引言

本文介紹了如何采用Dialog GreenPAK 設計高可靠性旋轉開關或編碼器。該開關設計是非接觸式的，因此忽略了接觸氧化和磨損。該設計非常適用于戶外長期潮濕、灰塵、極端溫度等場景。

Dialog GreenPAK SLG46537：GreenPAK CMIC為該設計提供所有電路功能。它會生成一個信號（EVAL）以改善信噪比，接收來自旋轉開關的每個碼盤的輸入，并使用異步狀態機（ASM）解讀每個碼盤，以確保僅一個開關選擇。

設計概念

該設計通過計時工作。它產生一個時鐘（EVAL）信號，通過外部100kΩ電阻緩慢上拉每個碼盤（圖1）。EVAL信號電容耦合到中央游標，它驅動所選碼盤的上升沿的速度，比所有其他碼盤的上升沿更快（圖1中 fast）。然后，GreenPAK異步狀態機（ASM）評估哪個上升沿最先到達，并鎖存結果。電容耦合設計的優點是其可靠性。無論編碼器是設計成電容性的，然后磨損至直接連接，還是設計成直接連接，然后降級（氧化）至電容性，它仍然可以工作。

圖1中的頂層原理圖顯示了連接到外部LED的輸出，作為演示。

圖1. 頂層應用原理圖

圖2是示波器捕獲圖，顯示了具有與其對應的選擇器游標的碼盤的上升時間差異，對比其他未選擇的碼盤上升時間。Delta T為248nS，這超過GreenPAK異步狀態機（ASM）解析所需的余量。ASM可以在1納秒內解析，其內部仲裁電路保證只有一個級有效。因此，任何時候只能記錄一個輸出。

圖2. 示波器捕獲圖顯示上升時間的差異

GreenPAK設計實現

圖3顯示了在GreenPAK可配置混合信號IC（CMIC）中配置的電路原理圖。

圖3. GreenPAK設計電路原理圖

為了節省功耗，EVAL信號以適合應用的響應時間的速率生成。使用低頻振蕩器并進一步用CNT2分頻。在這個例子中，大約是16Hz。請參見圖4中的配置設置。

圖4. 振蕩器配置設置

圖5異步狀態機（ASM）的狀態電路圖顯示了可能的狀態轉換。

圖5. 異步狀態機的狀態電路圖顯示了可能的狀態轉換

將EVAL短延遲的副本用作每個周期的ASM復位。這確保了我們始終從STATE0開始。在ASM復位狀態之后，每個碼盤處的ASM對EVAL信號進行監測。只有最早的上升沿才會導致狀態轉換出STATE0。由于只允許一個狀態轉換，因此來自其他碼盤的任何后續上升沿將被忽略。這也是取決于我們配置ASM的方式，如圖6所示，6個ASM輸出狀態中的每一個僅對應于一個碼盤。

DFF鎖存器保持ASM結果穩定，以便在ASM復位期間不會切換最終輸出。驅動開漏NMOS輸出引腳所需的極性，要求我們配置具有反相輸出的DFF。

圖6. 輸出鏈接矩陣

測試結果

下面的照片顯示了一個較粗糙的原型，功能完整且可正常運行。它也是低功耗的，GreenPAK測量僅5uA。

碼盤和游標的布局做到最大化，以獲得最強的信號。該原型經測試發現不受強射頻干擾影響，如大型熒光燈和5W 145MHz無線電。這可能是因為所有碼盤都在共模中接收干擾。

可以排列布置一下碼盤和游標尺寸，確保在任何位置都不會出現兩個碼盤同時與游標重疊。這可能不是必需的，因為ASM仲裁電路僅允許其中一個狀態有效，即使有2個同時上升沿時亦如此。這是該設計穩健的另一個原因。電路板布局具有良好的靈敏度，與碼盤的互連跡線非常窄，并且長度相等，因此每個碼盤的總電容與其他碼盤一致。最終產品可能包括游標的機械制動器，因此當它們位于每個位置中心時會“咔噠”一聲，并且提供良好的觸感。

總結

Dialog公司的GreenPAK CMIC為這款高可靠性旋轉開關提供低功耗、強大而完整的解決方案。它非常適用于需要穩定、長期運行的戶外定時器和控制器等應用。

作者：Jozef Froniewski，Dialog半導體公司應用工程師