Что такое уровень согласования
Обновлено: 17.05.2024
Почти каждому приходилось пользоваться стандартными системами управления, например, программируемыми контроллерами автоматизации (ПКА) — утверждает Боб Нельсон, менеджер отдела контроллеров ввода/вывода и программного обеспечения в Siemens. Внутренняя работа контроллера — забота производителя, пользователю не нужно углубляться в нее. Переход на открытые программируемые системы — палка о двух концах: с одной стороны это недостижимая ранее гибкость, но и большая ответственность. Качественная работа системы теперь зависит от пользователя, во время связи компонентов в правильную структуру есть множество подводных камней. Так зачем же инженерам систем управления нужны эти дополнительные проблемы?
Все управляющие системы одинаковы
Почти каждая система автоматизации — от сушилки для белья до 2-х километрового ускорителя Tevatron в лаборатории Ферми в Женеве (Иллинойс, США), основана на одной схеме. Это стандартный цикл управления: сначала сенсоры собирают данные о системе, потом эта информация анализируется в программируемом контроллере и генерируются управляющие сигналы. Единственная связь контроллера с внешним миром — шина данных, поэтому входящие сигналы необходимо оцифровать: преобразовать в Слова, которые понимает шина. Это одна из задач плат сбора данных.
Установка PC-станции на DIN-рейку упрощает монтаж сигнальных проводов различных систем управления на базе PC и PLC/PAC
Но для платы сбора данных подойдет не каждый сигнал с выхода датчика.У разных типов сенсоров сигналы совершенно разные. У термопар, например, уровень сигнала не превышает нескольких милливольт, его нужно аккуратно передать и выделить нелинейную функцию температуры. Резистивные датчики температуры измеряют ту же самую величину, но им требуется стабилизированный управляемый источник постоянного тока, зато напряжение на выходе может быть на два порядка выше, чем у термопар. Термисторы — еще один тип резистивных датчиков, но наклон температурной характеристики у них отрицательный. То есть падение напряжения на термисторе с увеличением температуры уменьшается.
Все эти самые разные сигналы нужно согласовать с входом платы сбора данных это задача модулей согласования. Для преобразования каждого сигнала требуется свой, один из множества, прибор согласования. При создании системы сначала выбирается подходящий к измерениям сенсор, потом — устройство согласования.
На последней стадии требуется еще один прибор преобразования выходных сигналов шины в аналоговый сигнал нужной величины и силы тока.
Типичная архитектура системы управления
Устройства обработки сигналов — это интерфейс между множеством датчиков и приборами сбора данных, которые оцифровывают сигнал и передают его по шине контроллеру.
Одна из задач производителей ПЛК и ПКА — выбрать программные и аппаратные компоненты, чтобы прибор наилучшим образом выполнил свою функцию в управляющей системе. Как подчеркивает Нельсон, когда инженер систем управления выбирает в качестве основного вычислительного устройства системы персональный компьютер, этот выбор ему приходится делать самостоятельно.
У второго подхода есть отличия, которые в разных ситуациях могут стать как преимуществами, так и недостатками. Одно из неотъемлемых преимуществ — огромная гибкость в настройке системы под требования конкретного приложения.
Основы обработки сигналов
Общая структура прибора обработки сигнала
В состав устройства согласования сигнала входят модули изоляции, усиления, фильтрации и возбуждения, необходимые тому типу датчиков, для которого он предназначен.
Преимущественно (но не всегда) под обработкой понимают преобразование аналоговых сигналов с помощью аналоговой электроники. Три основные характеристики сигнала — амплитуда, частота и фаза. Цель обработки — изменить эти параметры, а, следовательно, и выходной сигнал датчика, чтобы его можно было оцифровать с помощью АЦП на первой стадии системы сбора данных.
Амплитуда — это характеристика величины сигнала. Если это напряжение или ток, то амплитуда равна максимальному значению напряжения или тока соответственно. Для постоянного тока амплитуда сигнала — это просто значение силы тока и напряжения. В этом случае аналоговая электроника обработки сигнала может усилить ее величину или ограничить динамическим диапазоном.
