Преобразователи логических сигналов в цифровые компании Device Engineering Inc.

Преобразователи логических сигналов в цифровые компании Device Engineering Inc.

Задача детектирования дискретных сигналов нередко возникает при проектировании оборудования авиационного, военного, промышленного, медицинского и многих других применений. Компания Device Engineering Inc. предлагает многоканальные устройства с последовательным или параллельным выходом, обеспечивающие сопряжение входных логических сигналов от различных датчиков с управляющими контроллерами систем. В данной обзорной статье рассматриваются отличительные характеристики отдельных серий компании, их внутреннее строение и конструктивные особенности.

Введение.

Узкоспециализированная компания Device Engineering Inc. (далее DEI) является одним из ведущих производителей аналоговых и аналого-цифровых интегральных схем для авиационной электроники [1]. Продукция компании широко применяется в коммерческой и военной авиации, в том числе в системах управления полетом, навигационном оборудовании, блоках управления двигателями, коммуникационных устройствах, аппаратуре обеспечения безопасности, а также в бортовых мультимедийных развлекательных комплексах. Основу линейки DEI составляют шинные приемники, передатчики (драйверы линии) и трансиверы, предназначенные для организации связи по ARINC 429 (ГОСТ 18977-79) и другим авиационным коммуникационным интерфейсам. Их отличительными чертами являются совместимость со стандартами ARINC 571, 575, 706, поддержка интерфейса RS-422, встроенная защита согласно DO-160D, диапазон рабочих температур от -55 до +125 °С, а также взаимозаменяемость с однотипными ИС производства Holt, Fairchild и Harris. Популярность и востребованность данной группы изделий обусловлена тем, что в бортовом оборудовании современных летательных аппаратов до 75% межсистемной информации передается при помощи каналов стандартов ARINC.

Помимо этого для заказа доступны микросхемы управления питанием, обеспечивающие контроль напряжения на 28 В силовой шине и защиту от переходных процессов до 100 В/100 мс, драйверы светодиодов, используемых в качестве подсветки приборных панелей, а также шести- или восьмиканальные преобразователи дискретных сигналов в цифровые, работающие с логическими сигналами уровней ТТЛ или КМОП. Данные устройства подходят для использования и в других сферах применения, требующих высокой надёжности компонентов, в частности рекомендованы производителем для аппаратуры медицинского и военного назначения, устройств АСУ ТП и т.д. Вся серийная продукция сертифицирована на соответствие требованиям стандартов качества AS9100D и ISO 9001:2015.

Еще одним немаловажным направлением работы компании является разработка и изготовление заказных интегральных схем и модулей по требованиям заказчиков для военных, авиационных и коммерческих применений с использованием технологий: биполярной, КМОП, совмещенной BiCMOS, высоковольтной HVCMOS на основе кремния, а также сплавов SiC и SiGe. Производимые на заказ аналоговые и аналого-цифровые микросхемы отличаются высокой степенью интеграции, минимальным собственным энергопотреблением и могут работать на частотах до 62 ГГц (в зависимости от технологии) и напряжениях до 1600 В.

            Преобразователи логических сигналов в цифровые.

Устройства данного типа служат для детектирования двух логических состояний на измерительных входах и передачи их в последовательном или параллельном виде для дальнейшей обработки. Обычно используются в простых датчиках, типовым применением в авиации, например, является контроль открытия люков и дверей. Компания DEI в настоящее время предлагает несколько семейств микросхем, основные характеристики которых представлены в таблице 1. Различаются преобразователи с входами типа “открыт/земля”, “открыт/28 В” и “28 В/земля”, их количество варьируется от 6 до 8. Многоканальная структура способствует сокращению требуемого пространства на печатной плате.

            Таблица 1 – Основные характеристики дискретно-цифровых преобразователей компании DEI. 

На считывающих входах всех ИС предусмотрены встроенные схемы ограничения воздействия грозовых разрядов. Следствием этого является возможность использования микросхем для защиты цифровых цепей от быстрых переходных процессов в качестве альтернативы TVS супрессорам.

Преобразователи полностью соответствуют требованиям раздела 22 стандарта DO160D “Испытания на восприимчивость к переходным процессам, вызванных молнией, методом введения импульсов в выводы”. Формы тестовых импульсов и соответствующие им временные диаграммы показаны на рис. 1, здесь V_OC – пиковое напряжение холостого хода в точке измерения, а I_S – пиковый ток короткого замыкания.

            Рис. 1 – Форма и параметры импульсов грозовых разрядов, описываемых стандартом DO-160D.

