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摘要：本应用说明旨在帮助使用DS1020/DS1021可编程延迟线。设备操作的基本原则以简化的形式涵盖，但有足够的细节，使用户能够了解设备内发生了什么，以及这如何影响其在实际应用中的使用。这些灵活的器件可以配置为传统的延迟线，作为脉宽调制器，甚至作为可编程振荡器。说明了各种配置，它们的各种特性涵盖了大多数应用程序。本文还涵盖了在设计这些产品时必须考虑的一些关键因素，这些因素基于设备以前用户的经验。
本应用说明旨在帮助使用DS1020/DS1021可编程延迟线。设备操作的基本原则以简化的形式涵盖，但有足够的细节，使用户能够了解设备内发生了什么，以及这如何影响其在实际应用中的使用。这些灵活的器件可以配置为传统的延迟线，作为脉宽调制器，甚至作为可编程振荡器。说明了各种配置，它们的各种特性涵盖了大多数应用程序。本文还涵盖了在设计这些产品时必须考虑的一些关键因素，这些因素基于设备以前用户的经验。
本应用说明旨在帮助使用DS1020 / DS1021可编程延迟线。设备操作的基本原则以简化的形式涵盖，但有足够的细节，使用户能够了解设备内发生了什么，以及这如何影响其在实际应用中的使用。
这些灵活的器件可以配置为传统的延迟线，作为脉宽调制器，甚至作为可编程振荡器。说明了各种配置，它们的各种特性涵盖了大多数应用程序。
本文还涵盖了在设计这些产品时必须考虑的一些关键因素，这些因素基于设备以前用户的经验。
DS1020/DS1021是类似的器件，不同之处在于封装和步长可用性以及对上电条件的响应。
可编程超过256步，增量为0.15至2ns (DS1020)， 0.25或0.5ns (DS1021)
保证单调性
串行(3线)或并行(8位)可编程性
Cascadable
DIP(仅限DS1020)或SOIC封装
可编程延迟线
可编程脉冲宽度
图2所示 输出波形
延迟时间可以通过串行数据输入或加载到8位并行端口来编程。模式选择引脚(S)决定要使用哪种操作模式。启用引脚可用于在加载后锁存串行数据，或加载并行数据并将设备从进一步更改隔离到共享并行总线。
注:在以下一些应用中，为了清晰起见，控制和/或数据输入引脚已被省略。除非参考特定的输入，相同的配置可以在串行或并行模式中使用。
DS1020/DS1021可以与一些简单的外部逻辑相结合，产生可编程的脉宽。在上面所示的示例中，输出脉冲由输入波形的上升沿触发，并且可以在10ns (DS1020/DS1021的潜在延迟)到最大编程延迟值的持续时间内进行调整。
输出的上升沿相对于通过两个门的传播延迟的输入将被延迟。下降沿将取决于DS1020/DS1021的编程延迟和输出门的传播延迟(见下一页图)。
因此，输出脉冲宽度为:
图3 脉宽调制器
图3显示了DS1020/ ds1021系列的各种成员可用的脉冲宽度范围。
注意:使用HCMOS栅极，最小脉冲宽度约为5ns。
如果DS1020/DS1021的输出反转并反馈到输入，则产生一个自由运行的振荡器。如果需要，可以通过用NAND或NOR功能替换逆变器并使用附加输入作为使能来对振荡器进行门控。
输出信号的周期大约等于编程延迟和通过逆变器的传播延迟之和的两倍，或者更准确地说:
下表总结了三种可用速度选项的一些测试结果:
在实践中，由于设备负载较轻，速度往往比数据表中反传延迟值建议的要高。
使用更快的逆变器可以提高最大频率:
这些图表中显示的抖动值是输出信号上峰值到峰值抖动的近似值。抖动的影响随着工作频率的增加而增加，但可以通过器件去耦最小化。
与F-TTL逆变器相比，使用HCMOS逆变器的振荡器抖动增加可归因于逆变器输出状态改变时耦合到电源的噪声差异。HCMOS“通流”导致比双极图腾极输出级更大的故障。
使用这些工作台数据，我们可以在整个编程范围内预测每个家庭成员的性能。图4和图5显示了给定可编程延迟值的理论频率。第一张图表假设HCMOS型逆变器或栅极，第二张通过使用F-TTL器件实现更大的最大频率。