Частота тесно связана с таким понятием, как ширина полосы. Сигналы редко являются монохроматическими. Даже у частотно-модулированных сигналов, когда интересующее значение определяется сдвигом частоты сигнала, ширина полосы достаточно заметна. Также и у постоянного тока (нулевой частоты) есть компоненты с разными частотами, которые отражают вариации параметра во времени. Частотные характеристики сигнала изменяются с помощью фильтров.
В настоящее время доступны единые системы, включающие в себя обработку, регистрацию сигнала и другие функции. Эти системы предназначены для работы в режиме реального времени. Информация предоставления Keithley Instruments
Управляющие приложения, в которых интересна фаза сигнала, обычно связаны со сравнением двух действий в разных частях системы. При взаимодействии фазовых сдвигов, возникших в разных частях системы обработки сигнала, возникают колебания и другие динамические явления.
Однако не стоит забывать и о таких понятиях, как согласование импедансов, нулевой уровень и потенциал Земли.
Необходимо обратить внимание на линейность. Изменение параметров электрического сигнала датчиками основано на различных физических явлениях, например, изменении сопротивления проводов при их растяжении в датчиках нагрузки. Обычно эти явления линейны только в первом приближении. При современном уровне контрольных приложений этой точности недостаточно. В большинстве случаев требуется коррекция нелинейностей второго, а иногда и третьего порядка.
«Мне кажется, что преобразование единиц измерения очень важно, — говорит Чак Цимино (Chuck Cimino), директор по маркетингу устройств сбора данных в Keithley Instruments. — В управляющем приложении удобно работать с температурой, давлением или скоростью потока, а не с милливольтами. Как будет лучше: переводить в уме милливольты в градусы Цельсия или это должна делать система?
Итак, у подсистемы обработки сигналов должны быть следующие составляющие:
- Электрическая изоляция — обычно оптоэлектронная, преобразующая напряжение в световые сигналы и обратно. Она разрывает контуры, замкнутые на землю и ограничивает напряжение.
- Один или несколько усилителей, чтобы масштабировать (и линеаризовать) сигнал, согласовать импедансы, уровень нуля и потенциалы заземления.
- Один или несколько фильтров для управления спектральными характеристиками
- Источники возбуждения, если они необходимы.
Современные методы интеграции полупроводниковых приборов делают возможным производство компактных модулей обработки сигнала, которые устанавливаются на системную плату и позволяют подключиться кабелем к плате сбора данных. Информация предоставлена: Dataforth.
Конструкция
Еще один надежный форм-фактор приборов предназначен для шасси или крейтов. В шасси есть не только разъемы, связывающие сменные модули с компьютером, но и охлаждение и питание. Различные промышленные стандарты, например, VXI, CompactPCI, PXI расширяют возможности архитектуры шины ПК и позволяют добавлять различные модули приборов. Сокращение XI в стандарте означает, что он основан на одной из шин ПК, но обладает дополнительными возможностями, например, линиями триггеров, которые обеспечивают дополнительную функциональность измерительных систем. VXI, например, это расширенная версия шины VME, a PXI — шины PCI.
Обычно у модулей обработки сигналов есть разъемы для заглушек на кабели, позволяющие не вынимать модуль из шасси.
Как ни удивительно старый стандарт КОП (Канал общего пользования, GPIB) до сих пор используется для связи до 90% продаваемых приборов. КОП, он же GPIB и IEEE-488, изначально был разработан в конце 1960-х фирмой Hewlett Packard и назывался HPIB. В 1975 году он был стандартизирован Институтом инженеров по электротехнике и электронике IEEE и стал международным.
Делаем выбор
Выбор системы согласования сигналов для управляющей системы на базе ПК начинается с датчиков.
Для каждого датчика нужно свое устройство обработки сигнала, его характеристики определяются датчиком. Есть модули для термопар различных типов, датчиков нагрузки и любых других сенсоров в любом форм-факторе.
Форм-фактор может быть произвольным, но иногда выбор определенного типа очевиден. Если часть ваших приборов, взаимодействующих с платами ПК, расположена на DIN рельсе, имеет смысл расположить устройство обработки сигнала там же. При работе в сети Profibus, тип подключения прибора обработки сигнала также очевиден. Выбор форм-фактора в основном определяется способом передачи данных в плату ПК.