Серия DEI1026 объединяет шестиканальные устройства сопряжения, выполненные на основе BiCMOS технологии. Они работают с дискретными входными сигналами “открыт/земля”. Инвертированные тристабильные выходы (выходы с тремя состояниями) совместимы с логическими уровнями стандартов ТТЛ/КМОП и могут быть переведены в высокоимпедансное состояние при помощи специальных выводов /CE и /OE (таблица 2).

            Таблица 2 – Таблица истинности для преобразователей серии DEI1026. 

Для питания требуется источник положительного напряжения со стабилизированным 5 В выходом, максимальный ток собственного потребления не превышает 10 мА (в режиме ожидания не более 10 мкА). Типовое значение задержки на прохождения сигнала от входа к выходу составляет 150 нс. Для заказа доступно два варианта конструктивного исполнения: в малогабаритном пластиковом корпусе SOIC-16 с размерами 10,0×4,0×1,7 мм (суффикс -G в наименовании) и в герметичном керамическом SOP-16 с внешними габаритами 10,6×7,6×2,7 мм (-WMB). Первый корпус предназначен для эксплуатации при температурах от -55 до +85 °C, второй обеспечивает надежное функционирование в расширенном диапазоне (-55..+125 °C) и для повышения надежности подвергается дополнительной термоэлектротренировке в течение 96 часов при температуре +125 ºC. Упрощенная внутренняя структура устройств серии DEI1026 представлена на рис. 2.

Рис. 2 – Внутренняя структура преобразователей серии DEI1026.

Преобразователи DEI1026A совместимы по выводам с оригинальными устройствами DEI1026. Основное отличие заключается в том, что пороговые значения входных сигналов и их гистерезис

соответствуют распространенной в авиации спецификации ADB0100H. Остальные характеристики совпадают.

Шестиканальные преобразователи серии DEI1054 рассчитаны на работу с дискретными сигналами “открыт/28 В” (рис. 3). Благодаря своей надежности, невысокой стоимости, широким диапазонам рабочих температур и защите от влияния грозовых разрядов, микросхемы DEI1054 удовлетворяет требованиям большинства интерфейсов для авиационных и промышленных применений.

                      Рис. 3 – Внутренняя структура преобразователей серии DEI1054.

Устройства серии DEI1066 снабжены выходным последовательным периферийным интерфейсом промышленного стандарта (SPI) с максимальной рабочей частотой 10 МГц (рис. 4). Восемь входных линий рассчитаны на сигналы типа “открыт/земля” и соответствуют электрическим требованиям спецификации ABD0100F. Данные о состоянии входных каналов могут быть получены путем чтения восьмибитного сдвигового регистра с последовательной или параллельной загрузкой данных. Работа регистра аналогична функционированию микросхем серии 74HC597. Полностью совместимая по выводам с ИС серии DEI1066 микросхема DEI1067-SES-G, кроме того, соответствует требованиям нового стандарта ARINC 735A.

Рис. 4 – Упрощенная структурная схема преобразователей серии DEI1066.

Питание аналоговых цепей (VDD) осуществляется от источника с выходным напряжением 5-18 В, для логических схем необходимы положительные напряжения 3,3 или 5 В. Все устройства серии доступны в узких корпусах SOIC-16, предназначенных для монтажа на поверхность печатной платы, финишное покрытие выводов выполнено сплавом NiPdAu (химический никель и палладий + иммерсионное золото). Модификация с суффиксом -SES способна работать при температурах от -55 до +85 ºC, -SMS и -SMB обладают расширенным диапазоном температур (-55..+125 ºC). Последняя, кроме того, подвергается дополнительным испытаниям на отказ.

Электрическая принципиальная схема одного из восьми входных каналов DEI1066 изображена на рис. 5. Дискретный сигнал с каждого из выводов DIN[8:1] через цепочку из резисторов и диода поступает на прямой вход встроенного компаратора. Входа способны выдерживать постоянные напряжения с амплитудой до 40 В, напряжение пробоя диода VD1 составляет не менее 50 В. Резистор R1 с номиналом 12 кОм служит для ограничения тока. Через внутренний подтягивающий резистор R2 обеспечивается ток подпитки величиной 1 мА для предотвращения эффекта “сухого контакта”. Второй вход компаратора задает порог срабатывания, напряжение источника VDD поддается на него через резистивный делитель напряжения. Обратная связь с выхода компаратора служит для формирования гистерезиса схемы. Компаратор также содержит RC фильтр, обеспечивающий подавление помех, вызванных переходными процессами. 

Рис. 5 – Схема электрическая принципиальная одного канала ИС DEI1066.

