

Рис. 43. Задержка сигнала при переходе от низкого уровня к высокому

Рис. 44. Задержка сигнала при переходе от высокого уровня к низкому

Рис. 44. Задержка сигнала при переходе от высокого уровня к низкому

Рис. 45. Осциллограммы напряжений при частоте входного сигнала 5 кГц

Рис. 45. Осциллограммы напряжений при частоте входного сигнала 5 кГц

Рис. 46. Осциллограммы напряжений при частоте входного сигнала 20 кГц

Рис. 46. Осциллограммы напряжений при частоте входного сигнала 20 кГц

Вариант 2. Построение однонаправленного преобразователя уровня с помощью аналогового ключа и АЦП

Преобразователь уровней может быть реализован с помощью управляемого аналогового ключа и ЦАП. Пример такой схемы изображен на рисунке 47. Сигнал со входа преобразователя уровней (порт P1) подается на вход управления аналоговым ключом. Если входное напряжение превышает пороговое напряжение ключа, то ключ замыкается и коммутирует напряжение ЦАП на выход схемы (порт P2). Если же входное напряжение оказывается меньше порогового напряжения ключа, то ключ остается разомкнутым и выход схемы подтягивается к земле внешним подтягивающим резистором. В такой конфигурации ЦАП может выдавать напряжение до 6 В.

Рис. 47. Построение однонаправленного преобразователя с внешней подтяжкой к земле. Диапазон выходных сигналов 0…6 В

Рис. 47. Построение однонаправленного преобразователя со внешней подтяжкой к земле. Диапазон выходных сигналов 0…6 В

Существует альтернативная схема преобразователя уровней со внешней подтяжкой к шине питания (рисунок 48). В таком варианте выходное напряжение преобразователя может достигать 10 В.

Рис. 48. Построение однонаправленного преобразователя со внешней подтяжкой к питанию. Диапазон выходных сигналов 0…10 В

Рис. 48. Построение однонаправленного преобразователя со внешней подтяжкой к питанию. Диапазон выходных сигналов 0…10 В

Оборудование для проведения испытаний

Необходимое оборудование:

  • отладочная плата MAX11300EVKIT;
  • MAX11300 EV KIT Software;
  • MAX11300 Configuration Software;
  • выводные резисторы 1 кОм и 4,7 кОм;
  • трехканальный источник питания Keysight E3631A;
  • функциональный генератор Keysight 33250A полосой 80 МГц;
  • осциллограф WaveSurfer 3034 с полосой 350 МГц.

Методика проведения испытаний 

Преобразователь уровня со внешней подтяжкой к земле 

Соберите схему согласно рисунку 47. Установите пороговое напряжение аналогового ключа 1 В (поле Input Threshold). Задайте выходное напряжение ЦАП 6 В (поле Output level). Включите питание отладочной платы MAX11300EVKIT и загрузите в нее файл конфигурации. Подайте импульсный сигнал 3,3 В от генератора на порт P1. Подключите порт P2 к земле через резистор 1 кОм. Задайте частоту сигнала с генератора сначала 100 кГц, а потом 400 кГц. Входные и выходные осциллограммы нужно снимать на портах P1 и P2 соответственно.

Преобразователь уровня со внешней подтяжкой к питанию

Соберите схему согласно рисунку 48. Установите пороговое напряжение аналогового ключа 1 В (поле Input Threshold) и поставьте галочку в поле Inverted для инверсии сигнала управления. Задайте выходное напряжение ЦАП 10 В (поле Output level). Включите питание отладочной платы MAX11300EVKIT и загрузите в нее файл конфигурации. Подайте импульсный сигнал от генератора на порт P6. Подключите порт P7 к земле. Подключите подтягивающий резистор 1 кОм между портами P8 и P9. Входные и выходные осциллограммы нужно снимать на портах P6 и P8 соответственно.