Мощное излучение Большого адронного коллайдера, который строит ЦЕРН на границе Франции и Швейцарии, поджарит любую электронику, недостаточно удаленную от пучка и выбор форм-факторов остается не большой. Разработчику управляющих систем в ЦЕРН, Алессандро Маси (Alessandro Masi) пришлось тянуть 800 метровые кабели к приборам обработки сигналов в шасси PXI.
При работе с различными цифровыми микросхемами нередко возникает ситуация, когда для их правильной совместной работы необходимо согласовать уровни сигналов на линиях ввода-вывода. Такая необходимость возникает, например, при совместном использовании микросхем, рассчитанных на питание +3,3 Вольта и +5 Вольт. Почему? Ну, во-первых, редко когда входы трёхвольтовой микросхемы могут выдержать входное напряжение +5 Вольт, то есть передавать сигнал напрямую от пятивольтовой микросхемы к трёхвольтовой нельзя. Во-вторых, в 5-ти вольтовой CMOS-логике входной сигнал считается единицей, если его уровень выше 0,7*Vcc (3,5 Вольта), чего естественно микросхема с питанием 3,3 Вольта сформировать никак не может, то есть передавать сигнал напрямую в обратную сторону (от трёхвольтовой к пятивольтовой микросхеме) тоже нельзя.
Вот тут-то нам и нужны описанные ниже специальные схемы сопряжения, позволяющие сопрягать цифровые входы-выходы микросхем с различными уровнями питающего напряжения. Сразу отмечу, что вообще-то для этих целей существуют специальные микросхемы, но такой вариант нас заведомо не интересует, мы как всегда будем рассматривать варианты из говна и па подручных материалов.
Также отмечу, что приведённые ниже схемы подходят не только для сопряжения микросхем с уровнями 3,3 и 5 Вольт, но и для любых других, просто 3,3 и 5 — наиболее популярный вариант, за что он и был вынесен в название статьи.
Начнём с самого простого варианта, — когда у передающей микросхемы на выходе транзистор с открытым коллектором (рисунок справа). В этом случае высокий уровень выходного сигнала самой передающей микросхемой не формируется и согласовывать вообще ничего не нужно. Достаточно организовать подтяжку коллектора выходного транзистора к уровню питания принимающей микрухи (например через резистор) и всё.
Если же высокий уровень на выходе формируется самой передающей микросхемой, то описанный выше способ не подойдёт.
В данном случае можно использовать в качестве схемы согласования обычный параметрический стабилизатор (рисунок слева). Рассчитывается этот стабилизатор исходя из номинального тока стабилитрона, учитывая при этом, что он не должен превышать максимальный ток нагрузки для вывода передающей микросхемы (входной ток принимающей микросхемы как правило можно не учитывать).
Одним из недостатков (но далеко не единственным) последней схемы является то, что её можно применять только для передачи сигналов от микросхем с бо’льшим напряжением питания к микросхемам с меньшим напряжением питания (то есть на нашей картинке VCC1 обязательно должно быть больше VCC2).
Преодолеть последний недостаток можно искусственно отвязав выход микросхемы от её питания с помощью внешнего транзистора (рисунок справа). В этом случае мы фактически получаем выход, аналогичный выходу с открытым коллектором (наш самый первый вариант).
Причём в качестве такой развязки можно использовать не только транзистор, но и, скажем, оптрон (рисунок слева). В этом случае мы, в качестве бонуса, получим гальваническую изоляцию передатчика и приёмника.
Минусом двух последних схем является то, что они, кроме всего прочего, инвертируют передаваемый сигнал. Победить этот минус можно использованием парного количества инвертирований (то есть если использовать, например, два последовательно включенных транзистора и инвертировать сигнал дважды, то в итоге получим исходный неинвертированный сигнал).
Самый большой недостаток трёх перечисленных выше схем в том, что все они однонаправленные. Однако нередко бывают ситуации, когда на одной и той же ноге микросхемы висит и приёмник и передатчик и, соответственно, нога используется и для приёма и для передачи информации. Как быть в этом случае?
В этом случае можно использовать схему, изображённую на рисунке справа. Разберёмся как эта схема работает.