Восьмиканальные преобразователи серии DEI1160A, выполненные на основе технологии HV DMOS, обладают повышенной стойкостью к воздействию переходных процессов, что упрощает разработку оборудования, эксплуатируемого в жестких условиях окружающей среды. Входные каскады способны выдерживать до 48 В постоянного напряжения или до 720 В импульсного (согласно стандарту DO160E). Еще одной их особенностью является возможность индивидуального конфигурирования каждого канала при помощи интерфейса SPI (рис. 6). Пороговые значения дискретных сигналов при этом устанавливаются в зависимости от типа входа: “открыт/земля”, “открыт/28 В” или “28 В/земля”. Режим работы SPI выбирается при помощи дополнительного вывода SEL, настройка любого канала доступна при логическом нуле на данного входе, передача выходных данных – при логической единице. Цифровая часть микросхем работает от источника питания с напряжением 3,3 или 5 В, аналоговые цепи запитываются напряжением 15 В (± 5%). Величина рассеиваемой мощности микросхем напрямую зависит от типа входа, количества активных каналов и условий эксплуатации (рис. 7).

            Рис. 6 – Внутренняя структура преобразователей серии DEI1160.    

                   Рис. 7 – Зависимость рассеваемой мощности от количества активных каналов для ИС серии DEI1160A. 

Восьмиканальные микросхемы серий DEI1166 и DEI1167 выпускаются в миниатюрных планарных корпусах TSSOP-24 с размерами не более 7,9×4,5×1,2 мм. Они предназначены для эксплуатации при температурах -55..+85 °C (модификация -TES) или -55..+125 °C (-TMS).
Каждый из восьми входных логических каналов ИС DEI1184 может быть индивидуально настроен для применения с сигналами “открыт/земля” или “открыт/28 В” (рис. 8). Конфигурирование осуществляется при помощи SPI шины, за хранение настроек отвечает соответствующий каналу бит восьмибитного регистра CFG_SEL. Для выбора варианта “открыт/земля” необходимо установить логическую единицу, в противном случае входной каскад будет работать с сигналами “открыт/28 В”. Пороги срабатывания компаратора схемы считывания зафиксированы на уровне запрограммированных при производстве значений. ИС DEI1184 также содержит встроенную схему сброса при подаче питания (POR). Она устанавливает входные каскады DIN в высокоимпедансное состояние при запуске, транзисторы VT1 и VT2 при этом отключены. Такое состояние сохраняется, пока напряжение источника VCC не стабилизируется и не выполнится конфигурирование преобразователя.      

            Рис. 8 – Схема одного канала ИС DEI1184.

Согласно руководству по применению использование внешних ограничивающих резисторов номиналом 3 кОм, включенных последовательно на каждом входе, гарантирует защиту от переходных процессов, вызванных ударами молний, соответствующую стандарту DO160E (уровень 3, формы импульсов 3, 4 и 5A). Более высокие уровни защиты обеспечиваются добавлением TVS устройств между резисторами и входами, производителем рекомендованы супрессоры с напряжением срабатывания менее 450 В. Резисторы, применяемые совместно с супрессорами, делают возможной сертификацию бортового оборудования на стойкость к помехам уровня 4 (1500 В) и уровня 5 (3200 В). Также эти резисторы могут быть использованы для получения ФНЧ, для этого необходимо установить дополнительный конденсатор к каждому входному контакту ИС.

Преобразователи серии DEI1188 не относятся к конфигурируемым, входные цепи могут различать только состояния “открыт/земля”. Выходные данные доступны в последовательном формате, исполнение защитных цепей аналогично микросхемам серии DEI1184.

Восьмиканальные ИС DEI1282 и DEI1284, применяемые для преобразования логических сигналов в цифровые, являются усовершенствованными версиями микросхем серии DEI1184. Их входные логические каналы устойчивы к непреднамеренному замыканию с силовой линией напряжением ~115 В/400 Гц бортовой сети самолета. Выполненные на основе технологии HV DMOS, в дополнение к ранее рассмотренным особенностям они обладают встроенной схемой тестирования. В режиме внутреннего самоконтроля проверяются аналоговые каскады микросхем и логика управления, при этом состояние входов игнорируется, а тестовые сигналы подаются на вход каждого из компараторов. На рис. 9 показан один из вариантов включения ИС данных серий. Шлейфовое (гирляндное) соединение, организованное при помощи интерфейса SPI, объединяет три ИС DEI1282 и позволяет опрашивать до 24 входных каналов.

Рис. 9 – Шлейфовое подключение трех ИС DEI1282.

Заключение.

Линейка многоканальных преобразователей логических сигналов с последовательным или параллельным выходом, выпускаемая компанией DEI, характеризуется достаточно большим разнообразием, отличной стабильностью рабочих характеристик и обязательным наличием встроенных схем защиты. Использование современных материалов и технологий изготовления гарантирует высокое качество изделий, и делает их полезными при проектировании оборудования авиационного, военного, промышленного, медицинского и многих других применений.

Список используемой литературы.

• Официальный сайт компании Device Engineering Inc. // https://www.deiaz.com/