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適應多種介面電壓的數位I/O 電路
( 7 月 1 日 2007 年)
Steve Hageman, Windsor, CA

為了在研發實驗室中測試產品，我建立了許多經過RS-232 介面或區域網路連接到 PC 或其他控制器的通用資料擷取系統。 這些小型系統通常包括多個ADC、DAC 和數位I/O 通道，可在產品設計和開關階段控制不同的硬體功能。 多年來，我建立了一個在0 到5V 範圍內工作的簡化的類比介面標準。 在數位介面領域，許多新的邏輯產品不再接受5V的 輸入電壓，使單一5V的數位I/O 成為無用武之地。
為解決此一問題，我設計了一個靈活的數位介面電路（digital-interface circuit），該電路採用了Maxim Integrated Products 公司的（www.maxim-ic.com） MAX7301 I/O 擴充器和一個可編程線性電源，該電源有一個受MAX5400 256 位置與數位可編程電位計控制的MAX1658 線性穩壓器。 此一電路提供了一個可編程的介面，可匹配需要2.5V 、3V 、3.3V 和5V 電源的IC 邏輯電平。
兩個串列周邊介面（serial-peripheral interface，SPI）控制著MAX7301AAI的全部20 個輸入和輸出針腳與電壓閥值（圖1）。 與某些包括微弱、只有電阻上拉（resistor-only pullup）的SPI 埠擴充器SPI-埠擴充器（SPI-port expander）不同，MAX7301 IC1具有真實、主動上拉（active-pullup）、圖騰柱（totem-pole）的輸出，這些輸出可找出更高的電流。 當由SPI 可編程線性穩壓器供電時，MAX7301 的輸出可提供2.5 到5V的邏輯電平。 兩種設備的編程介面均包括兩個三線（加地線） SPI 連接，這些連接僅使用控制器中的六個信號線路。
六個Vishay （www.vishay.com） Si 1012R 低閘電壓閥值N 通道 MOSFET及Q1 到Q6 將控制器的固定輸出電壓電平與IC1的可變輸入閥值電壓相互隔離。 儘管幾個IC 電平轉換IC 中的任何一個，工作情況都很好，但採用低成本的MOSFET 緩衝器只佔用介面PCB （印刷電路板）上很小的面積。 為了以接近IC1的26MHz 最大值串列埠時鐘速率運行，可利用R6 優化電阻R1 的電阻值，以在選定的時鐘速率來提供適當的上升時間。 這些值適合在低功耗微控制器所產生的1MHz SPI 時鐘速率下工作。
為了改變電路的輸出電壓電平，採用IC2控制IC3；其中IC2 是一256步進（256-step）的 Maxim MAX5400 數位電位計，而IC3 則是Maxim MAX1658 可調壓線性穩壓器。將所有的0值寫入到IC2 中，可將IC3 的輸出電壓設定成略高於5V，將所有的1值（255 decimal） 寫入IC2 ，可將IC3的輸出電壓降低到略小於2.5V。 為了補償元件容差，該電路提供足夠的電壓超壓範圍（overrange），包含了從2.5 至5V 的全部範圍。 寫入128 （decimal） 到IC2 上會產生標稱的3.25V 輸出。 測量IC3的實際輸入電壓，然後從標稱電壓中減去該值，就得到一個用來標定校正的補償值。
在運行中，主機控制器IC3透過IC2設定可調的輸出電壓，並確定IC1邏輯輸入和輸出的最大電壓。 然後，控制器為必要的介面任務配置IC1的輸入和輸出。 MAX7301 對低壓和高壓輸入0.3 到0.7 倍的標準CMOS 邏輯閥值電壓，而這些低壓和高壓還分別與其他 CMOS 部分相連接。



圖1 可編程的電源為通用數位I/O 設備設定電壓閥值。
 
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