Сначала рассмотрим передачу слева направо. При передаче нуля (на I/O выводе левой микросхемы низкий уровень) потенциал базы оказывается выше потенциала эмиттера и из базы в эмиттер через резистор (R2) начинает течь ток. В результате транзистор открывается и потенциал всей линии притягивается к нулю. При передаче единицы (на I/O выводе левой микросхемы уровень Vcc1) транзистор закрывается и потенциал на I/O выводе правой микросхемы подтягивается через резистор R3 к уровню Vcc2.
При передаче в обратном направлении происходит следующее. При передаче единицы (уровень Vcc2 на I/O выводе правой микросхемы) транзистор остаётся закрытым, поскольку его база и эмиттер притянуты через резисторы R1, R2 к Vcc1. При передаче нуля потенциал коллектора оказывается ниже потенциала базы, начинает течь ток база-коллектор и транзистор открывается в инверсном режиме, соответственно потенциал всей линии становится близок к нулю.
Аналогичную схему можно реализовать и на полевом транзисторе (рисунок слева).
Вообще-то говоря, можно придумать и ещё целую кучу разных схем, я написал пока только про то, что сходу вспомнил, но если кто-то желает дополнить — пишите на форум или в личку пользователю rhf-admin (но лучше на форум, чтоб можно было со всеми обсудить).
Данные преобразователи применяются для согласования входных и выходных сигналов по напряжению и току при использовании в одном устройстве ИЦМ, выполненных по различным технологиям и, следовательно, имеющих различные напряжения питания и уровни логических единиц и нулей. Преобразование уровней напряжения требуется также в устройствах, построенных на КМОП микросхемах, если различные части устройства имеют разное напряжение питания.
Согласование уровней напряжений при управлении КМОП микросхемами от ТТЛ микросхем осуществляется с использованием логических элементов ТТЛ с открытым коллектором, выходные каскады которых выполнены на высоковольтных транзисторах при напряжении питания КМОП U > +5 В.
Если ТТЛ и КМОП микросхемы имеют одинаковое напряжение питания (5 В), то можно использовать логические элементы ТТЛ со стандартным выходом, но для надежности переключения логических элементов КМОП рекомендуется подключать резистор R, как показано на рис. 3.11 (уровень логической единицы на выходе ТТЛ приближается к + 5 В). Если напряжение питания логических элементов КМОП U = +15 В, то все входы КМОП должны быть согласованы с ТТЛ уровнями с помощью логических элементов с открытыми коллекторами.
Рис. 3.11. Согласование ИЦМ ТТЛ и КМОП
Большинство КМОП ИЦМ имеют малые выходные токи (выходы не могут быть нагружены даже на один вход ТТЛ серии 155). Поэтому в КМОП сериях выпускаются специальные ИЦМ, позволяющие согласовывать КМОП с ТТЛ по уровням напряжений и токов.
Для такого согласования можно использовать ИЦМ К176ПУ1, К176ПУ2, К176ПУЗ, условные обозначения и номера выводов которых приведены на рис. 3.12.
Рис. 3.12. ИЦМ для согласования от КМОП к ТТЛ
Стандартное напряжение питания (для серии 176) 9 В подается на вывод 14 для К176ПУ1 и на вывод 16 для К176ПУ2 и К176ПУЗ,
а дополнительное напряжение (стандартное для ТТЛ) 5 В на вывод
1 для всех микросхем. При таких напряжениях питания выходные сигналы имеют уровни, соответствующие микросхемам ТТЛ серий. Паспортная нагрузочная способность один логический элемент серии 155. Реальная нагрузочная способность существенно выше в состоянии логического нуля при напряжении на выходе 0,5 В втекающий ток может составлять 6…10 мА, в состоянии логической единицы при напряжении на выходе 2,4 В вытекающий ток 3…6 мА. Для обоих источников питания техническими условиями допускаются напряжения от 5 до 10 В, реально микросхемы работоспособны при напряжениях питания от 4 до 15В, однако необходимо, чтобы напряжение питания КМОП уровня было не менее, чем напряжение ТТЛ уровня. Максимальные выходные токи в первом приближении пропорциональны напряжениям питания.