Результаты испытаний 

Преобразователь уровня со внешней подтяжкой к земле

На рисунке 49 представлены входные и выходные сигналы преобразователя уровня с подтяжкой к земле, снятые на выводах портов P1 и P2 соответственно. На порт P1 подается импульсный сигнал 3,3 В, порт P2 подтянут к земле резистором 1 кОм и на нем присутствует выходной импульсный сигнал 6 В. Схема может без проблем работать на частотах 100 кГц и 400 кГц (рисунки 49 и 50).

Рис. 49. Осциллограммы напряжений в схеме с подтяжкой к земле при частоте входного сигнала 100 кГц

Рис. 49. Осциллограммы напряжений в схеме с подтяжкой к земле при частоте входного сигнала 100 кГц

Рис. 50. Осциллограммы напряжений в схеме с подтяжкой к земле при частоте входного сигнала 400 кГц

Рис. 50. Осциллограммы напряжений в схеме с подтяжкой к земле при частоте входного сигнала 400 кГц

Преобразователь уровня со внешней подтяжкой к питанию

На рисунке 51 представлены входные и выходные сигналы преобразователя уровня с подтяжкой к питанию, снятые на выводах портов P6 и P8 соответственно. На порт P6 подается импульсный сигнал 3,3 В от генератора. Порт P8 подтянут к выходному напряжению ЦАП с помощью резистора 1 кОм, и на нем присутствует выходной импульсный сигнал 10 В. Схема может без проблем работать на частотах 100 кГц и 400 кГц (рисунки 51 и 52).

Рис. 51. Осциллограммы напряжений в схеме с подтяжкой к питанию, резистором 1 кОм и входным сигналом 100 кГц

Рис. 51. Осциллограммы напряжений в схеме с подтяжкой к питанию, резистором 1 кОм и входным сигналом 100 кГц

Рис. 52. Осциллограммы напряжений в схеме с подтяжкой к питанию, резистором 1 кОм и входным сигналом 400 кГц

Рис. 52. Осциллограммы напряжений в схеме с подтяжкой к питанию, резистором 1 кОм и входным сигналом 400 кГц

Если использовать подтягивающий резистор большего номинала, то токи утечки будут меньше, однако скорость нарастания и спада сигналов также снизится. На рисунках 53 и 54 представлены осциллограммы напряжений в схеме с подтягивающим резистором 4,7 кОм. Как видим, динамические характеристики схемы ухудшились, кроме того, уровень напряжения на выходе преобразователя также просел из-за падения на подтягивающем резисторе.

Рис. 53. Осциллограммы напряжений в схеме с подтяжкой к питанию, резистором 4,7 кОм и входным сигналом 100 кГц

Рис. 53. Осциллограммы напряжений в схеме с подтяжкой к питанию, резистором 4,7 кОм и входным сигналом 100 кГц

Рис. 54. Осциллограммы напряжений в схеме с подтяжкой к питанию, резистором 4,7 кОм и входным сигналом 400 кГц

Рис. 54. Осциллограммы напряжений в схеме с подтяжкой к питанию, резистором 4,7 кОм и входным сигналом 400 кГц

Заключение

В девятой части этого цикла статей были предложены два варианта построения однонаправленной схемы преобразования уровней: на базе встроенного компонента Level Translator и управляемых аналоговых ключей микросхемы MAX11300. Проверка работоспособности схем подразумевала прием логического сигнала 3,3 В с выхода микросхемы 74LVT00D, его преобразование в сигнал 10 В и передачу на вход микросхемы CD4011BE. Проведенные испытания подтвердили корректность работы предложенных схем.

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

  1. Многоканальный АЦП
  2. Дифференциальный АЦП
  3. Псевдодифференциальный АЦП
  4. ЦАП и порты с высокой нагрузочной способностью
  5. Схема измерения тока
  6. Реализация аналоговых ключей SPST, SPDT и DPST
  7. Мультиплексор 4:1
  8. Оконный компаратор

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX11300GTL+ (MAX)
MAX11300GTL+T (MAX)
MAX11300GCM+ (MAX)
MAX11300GCM+T (MAX)
MAX11300EVKIT# (MAX)