为了得出这些图表，我们使用了以下值来表示逆变器的传播延迟:
图4 频率Vs.程序步进(HCMOS逆变器)
图5 频率与程序步进(F-TTL逆变器)
上述任何一种配置也可以设置为闭环操作。在这种模式中，设置了某种反馈回路，使编程引脚被修改，直到输出延迟或依赖于输出延迟的其他参数达到所需的水平或状态。这种安排的优点是负反馈消除了由器件误差(实际延迟和编程延迟之间的偏差)引起的任何影响。
图6 超声波测距仪的应用
数字超声波测距仪展示了DS1020/DS1021在闭环模式下的使用。这些设备可用于各种超声波，激光和视频应用，并具有各种反馈机制。例如，在激光应用中，带有aid的反馈回路可用于控制脉冲能量或功率，对于鼠标指针应用，通过操作员移动鼠标直到指针位于所需位置来提供反馈。
在所示示例中，输入波形用于产生由换能器发射的一系列超声波爆发。
如果目标存在，则信号将被反射到接收器，接收器可以被放大并移除载波以留下一个返回脉冲，该脉冲将从输入信号延迟，延迟的数量取决于与目标的距离。
为了测量这个距离，DS1020/DS1021的编程延迟被调整，直到它匹配返回脉冲的延迟。这是通过使用返回脉冲的上升沿来增加顺序递减一个向上/向下计数器来完成的，而计数的方向由ds1020 /DS1021输出的状态控制。在上面的图表中，情况A显示ds1020 /DS1021的延迟太小，输出高，因此来自返回信号的时钟脉冲将导致计数器增加。在情况B中，延迟太大，因此在这种情况下输出低，时钟脉冲将导致计数器递减。最终，当DS1020/DS1021延迟时间近似等于返回延迟时，将达到计数器在每个周期交替递减和递增的状态。
然后可以解码和显示生成的编程值(包括从编程值到距离尺寸的转换，如果需要更高的精度，还可以对设备错误进行校正)。
虽然这个例子用来说明该原理，但它确实显示出一些性能限制，使其不适合实际应用。
当编程延迟大约等于返回延迟时，计数器的LSB将切换，因此可能建议从显示值中丢弃LSB以保持其稳定。
系统的响应时间也有些慢，因为计数器每个周期只增加或减少一个计数，因此可能需要许多周期才能匹配延迟。返回信号的一些附加门控，DS1020/DS1021输出和高频时钟可用于允许计数器根据返回信号和DS1020/DS1021输出之间的时间差向上或向下计数多个时钟周期。
多个设备可以简单地级联在一起。当这样做时，输入到输出延迟将等于两倍(或n个设备的n倍)步长0延迟(20ns)加上每个设备的编程延迟之和。这相当于将单个设备的步数或范围增加一倍。
图8显示了串行编程的安排。串行数据输出通过菊花链连接到以下设备的串行输入，时钟和使能引脚连接并并行驱动。模式选择引脚(S)被绑低串行操作。(未使用的并行数据引脚，PI - P7，必须连接到一个定义良好的逻辑电平，不允许浮动。)
图8 连续操作
还显示了一个反馈电阻，允许内部寄存器的内容被读回来。如果使用此选项，则驱动串行数据输入的源必须在读回期间处于高阻抗状态。
图9 并行操作- 16位
如果并行编程是首选，则并行数据输入(P0 - P7)被驱动，模式选择引脚(S)保持高位，并且(D)和时钟(C)引脚中未使用的串行数据被绑定到定义良好的逻辑电平。在这种模式下，使能引脚可以永久地固定在高位，或被驱动到低电平以锁存在编程数据中，并允许对数据输入的进一步更改被忽略(例如，用于数据总线)。
在并行模式下，数据可以是16位宽，或者两个8位字节可以使用Enable销，每个设备被单独驱动，以引导每个字节的数据到适当的设备。
如果每个设备的数据线并行驱动(两者都使能高)，它在功能上相当于具有两倍延迟步长和总延迟的单个DS1020/DS1021。在串行模式下，可以通过并行驱动数据输入(D)(不要将第一个设备的Q输出连接到第二个设备的D输入!)或在菊花链模式下简单地重复相同的8位序列两次来实现相同的效果(参见图10)。
