Промышленные аналоговые коммутаторы

Промышленность в настоящее время выпускает большое количество типов микросхем, содержащих несколько отдельных, не связанных между собой коммутируемых каналов (ключей). Основные производители аналоговых коммутаторов — это фирмы Analog Devices и Maxim (в России — НПО «Светлана»). Для низкочастотных применений обычный состав микросхемы — четыре ключа, каждый из которых соединяет или разъединяет две цепи (single pole/single throw, SPST — однополюсный переключатель на одно направление). Как правило, при нулевом уровне на управляющих входах эти 4 ключа либо все нормально замкнуты, либо все нормально разомкнуты, либо два из них нормально замкнуты, а два других нормально разомкнуты. Пример — серия МАХ391/2/3/5: МАХ391 — 4 нормально замкнутых (normally closed, NC) ключа, МАХ392 — 4 нормально разомкнутых (normally opened, NO) ключа, в составе МАХ393 два нормально замкнутых и два нормально разомкнутых ключа, МАХ395 — 8 нормально разомкнутых (N0) ключей.

Другой вариант многоканального коммутатора — в одном корпусе несколько переключателей, каждый из которых в зависимости от уровня управляющего сигнала соединяет одну цепь с одной из двух других цепей (single pole/dual throw, SPDT — однополюсный переключатель на два направления). Например, ADG749 содержит на кристалле один переключатель с типичным R_ON = 4 Ом, а МАХ394 — четыре переключателя с типичным R_ON=17Ом.

Применение аналоговых коммутаторов в составе микропроцессорной системы делает желательным управление ими от системной шины. В этом случае в состав микросхемы коммутатора должен входить регистр для приема и хранения цифровой информации о состоянии ключей. При этом возможна как параллельная, так и последовательная загрузка данных в регистр. Примером коммутаторов с параллельной загрузкой могут служить 4-канальные ADG222 или 590КН12. Эти коммутаторы содержат четыре нормально разомкнутых ключа и 4-разрядный регистр хранения. По активному уровню сигнала записи W 4-разрядное слово данных, управляющее ключами, загружается в регистр.

Рис. 5. Схема 8-канального коммутатора ADG715 с последовательным управлением по шине 12С

Увеличение числа ключей в одном корпусе требует применения корпусов с большим числом выводов для управляющих входов, усложняет трассировку чипа и платы. В связи с этим оказывается удобным применять коммутаторы с управлением по последовательному интерфейсу. Это позволяет существенно упростить подключение коммутаторов к управляющему микроконтроллеру. Типичные примеры таких устройств — 6-канальные МАХ4562/3 и 8-канальные ADG714/5. Коммутаторы МАХ4562 и ADG715 из этих семейств имеют двухпроводный цифровой интерфейс (I²С-совместимый), а МАХ4563 и ADG714 — трехпроводный (SPI/QSPI, MICROWIRE-co- вместимый). На Рис.5 представлена функциональная схема коммутатора ADG715.

Он содержит восемь двунаправленных ключей с типичными R_ON = 2.5 Ом и токами утечки в закрытом состоянии 0.01 нА, а также управляющую логику в состав которой входит сдвиговый регистр.

Микросхема ADG715 управляется от двухпроводной последовательной шины I²С как ведомое устройство. На вход SCL поступают тактовые импульсы, а на SDA — 8-разрядное слово данных. ADG715 имеет 7-разрядный адрес. Пять старших значащих разрядов (MSB) определяют номер коммутируемого канала, а два младших разряда (LSB) — адрес микросхемы. Для установления адреса микросхемы служат выводы А₁ и А₀, которые подключаются к шине питания (тогда А₁ = 1) или к общей шине (тогда А₁ = 0). Таким образом, по двум линиям интерфейса можно адресовать четыре микросхемы, управляя состояниями 8 х 4 = 32 ключей.

Двухпроводный последовательный интерфейс шины по протоколу 12С работает следующим образом (Рис 6):

__

Рис.6. Диаграммы управления коммутатором ADG715 по двухпроводной

последовательной шине 12С

Управляющее устройство (мастер) инициализирует передачу данных, генерируя стартовый бит путем перевода линии SDA из 1 в 0 при высоком уровне тактовой линии SCL. Далее передается адресный байт, который состоит из 7-разрядного адреса ведомого устройства, сопровождаемого R/W-битом (этот бит определяет, будут ли данные читаться из ведомого устройства или будут записываться в него). Ведомый, чей адрес соответствует переданному адресу, отвечает, устанавливая на выводе SDA низкий уровень в течение девятого синхро-низирующего импульса (сигнал подтверждения, АСК). На этой стадии все другие устройства на шине остаются незанятыми, в то время как выбранное устройство ждет данные, которые^будут записаны в или прочитаны из последовательного регистра. Если бит R/W = 0, мастер осуществляет запись в ведомое устройство (именно этот режим иллюстрируется Рис. 6), в противном случае мастер считывает содержимое регистра.

Данные передаются по линии SDA в виде последовательности синхронизируемых импульсов (8 информационных битов, сопровождаемых битом подтверждения). При передаче данных изменения на линии SDA могут происходить только при низком уровне сигнала SCL; в течение полупериода с высоким уровнем сигнала SCL состояние линии SDA не меняется.

После передачи или чтения данных мастер останавливает процесс путем перевода линии SDA из низкого в высокое состояние, в то время как сигнал SCL имеет высокий уровень (команда «Стоп»).

Микросхема 8-канального коммутатора ADG715 обладает функцией повторной записи, которая создает дополнительное удобство пользователю. Пусть в некоторый момент времени требуется изменить состояния ключей только одной из микросхем. Тогда, если не было команды «Стоп», при повторных обращениях к этой микросхеме можно передавать только байт данных, который снова изменит состояние ключей и так далее.