Микросхемы К561ПУ4 и КР1561ПУ4 аналогичны по своему функционированию микросхеме К176ПУЗ, но требуют лишь одного источника питания, который подключается к выводу 1 микросхемы, вывод 16 свободен. При напряжении питания 10 В микросхема К561ПУ4 может обеспечить выходной ток 8 мА в состоянии логического нуля и 1,25 мА в состоянии логической единицы. Эта микросхема имеет входную цепь, отличающуюся от входных цепей всех остальных логических элементов КМОП серий, поскольку отсутствуют диоды защиты от статического электричества, подключенные к Uи.п. Благодаря этому, на их входы можно подавать Uвх>5 В при Uи.п = 5 В (что недопустимо для других типов микросхем), обеспечивая согласование уровней напряжений при управлении ТТЛ от КМОП. В этом случае на микросхему К561ПУ4 (КР1561ПУ4) подают напряжение питания 5 В, входы подключают к выходам КМОП микросхем, выходы к входам ТТЛ микросхем. Нагрузочная способность микросхемы К561ПУ4 для такого включения 3 мА в состоянии логического нуля, что практически позволяет подключать два входа микросхем серии 155.
Нагрузочная способность микросхемы КР1561ПУ4 больше, она позволяет при питании от напряжения 5 В нагружать выходы на два входа микросхем серии 155 или восемь входов микросхем серии
В сериях КМОП ИЦМ выпускаются микросхемы для управления КМОП от ТТЛ (рис. 3.13).
Микросхема К176ПУ5 предназначена для согласования выходов микросхем ТТЛ с входами микросхем КМОП. При напряжении питания 5 В на выводе 15 и 9…10 В на выводе 16 на входы микросхемы можно подавать сигналы с выходов микросхем ТТЛ, выходные сигналы будут соответствовать уровням микросхем КМОП.
Микросхема 564ПУ6 четыре преобразователя уровней ТТЛ в уровни КМОП с индивидуальной возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. Микросхема имеет два вывода для подачи питания вывод 1 для подачи напряжения 5 В (питание микросхем ТТЛ) и вывод 16 для подачи напряжения питания микросхем КМОП, оно должно находиться в пределах 5…15 В, вывод 8 общий провод.
Рис. 3.13. Согласователи от ТТЛ к КМОП
Каждый преобразователь уровня имеет вход ОЕ для управления выходом. При логической единице на этом входе выход преобразователя активен и повторяет входной сигнал, увеличенный по амплитуде до напряжения питания, поданного на вывод 16, при логическом нуле на входе ОЕ выход переходит в высокоимпедансное состояние.
Микросхемы К561ПУ7 (К564ПУ7) и К561ПУ8 (К564ПУ8) соответственно шесть инвертирующих и шесть неинвертирующих преобразователей уровней ТТЛ ИЦМ в уровни КМОП ИЦМ. Принципиальное отличие этих микросхем от микросхем К176ПУ5 и 564ПУ6, выполняющих ту же функцию, использование одного источника питания. При напряжении питания 10…15 В порог переключения элементов микросхем составляет 1,5…1,8 В, что хорошо согласуется с выходными уровнями микросхем серий ТТЛ. Выходные сигналы микросхем имеют уровни, близкие к напряжению питания и потенциалу общего провода.
Гарантированная величина выходного тока микросхем при напряжении питания 12В составляет не менее 1,3 мА в состоянии логического нуля и напряжении на выходе 0,5 В или в состоянии логической единицы и напряжении на выходе 11,5 В, реально выходные токи больше.
Из-за того, что микросхемы К561ПУ7 и К561ПУ8 используют один источник питания, при их управлении от микросхем ТТЛ теряется одно из наиболее интересных и полезных свойств микросхем КМОП крайне малое потребление тока от источника питания в статическом режиме. Естественно, что микросхемы К561ПУ7 и К561ПУ8 можно использовать и в устройствах, целиком выполненных на микросхемах КМОП в качестве инверторов и буферных повторителей соответственно, но при напряжении питания менее 9 В это нецелесообразно из-за снижения помехоустойчивости.
Некоторые микросхемы, входящие в КМОП серии и не являющиеся специализированными преобразователями уровней, также могут быть использованы для согласования ИЦМ КМОП и ТТЛ (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Микросхемы, которые можно использовать для согласования
Микросхема К561ЛН1 имеет повышенную по сравнению с другими микросхемами этой серии нагрузочную способность при напряжении питания 10 В ее выходной ток может достигать 5,3 мА в состоянии логического нуля и 0,5 мА в состоянии логической единицы, что позволяет нагружать на её выход до трёх входов серии К155.
