摘要：用CMOS集成模拟开关变通设计的脉宽编码器不同于目前用于控制中的各种编码器,属多通道串行宽编码器,它与CMOS模拟开关变通设计的脉宽解码器配合可实现全通道远距离的同时控制,具有广泛的用途。文中在介绍了CD4051和CD4067模拟开关的基础上给出了脉宽编码器的具体设计及原理。

    关键词：模拟开关  变通应用  时隙  脉宽编码  时分复用  CD4051  CD4067

1 引言

目前的编码器、解码器以及编解码器种繁多,这些集成电路主工用于防盗报警、电子密码锁和遥控开关等控制电路中,有的虽然设有多个控制功能,但大多数不能同时按下两个以 的控制键以对多个控制对象进行同时控制。笔者根据CMOS集成模拟开关的工作原理,设计了多通道串行脉宽编码器和解码器,二者配合使用时类似通信系统中的时分复用装置,该编解码器可实现多通道的的同时控制,如电视监控系统、电动云台的上下、左右复合动作的控制以及摄象机镜头的调焦、变焦控制等。本文介绍了脉宽编码器的设计原理。

2 脉宽编码器的设计原理

2.1 CD401和CD4067的工作原理概述

CMOD集成模拟开关CD4051是一种8选1的模拟开关,而CD4067为16选1的模拟开关。两种模拟开关分别在三位地址码和四位地码码控制下使8个通道I/O0～I/O7和16个通道I/O0～I/O～15口的一个通道与总通道O/I接通,从而有选择地实现模拟信号的双向传输。这两种模拟开关的导通通道与地址码的关系见表1和表2。表中INH为禁止端;A、B、C、D（CD4051只用A、B、C）为地址端,当INH=1时,无论地址码如何变化,所有通道均被禁止;而当INH=0时,模拟开关处于正常工作状态。因此,利用禁止端可进行多片级联,以扩大通道数。

表1 CD4051

表2 CD4067

2.2 多通道串行脉宽编码器的设计

a.时分复用编码器前端电路

要实现多通道控制信号的串行传输,首先要对多通道进行时分复用,在此以16通道时分前端为例来说明时分复用编码器前端电路的工作原理。图1所示为地址码、串行模拟信号和串行脉宽码的波形。在16选1模拟开关CD4067四位地址端加上如图1所示的地址码A、B、C、D,则16个通道I/O0～I/O15依次与总通道O/I接通,每个通道时间与地址码A一个周期的二分之一,这个导通时间称每个通道的工作时隙。当在通道O/I端上加电源电压VDD时,可作为同步信号;在总通道O/I上加电压VDD/4（相当于每个通道加电压VDD/4）,可作为非控制信号;通过轻触键K1～K15在通道I/O0～I/O15上加电压VDD/2,可作为控制信号,如图2所示,则总通道O/I端的输出波形见图1中的V01。V01的波形属模拟控制信号,由于该控制信号在传输过程中易受干扰,且在接收解码时又不易提取时钟,因此需要对V01模拟控制信号波形进行编码。

b.并行编码器

在对V01波形进行脉宽编码时,须先对V01波形进行并行编码,并行编码器由三个比较器A1、A2、A3构成,这三个比较器的基准电压分别设定为VDD/5.2VDD/5、4VDD/5,见图3。在V01波形中的不同通道的电压与基准电压比较时,同频通道I/O0的同步电压VDD使三个比较器均有输出,其并行码为111;当无键闭保通道电压VDD/4只使三个比较器中的A1有输出时,其并行码为100;有键闭合通道的电压为VDD/2且使三个比较器中的A1、A2有输出时,其并行码为110。这样,I/O0～IO15这16个通道的模拟信号均被转换成三位并行码。

c.串行脉冲编码器

为在传输时节省传输线,在控制码传输以前需要将并行控制码转换为串行控制码,并/串转换有多种码型,本文则是把并行控制码转换为串行脉宽码。串行脉宽编码器如图3中的CMOS集成模拟开关CD4051所示。由图1可知,时分复用编码前端CD4067一个通道的工作时隙是图3中DC4051一个通道工作时隙的4倍,因此用CD4051作为并/串转换时,CD4051的地址端C应接地。这样一来,CD4051的8个通道只工作于前4通道I/O0～I/O3。当把前3个通道I/O0～I/O2接到并行编码器的输出端且同步通道留出串行脉宽码的低电平时隙时,则CD4051通道I/O3应接地,如此设置后,同步通道的串行脉宽码为1110,无键闭合通道的串行脉宽码为1000,有键闭合通道的串行脉宽码为1100.因此,在CD4051总通道I/O端输出带同频通道的16通道四倍通道I/O端输出带有同频通道的16通道四倍串行码,其中15通道是有效控制通道,其码型见图1中的V02。这种多通道串行脉宽码抗干扰能力很强,提取时钟也很方便,是一种应用广泛的新型控制码。

3 地址码发生器

地址码发生器可用一片内置振荡的CMOS集成分频器CD4060来产生图1地址码,地址发生器的电路见图4。其中晶振为32768Hz时,该脉宽编码所产生的串行脉宽码经驱动电路送往双绞线上传输,控制距离可达10km以上。

4 结束语

利用CMOS集成模拟开关变通设计脉宽编码器时,编码器的时分复用前端用8选1模拟开关可减少通道数,利用模拟开关禁止端的功能可扩大通道数,当把四位串行脉宽码的控制（有闭合）和非控制（无键闭合）两种状态扩为八位串行脉宽码的控制1到控制6和非控制7种状态时,在相同通道的数量下,控制容量可提高6倍。笔者用CMOS集成模拟开关变通设计的32和64通道脉宽编码器和脉宽解码器不仅可实现自锁、互锁,而且能实现多通道同时控制。经在工业控制场所使用证明,该编码器和解码器功耗低,操作方便,控制十分可靠。