在當今電子系統(tǒng)設計中，對于實時性、低延遲和高速數據處理的需求日益增長。MAX22190 和 MAX22199 這兩款工業(yè)級數字輸入芯片，默認情況下提供串行化數據輸出。然而，在一些對實時性要求極高的系統(tǒng)中，為每個工業(yè)級數字輸入通道提供電平轉換的實時邏輯信號顯得尤為重要。這些芯片在基于 SPI 或引腳（LATCH）的時序控制下，能夠對 8 個 24 V 灌電流輸入的狀態(tài)進行采樣和串行化，用戶可以通過 SPI 讀出這 8 個狀態(tài)。采用串行接口的優(yōu)勢在于能夠盡量減少需要隔離的邏輯信號數量，這對于高通道數字輸入模塊的設計非常有幫助。

邏輯信號的串行化是通過對信號進行同步采樣，將其轉換為時間量化的形式。但這種方式會導致實時信息內容的丟失，在某些特定系統(tǒng)中，這種信息丟失可能會引發(fā)嚴重問題。例如，在增量編碼器或計數器等應用中，它們更關注開關信號之間的時序差異。對于這類應用，要么需要采用高速采樣和高速串行讀出的方式，要么可以利用 MAX22195 所提供的非串行化并行數據。通過并行操作方式使用 MAX22190/MAX22199，不僅能夠實現(xiàn)診斷功能，還能提供配置的靈活性。接下來，我們將深入探討這種方法的特點、局限性以及設計時需要考慮的因素。

這項技術的在于將 8 個 LED 輸出用作邏輯信號。LED 能夠直觀地指示數字輸入的狀態(tài)，這對于模塊的安裝、維護和使用都具有重要意義。IEC 61131 - 2 標準對工業(yè)級輸入的特性和規(guī)格進行了明確的定義，而輸出狀態(tài)本質上是二元的，即要么為開，要么為關。

MAX22190/MAX22199 采用無能耗 LED 驅動器，LED 由現(xiàn)場傳感器 / 開關供電，而非從數字輸入模塊中的電源獲取電流 / 功率。這些器件會將輸入電流限制在由 REFDI 電阻設置的某一水平，其目的是盡量降低模塊的功耗。對于常見的 1 型 / 3 型數字輸入，輸入電流通常設置為約 2.3 mA（典型值），該值大于 IEC 標準要求的 2.0 mA 值。芯片會將約 2.3 mA 現(xiàn)場輸入（IN）電流的大部分傳輸至 LED 輸出引腳，自身僅消耗約 160 μA 電流。

由于 LED 驅動器輸出的是電流而非電壓，因此需要將電流轉換為電壓，才能與其他邏輯器件（如數字隔離器、微控制器等）進行對接。電阻是實現(xiàn)這一轉換簡便的跨阻元件。

產品數據手冊中并未介紹如何以這種方式使用 LED 輸出引腳，下面我們來探討其特性和可能存在的局限性。

在 LED 引腳上使用接地電阻來產生電壓輸出時，需要考慮多個方面的問題。例如，LED 引腳容許的電壓是多少？從 LED 引腳到 IN 引腳是否存在交互 / 反饋？具體而言，由于 IEC 標準規(guī)定了電流水平，LED 引腳上的電壓是否會導致 IN 輸入電流發(fā)生變化？LED 輸出電流是否會表現(xiàn)出不良的瞬態(tài)行為，如過沖或上升 / 下降緩慢？當輸入以高速率切換時，LED 輸出是否適合用作高速邏輯信號？LED 輸出是否需要濾波（可通過 SPI 編程）

根據 MAX22190/MAX22199 數據手冊所列的額定值，容許的 LED 引腳電壓為 +6 V。因此，LED 引腳適合用作 5 V（和 3.3 V）邏輯輸出，但必須注意，電壓不得高于 6 V。同時，還需要評估 LED 引腳電壓對其他關鍵特性的影響，特別是在高 LED 引腳電壓下 IN 輸入電流的變化，因為相關標準對 IN 輸入電流有明確的要求。對于 3 型數字輸入，需要關注的關鍵情況是現(xiàn)場電壓接近所定義的 11 V 導通狀態(tài)閾值電壓時。

對于接近 11 V 電平的三個現(xiàn)場輸入電壓（9 V、10 V 和 11 V），圖 2 顯示了實測的現(xiàn)場 IN 電流與 LED 引腳電壓的依賴關系。選擇 10 V 和 9 V 電平是因為它們處于 3 型輸入的過渡區(qū)間內，并且它們的輸入電流沒有值要求，而 11 V 要求輸入電流的值為 2 mA。
當現(xiàn)場電壓為 11 V 閾值時，藍色曲線顯示：當 LED 電壓高于約 5.8 V 時，IN 電流開始下降。在 6 V 時，電流僅下降 0.6%。對于 9 V 和 10 V 的情況（它們處于對電流無明確要求的過渡區(qū)間），測量結果顯示：對于高達 5.5 V 的輸入，輸入電流仍然高于 2 mA。
綜上所述，以上結果表明 MAX22190/MAX22199 能夠產生 5 V LED 邏輯輸出（及 3.3 V 等較低電壓邏輯輸出），同時仍然兼容 3 型數字輸入。對于 1 型數字輸入，情況相對簡單，因為導通閾值為 15 V，要高得多，因而 LED 引腳也能提供 5 V 邏輯電平，而不會對現(xiàn)場輸入電流產生任何影響。