Микросхема К561ЛН2 шесть инверторов с повышенной нагрузочной способностью. Ее электрические параметры аналогичны параметрам микросхемы К561ПУ4, она также позволяет подавать на входы напряжение, большее напряжения питания, и может применяться для согласования КМОП ИЦМ с ТТЛ ИЦМ.
Микросхема К561ЛНЗ шесть повторителей сигнала с возможностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. Повторители разделены на две группы четыре и два элемента, в каждой группе управляющие входы ОЕ элементов объединены. При подаче на входы ОЕ соответствующей группы логического нуля выходы элементов этой группы активны и повторяют входные сигналы. Если на входы ОЕ подать логическую единицу, выходы элементов переходят в высокоимпедансное состояние.
Нагрузочная способность элементов микросхемы К561ЛНЗ в активном состоянии весьма высока. При напряжении питания 5 В в состоянии логического нуля выходной втекающий ток может достигать 16 мА при выходном напряжении 0,5 В, в состоянии логической единицы вытекающий ток не менее 3 мА при выходном напряжении
4 В, что позволяет при необходимости нагружать на каждый выход микросхемы К561ЛНЗ до 10 входов микросхем серии К155.
Основное назначение микросхем К561ЛНЗ поочередная подача на одну магистраль сигналов от различных источников, причем благодаря большой нагрузочной способности микросхемы магистраль может иметь большую емкость и большое количество подключенных клемм нагрузок и источников сигналов. Эти микросхемы могут найти также широкое применение в качестве буферных элементов, в особенности в микропроцессорных системах.
Как уже отмечалось, с помощью логических элементов с открытыми выходами можно осуществлять согласование ИЦМ различных технологий.
ИЦМ 564ЛА10 (рис. 3.15) имеет выходной каскад с открытым стоком, обеспечивающий выходной ток достаточный для подключения десяти входов интегральных микросхем серии 155 при подключении к выходам резисторов, сопротивлением 3,3 кОм.
В КМОП сериях интегральных микросхем отсутствуют элементы для согласования с логическими элементами ЭСЛ – серий, поскольку в реальных разработках логические элементы этих технологий вместе практически никогда не используются из-за слишком больших различий в быстродействии и потребляемой энергии.
Рис. 3.15. Использование ИЦМ 564ЛА10 для согласования КМОП с ТТЛ
Чаще всего осуществляют согласование интегральных микросхем ЭСЛ логики с микросхемами ТТЛ логики, однако уровни напряжения, используемые в ЭСЛ, заметно отличаются от соответствующих уровней в ТТЛ, поэтому эти два логических семейства непосредственно не совместимы. Логические элементы согласователи входят в состав ЭСЛ серий ИЦМ и имеют достаточно сложное построение, поскольку ЭСЛ логика является отрицательной, т.е. напряжения уровней логического нуля и единицы находятся в области отрицательных напряжений по отношению к общему проводу.
Для согласования ИЦМ ТТЛ и ЭСЛ используются микросхемы
ПУ124 и ПУ125, входящие в состав серий 100, 500, 1500 (рис. 3.16).
Рис. 3.16. Согласователи ТТЛ и ЭСЛ
Для преобразования ТТЛ уровней в ЭСЛ уровни служит микросхема ПУ124. Микросхема представляет собой четырёхканальный преобразователь ТТЛ уровней в ЭСЛ уровни с входом стробирования ОЕ, общим для всех четырёх каналов.
При Е=0 (ТТЛ уровня) на всех прямых выходах микросхемы
появятся напряжения низкого логического уровня ЭСЛ (логический нуль), а на всех инверсных выходах появятся напряжения высокого логического уровня ЭСЛ (логическая единица), независимо от ТТЛ – уровней, находящихся на входах микросхемы.
При Е=1 (ТТЛ уровня) на ЭСЛ выходах появятся логические уровни, соответствующие логическим уровням ТТЛ, поданным на входы микросхемы с учётом инверсии на инверсных ЭСЛ выходах.
Для преобразования ЭСЛ уровней в ТТЛ уровни служит микросхема ПУ125.