图10 并行操作- 8位
本节将深入了解设备内部发生的情况。虽然没有必要回顾这一点来使用该设备，但当涉及到理解本简报中讨论的一些设计考虑因素时，它是有益的。
上图显示了基本的延迟线定时元件。在输入脉冲通过S-R锁存器转移到输出之前，斜坡发生器必须超过比较器阈值电压才能有效地集成输入信号。输入信号的正沿用于启动时序斜坡，该时序斜坡最终设置输出锁存器;输入的负向边启动第二个缓冲器，最终将复位锁存器。
斜坡发电机的基本元件是由可编程电流发电机以恒定速率充电的电容器。在一个定时周期之前，电容器由输入晶体管保持放电。当输入跃迁发生时，输入晶体管关闭，允许电容器充电到比较器的阈值电压，比较器反过来设置(或重置)输出锁存器。当输入返回到其原始状态时，输入晶体管释放电容器，准备下一个周期。
注意:根据电路的上升沿延迟或下降沿延迟部分的适当情况，在器件输入引脚和输入晶体管之间插入逆变级。
可编程电流源的图示如上所示。一个内部衍生的参考电压被应用到一组电阻上。因此，该阵列的电阻将设定流经输出晶体管的电流值。这个电流反过来被另一个晶体管反射到热管发生器电路中。
电阻器阵列的值由应用于数字输入的二进制代码决定。这个二进制数被解码并用于选择适当的电阻组合来设置所需的电流。在制造过程中采用激光切边，以尽量减少正常工艺变化对电阻器值精度的影响。
一个“理想的”可编程延迟线应该在可编程延迟值和测量输出延迟之间显示线性响应(见图12)。在现实世界中，制造偏差，如正常工艺公差等，会导致与理想响应的偏差。下面的图表显示了DS1020/DS1021系列成员的典型响应曲线。该数据是每个速度等级的五个设备的平均值，并在标称条件下(5V电源和25°C)进行。图表上的刻度已选定，使最大值和最小值对应于数据表中对每个设备的理想响应偏差的限制。
图12 DS1020/DS1021“理想”响应
注:对于器件的步长0或固有延迟，有一个额外的(更严格的)公差规范。
图13 偏差(ns)
这种变化的重要性将取决于应用程序。在闭环系统中，只要编程延迟与实际延迟响应是单调的，回路就会稳定到正确的值。
在系统中，延迟在正常操作期间不改变(例如，仅在生产校准步骤期间改变)，可以改变编程值，直到达到所需的测量延迟。然后可以将该值硬连线到电路板上，通常使用拨码开关或跳线。
器件的输出受噪声引起的一些随机波动(抖动)的影响。这种影响可以通过良好的电源电压去耦最小化，但由于内部产生的噪声，一些抖动将继续存在。这种影响在较长的编程延迟(当内部电荷电流最小时)最明显，当少量噪声可以引起内部触发点的一些变化时。
下面的图表显示了该家族的各个成员的峰对峰抖动与输出延迟的一些典型变化。当考虑程序输出延迟的百分比时，峰对峰抖动通常小于3%。
图14 峰间抖动(上升沿)
图15峰间抖动(下降沿)
实际测量到的峰对峰抖动将非常依赖于实际的电路配置(例如，电源上的噪声、去耦、邻近的其他噪声源等)。这可能解释了-200设备上升沿的一些异常现象。对抖动的均方根测量将产生较小的结果。主要考虑的是输出抖动将存在，并且它将随着更长的编程延迟而增加。
在极端情况下，当输入脉宽接近程序设定的延迟值时，抖动会大幅增加。这是由于当输出改变状态时，噪声被引入到供电线路中造成的。如果这种噪声发生在输入端的下一个转换点附近，触发点将变得不那么明确，输出抖动将增加。虽然设备通常不应该在这些条件下工作，但当使用如上所述的振荡器等配置时，它会引起兴趣，并解释为什么振荡器的抖动超过上述值。
在运行过程中延迟发生变化且没有反馈的系统可能需要比数据表公差更高的绝对精度，可能接近与单个步长相同的量级。在这种情况下，每个设备都需要单独校准到所需的精度。通常，这将通过测量应用程序中的实际延迟值并在EPROM中生成用于正常操作的查找表来完成。
另外，该装置可以在闭环模式下操作，以消除任何不准确性的影响。
