Цифровой интерфейс ввода/вывода, совместимый с различными логическими уровнями

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2018

За время работы в исследовательской лаборатории я собрал множество универсальных систем выборки данных, подключаемых к ПК или иным контроллерам с помощью интерфейса RS-232 или локальной сети. Как правило, в этих небольших системах имеются АЦП, ЦАП и цифровые каналы ввода/вывода, выполняющие различные аппаратные функции, необходимые во время разработки и отладки устройства. С годами я установил для себя упрощенный стандарт аналогового интерфейса с диапазоном сигналов от 0 до 5 В. Однако с цифровой стороны за это же время появилось множество новых семейств логических микросхем, несовместимых с 5-вольтовыми уровнями, и мои наработки стали устаревать.

Для решения этой проблемы я разработал схему гибкого цифрового интерфейса на основе расширителя ввода/вывода MAX7301, выпускаемого компанией Maxim Integrated Products, и программируемого линейного источника питания, состоящего из регулируемого линейного стабилизатора напряжения MAX1658 и программируемого цифрового потенциометра MAX5400 с 256 позициями движка. В результате получилась схема программируемого интерфейса, совместимого с логическими уровнями микросхем, питающихся от источников 2.5, 3.3 и 5 В.

Всеми 20 входами и выходами MAX7301 и уровнями пороговых напряжений управляют два интерфейса SPI (Рисунок 1). В отличие от некоторых расширителей портов SPI со слаботочными выходными каскадами, располагающими только подтягивающими резисторами, микросхема MAX7301 (IC₁) имеет двухтактные выходы, способные работать с более высокими токами. При питании от линейного регулятора, управляемого по SPI, выходы MAX7301 могут обеспечить логические уровни от 2.5 В до 5 В. Интерфейсы программирования обоих устройств состоят из двух трехпроводных (плюс земля) SPI-соединений, использующих всего шесть сигнальных линий контроллера.

Рисунок 1.	Пороговые уровни напряжений этого универсального цифрового устройства ввода/вывода устанавливаются с помощью программируемого источника питания.

Шесть N-канальных MOSFET Vishay Si1012R (Q₁ … Q₆) с низкими пороговыми напряжениями затворов изолируют выходы контроллера с фиксированными уровнями напряжений от входов IC₁ с переменными уровнями пороговых напряжений. Хотя с этой задачей одинаково хорошо справились бы многие стандартные трансляторы уровней, буферы на MOSFET дешевле и занимают мало места на интерфейсной плате. Для работы последовательного интерфейса на частотах, близких к предельным для IC₁ 26 МГц, выберите подходящие сопротивления резисторов R₁ … R₆, чтобы времена нарастания соответствовали выбранной тактовой частоте. Номиналы, использованные в схеме на Рисунке 1, подходят для работы SPI на частоте 1 МГц, поддерживаемой маломощными микроконтроллерами.

256-позиционный цифровой потенциометр MAX5400 (IC₂) изменяет уровень выходного напряжения схемы, управляя регулируемым линейным стабилизатором напряжения MAX1658 (IC₃). При записи в IC₂ кода, содержащего одни нули, выходное напряжение IC₃ слегка превысит 5 В, а при записи кода, состоящего из одних единиц (десятичный эквивалент 255), выходное напряжение будет чуть меньше 2.5 В. Этого запаса вполне достаточно, чтобы компенсировать возможный разброс параметров компонентов и обеспечить полный диапазон регулировки от 2.5 В до 5 В. Запись в IC₂ десятичного числа 128 устанавливает номинальный выходной уровень 3.25 В. Для получения поправочного кода смещения измерьте фактическое напряжение на выходе IC₃ и вычтите его из номинального напряжения.

Хост контроллер управляет выходным напряжением IC₃ с помощью цифрового потенциометра IC₂ и устанавливает максимальные логические уровни для входов и выходов IC₁. Затем контроллер конфигурирует входы и выходы IC₁ в соответствии с требованиями интерфейса текущей задачи. Интерфейс с другими КМОП компонентами обеспечивается стандартными КМОП пороговыми уровнями микросхемы MAX7301, меньшими 0.3 и бóльшими 0.7 от напряжения ее питания для «лог. 0» и «лог. 1», соответственно.

Материалы по теме