Заканчивая описание ИЦМ различных технологий, способов их включения и особенностей эксплуатации, сделаем ещё несколько замечаний.
Необходимо стремиться к тому, чтобы как можно меньше использовать в одной схеме элементы, относящиеся к разным технологиям, поскольку это приводит к уменьшению быстродействия схем из-за задержек сигналов в микросхемах преобразователей уровней и усложнению блоков питания.
Несмотря на меры защиты, логические элементы КМОП серий могут быть выведены из строя статическим электричеством, поэтому микросхемы поступают с завода с закороченными выводами через фольгу или специальные пластины, а паять микросхемы необходимо паяльником с заземлённым жалом. На руки монтажника нужно надевать заземляющие браслеты.
Материал взят из книги Логические автоматы Типовые комбинационные схемы (Илюхин А.В.)
Модуль согласование логических уровней 3,3 и 5В
В микропроцессорной схемотехнике есть большое разнообразие логических уровней сигналов, самые распространенные из которых 5 и 3,3В.
Модуль согласование логических уровней 3,3 и 5В
Предлагаю вашему вниманию небольшую плату двух направленного 4-х канального согласователя логических уровней 5 и 3,3В со встроенным стабилизатором на 3,3В.
Он хорошо подходит для согласования шин I2C, SPI, UART… т.к. многие датчики сейчас выпускаются на напряжение 3,3В.
Преобразователь прост: полевой транзистор и 2 подтягивающих резистора. Этот небольшой блок повторён 4 раза. Стабилизатор на 78L33, позволит вам не задумываться о дополнительном стабилизаторе напряжения и подключать различные датчики с общим током до 50мА. На всякий случай добавил диод, который спасёт стабилизатор при неправильном подключение.
Модуль собран на небольшой односторонней плате, размерами 26х26 мм. С одной стороны расположены преобразователи уровня и стабилизатор, с другой два PLS-6 разъёма Такое выполнение удобно для макетирования на макетных платах без пайки.
На плате установлены 4 транзистора BSS-138 в корпусах SOT-23. Стабилизатор 78L33, в корпусе SOT-89 с двумя конденсаторами по 0,1мкФ в корпусах типоразмера 0805. Использован шотки диод — MBR0540T1. Подтягивающие резистора на 10кОм 7 шт. в корпусах 0805 и один 1206. Применено пять SMD перемычек в виде резисторов по 0 Ом 1206. Два коннектора PLS-6.
Прикольно! Тоже пришёл к идее такой же платы-переходника. Только использую BS123 транзисторы. И не использую 3.3в стабилизатор. Обычно стабилизаторы уже установлены на платах, остаётся только согласовать уровни. Но, это дела вкуса 🙂
Зато на различных экспериментальных шилдах, которые неизвестно будут ли работать должным образом, можно экономить на стабах 🙂
Можно ли данную схему использовать для подключения дисплея Nokia3310 к AVR с питанием +5В.
И можно ли в данной схеме использовать транзисторы SN7002
маркировка smd — (ssG)
Спасибо.
Использовать можно. Транзистор должен подойти. .так же для подключения дисплея можно воспользоваться делителями на резисторах или гасящими резисторами, правда, последний способ менее надёжный.
Повторил данную схемку, есть вопрос:
При подаче напряжения на стабилизатор, должно ли быть напряжение на контактах на входе +5 и на выходе +3 относительно общего провода?
Спасибо.
Примерно так и должно быть, т.е. он подтягивает высокие уровни к своему напряжению питания у каждой стороны.
Да, спасибо, разобрался.
Польза от вашей работы есть и оправдана она только если нет доступа к покупке радиодеталей (но полевые транзисторы все равно покупали, может наковыряли с других плат конечно).На всякий случай, если кто не знает, 561ПУ4 (14 ног 6 преобразователей), импортный CD4050 (16 ног, 2 из них не задействованы), с инвертированием сигнала 561ЛН2 (CD4049). Цена вопроса 10-30 рублей и + экономия времени.
Задачи разные бывают.
Один из старых проектов, на I2C был применён такой согласователь.