与任何类型的延迟线一样，输出延迟将取决于输出长度。ds1020 /DS1021在15 pF负载下进行了测试和表征，负载电容的不同值将改变输出上升和下降波形的斜率，并产生测量延迟时间的变化。
通过假设输出由电压源、开关和电阻组成，可以近似地了解各种输出负载的影响，如下图所示:
图16 简化的输出模型
使用该模型生成了以下图表，以显示输出过渡随负载电容的预测变化。
注:所使用的电阻值的选择，使图表接近实际(动态)在电路中的性能，不一定适用于直流分析。
图17 输出长(低到高)
图18 输出长(高到低)
数据表规格的延迟公差适用于25°C和5V电源。ds1020 /DS1021具有片上电路，以尽量减少温度变化的影响，但如果温度或电源电压从这些名义值变化，则所产生的延迟仍然会有一些变化。
图19所示 电源电压变化
上面的图表显示了延迟时间随电源电压的变化。可以看出，变化几乎与程序值成正比。该器件的最大变化约为3.5ns，约为编程延迟的5%。这是由5%的电源电压变化引起的，因此可以通过假设它等于电源电压的百分比变化来获得延迟百分比变化的良好近似值。
尽管显示的数据属于-025设备，但该家族的所有成员都表现出相似的特征。
DS1020/DS1021系列成员的一些典型温度变化如下图所示。这些数据是基于5个设备的样本，每个速度选项，从5v电源运行。在每种情况下，延迟与25°C操作时的变化都显示出来，其中正值表示延迟增加，负值表示延迟减少。在工作温度范围的极端情况下，取上升边和下降边的数据。
图20 到25C (ns)
启动
改变程序延迟
DS1020/DS1021具有内部上电复位电路，以确保所有内部功能在正确的状态下启动。然而，如果电源电压上升得太快，则可能发生设备在试图进入正常操作之前没有足够的时间完成这些重置活动的情况。
大多数系统电源相对较慢，对正常设备操作没有不利影响。DS1020/DS1021对快速上升的电源的容忍度不同。当上升时间(tVR)大于20 ms时，DS1021将正常工作。ds1020的额外测试屏幕允许使用更快的上升时间，下降到大约2毫秒。
如果有必要使用任何一个器件，其电源上升太快，无法满足各自的上升时间要求，则可以使用从系统电源到器件供电引脚的串联电阻，并在器件处附加去耦电容。当考虑到设备电源和负载电流时，应注意确保施加在设备上的电压保持在数据表的限制范围内。
为什么延迟这么长(50µs)?
在满足这个条件之前会发生什么?
为了理解这种延迟的原因，有必要参考延迟被编程的方法。其主要原因与可编程电流源有关。当编程改变时，与电流源的运放配置相关的稳定时间有限。因此，50µs是从该电流源在新值稳定所需的时间得出的。
当电流源稳定时，设备继续正常工作——输入脉冲在输出端重新出现之前继续被延迟。但是，在结算时间过去之前，延迟的确切持续时间是不确定的。实际上，在这50µs时间间隔内到达的脉冲通常会延迟一个介于旧编程值和新编程值之间的量。电流源以指数方式稳定下来，这反映在延迟时间的指数变化中，直到达到新的稳定值。
例如，考虑输入处于高状态的情况。在输入改变状态之前，必须允许边缘斜坡发生器达到比较器阈值，并设置输出锁存器。否则输出将不走高，左边缘斜坡发电机将复位，并启动后边缘放大器。实际上，输入脉冲已经被“吞下”了。
注意:这种现象可以很好地用作脉冲宽度鉴别器。通过适当地改变程序值，只输出宽度大于某一值的脉冲，将拒绝窄脉冲(和/或噪声)。
输出延迟的容差也必须考虑在内，输入脉冲宽度设置为超过最大实际延迟，而不是理想的编程值。
从上一段可以看出，最小输入周期将等于最小脉冲宽度的两倍(假设方波输入)。因此，数据表上三倍输入脉冲宽度的限制有些保守。只要包括足够的余量以允许设备公差，就可以保证正确的操作。
如需进一步资料，请联络:史蒂夫·布莱曼达拉斯的半导体南贝特伍德公园路4401号达拉斯，德克萨斯州75244-3292
电子邮件:
应答:T.K. Hui和Rich Tarver对设备内部工作原理的见解。为索霍姆的人物塑造工作。约翰·库菲尔德来实验室帮忙。