關于切換條件下 LED 輸出電流的瞬態(tài)行為，圖 3 展示了 10 kHz 切換的情況。使用 1.5 kΩ 電阻將電流轉換為電壓，示波器截圖顯示，LED 輸出不會產生可能損壞邏輯輸入器件的瞬態(tài)過沖或下沖，上升和下降時間很快，不會造成信號失真。

MAX22190/MAX22199 具有 SPI 可編程濾波器，支持每通道毛刺 / 噪聲濾波，這些器件提供 8 個長 20 ms 的濾波時間常數。針對高速應用，可以旁路濾波器，選定的噪聲濾波也適用于 LED 輸出，以使視覺表現(xiàn)與電信號一致。同時，診斷功能也通過 SPI 提供，例如低電源電壓報警、過熱警告、REFDI 和 REFWB 引腳上的短路檢測及現(xiàn)場輸入的斷線檢測。

寄存器位的上電默認狀態(tài)為：所有 8 個輸入都處于使能狀態(tài)；所有輸入濾波器都處于旁路狀態(tài)；斷線檢測處于禁用狀態(tài)；REFDI 和 REFWB（僅限 MAX22199）引腳的短路檢測處于禁用狀態(tài)。因此，在不需要毛刺濾波（比如對于高速信號）和診斷的應用中，無需使用 SPI 接口。如果需要每通道可選的毛刺 / 噪聲濾波，或者需要診斷檢測功能，則可以使用 SPI。

下面以濾波時間設置為 800 μs 的 200 Hz 開關信號為例，展示毛刺濾波器對 LED 輸出的影響。指定的毛刺寬度通過改變占空比來模擬，對正毛刺和負毛刺均進行了研究。
圖 4 顯示了 750 μs 正脈沖被 800 μs 毛刺濾波器濾除的示例，這說明正毛刺濾波對 LED 輸出和 SPI 數據均有效。

然而，負毛刺并未在 LED 輸出端被濾除，如圖 5 所示，750 μs 下降脈沖傳播到 LED 輸出端。這與使用 SPI 讀出數據的情況不同，后者的正毛刺和負毛刺均被成功濾除。

圖 6 顯示了使能 800 μs 毛刺濾波器且輸入以 50% 占空比切換時的 LED 輸出信號。上升沿延遲約 770 μs，而下降沿沒有延遲，這說明濾波器未能妥善處理 LED 輸出。

對于要求高開關頻率、低傳輸延遲或低偏斜的應用，毛刺濾波會被禁用。在旁路模式（毛刺濾波器）和 100 kHz 輸入下，LED 輸出產生圖 7 所示的波形。下降沿顯示出約 60 ns 的低傳輸延遲，但上升沿具有顯著的傳輸延遲和抖動，上升沿抖動在 ±0.5 μs 范圍內，平均傳輸延遲為約 1 μs。上升延遲和抖動的原因是約 1 MHz 的采樣，如數據手冊中所述。在下降沿不會發(fā)生采樣，因此響應速度很快。

這表明，LED 輸出具有約 1.5 μs 的上升時間 / 下降時間偏斜，并伴有抖動。通道間偏斜在下降沿較低，但在上升沿要高得多，這可能會限制 LED 輸出在某些應用中的使用。

在將 LED 輸出引腳用作電壓輸出時，還需要考慮一些重要的設計事項。為確保安全，應當對 MAX22190/MAX22199 電流驅動型 LED 輸出的電壓進行限制，使之不超過所驅動的邏輯輸入的安全電平。雖然 REFDI 電阻將 IN 現(xiàn)場輸入電流設置為典型電流水平，但實際 IN 電流存在 ±10.6% 的容差，如數據手冊中所述。因此，電阻兩端的電壓將在 ±10.6% 范圍內。邏輯輸入通常存在嚴格規(guī)定的額定值，如 VL + 0.3 V，其中 VL 為邏輯電源電壓。當連接兩個邏輯信號時，通常使用公共 VL 電源來確保匹配，因為標準邏輯輸出采用推挽或開漏輸出，其輸出電壓由邏輯電源 VL 定義 / 限制。為了確保輸入不超過額定值，可以降低典型 LED 引腳的輸出電壓。或者，可以認為 LED 引腳的約 2.3 mA 輸出電流不會對邏輯輸入造成損害，因為邏輯輸入通常設計成能夠承受遠高于此的閂鎖電流（一般在 50 mA 至 100 mA 范圍），但這需要針對所考慮的器件進行驗證。第三種方案是通過箝位來限制電壓，此方案相對而言不理想。

標準邏輯輸出為推挽式，阻抗較低，為驅動邏輯輸入提供了很好的靈活性。相比之下，LED 輸出是開漏輸出，開關速度由下拉電阻和寄生電容決定。在無額外電容的情況下，可以實現(xiàn) 100 kHz 及以上的開關頻率。