Если сторону 5в поменять на 1.8в — работать не перестанет? Подтянуть к 1.8в
Не совсем. Нужно тогда вместо 5В подать 3.3В, а вместо бывших 3.3В — 1.8В. Ещё можно уменьшить сопротивление резисторов, скажем до 4.7кОм. Естественно стабилизатор нужно будет заменить на 1.8В или убрать и взять опорные 1.8В от куда-нибудь с другого места.
Здравствуйте скажите а обязательно ставить диод шотки?
Если доверяете себе и схемам в которых будите его применять — то этот диод можно вообще исключить, он для защиты от переплюсовки добавлен.
Ответ же: При 5В желательно, т.к. на них малое падение напряжения (около 0,3В, на обычны более 1В), а обычный стабилизатор 7805 не относится к стабилизаторам с низким падением напряжения, как помню. Или можете взять более дорогой LDO линейный стабилизатор.
Можно ли таким способом согласовать ардуино и блютуз ?тх-rx /rx-тх.
да нет .вроде тот Slave HC-06 Wireless Bluetooth Transeiver RF Master Module Serial for Arduino.
В интернете встречал информацию, что модули HC-04/5/6/8/9 народ подключает к 5В ТТЛ (как раз во в основном к ардуинам напрямую). Но в части документации на эти модули приведена схема согласования с 5В ТТЛ. Описания в документации по толерантности выводов этих модулей к 5В не замечал.
Поэтому напрямую подключать эти модули к 5В ТТЛ не рекомендую.
Можете применять эту схему, она для этого вполне подойдёт, или другие варианты. Я же делаю проще, ставлю гасящие резисторы на линии, подробнее читайте в моей статье по этим модулям — Bluetooth .
Alex_EXE ясно ! но у меня я так думаю надо покапать в инжинерном меню телефона.и еще попробую другую ардуинку залить счечь.посмотреть как ведёт блютуз.комп-ардуино.
Alex_EXE нашел не пропай 13 пин на плате.все сразу заработало !КИТАЙЦА .
А какие максимальные скорости возможны с данной схемой?
В схеме применены одни из самых скоростных полевиков, максимальное время переключение у них порядка 40-50нс, из чего можно предположить около 10-20МГц (при 10В 0,2А), при меньших напряжениях и токах частота может быть немного меньше.
Из минусов данной схемы, не рекомендую её использовать на длинных линиях.
У меня ттл логический уровня 3.3в, мне нужно подключит к мозгу ГБО автомобиля но там логика 5в. Можно ли использовать вашу схему?
Эта схема двунаправленная? т.е полевик пропускает и преобразует в обе стороны? или их нужно разворачивать в зависимости от RX-TX
А распиновка контактов какая ? можете отписать.
Снизу в вверх.
Левый ряд 5V: GND, VDD, DATAx4шт
Правый ряд 3.3V: GND, VDD, DATAx4шт
Или см схему выше, расположение выводов то же.
Здравствуйте.
Таким способом можно согласовывать 12 и 3.3в?
Тоесть, ничего страшного, что трехвольтовое устройство будет подтгивать себе на минус 12в?
+3,3В и +12В можно попробовать, если уровень перехода логической 1 и 0 ниже 3В.
Т.к. данный преобзователь при лог 1 на стороне 5В выставит на стороне 3.3В примерно 2.8В;
наоборот: при лог 1 со стороны 3.3В на стороне 5В выставит примерно 3.1В.
При 12В картина будет примерно та же.
+3,3В на -12В нет. Для согласования Rs232 и UART контролера лучше подойдут MAX232 преобразователи.
здравствуйте.
данную схему можно использовать для согласования уровней 3,3 и 12в?
А почему при 1 со стороны 3.3 на другой стороне будет 3.1в? Мосфет же закрыт, и со стороны высокого уровня должно быть 5 или 12 соответственно (через подтягивающий резистор)
Потому что не стоит давать ответы перед сном, когда мозг уже отключился. В расчет я взял не только подтягивающие резисторы, поэтому и вышли такие цифры.
Для согласования 3.3В и 12В можно. Судя по всему ответ Вы уже давно сами нашли.
)))
Ну чисто теоретически предполагал, что можно, принцип вроде тот же.
Но хотел разобраться.
Спасибо.
Здравствуйте
Обязательно ли ставить подтягивающий резистор с передающей стороны?
Читайте также: