Dvo

U doba ENIAC-a računala su bila analognije prirode i koristila su vrlo malo digitalnih IC-a. Danas prosječno Joeovo računalo radi s više nivoa napona, ljudi koji su vidjeli SMPS CPU-a primijetili bi da vaše računalo treba ± 12V, + 5V i + 3,3V za rad. Ti su naponski nivoi vrlo važni za računalo; određeni napon određuje stanje signala (visokog ili niskog). Računalo prihvaća ovo visoko stanje kao binarno 1, a nisko stanje kao binarno 0. Ovisno o stanju 0 i 1, računalo proizvodi podatke, kodove i upute za pružanje potrebnih rezultata.

Suvremene razine logičkog napona uvelike variraju od 1,8 V do 5 V. Standardni logički naponi su 5 V, 3,3 V, 1,8 V itd. Ali, kako sustav ili kontroler koji radi s logičkom razinom od 5 V (Primjer Arduino) komunicira s drugim sustavom koji radi s 3,3 V (Primjer ESP8266) ili bilo kojim drugim različitim naponom nivo? Ovaj se scenarij često događa u mnogim izvedbama, gdje postoji više mikrokontrolera ili se koriste senzori, a rješenje je ovdje korištenje logičkog pretvarača razine ili logičkog mjenjača razine. U ovom ćemo članku saznati više o pretvaračima logičke razine, a također ćemo izgraditi jednostavan dvosmjerni sklop pretvarača logičke razine pomoću MOSFET-a koji će vam dobro doći za dizajn krugova.

Ulazni napon visoke i niske razine

Međutim, sa strane mikroprocesora ili mikrokontrolera, vrijednost logičke razine napona nije fiksna; to ima neke tolerancije. Na primjer, prihvaćena logička visoka (logika 1) za mikrokontrolere logičke razine od 5 V iznosi najmanje 2,0 V (minimalni ulazni napon visoke razine) do najviše 5,1 V (maksimalni ulazni napon visoke razine). Slično tome, za logički nizak nivo (logika 0) prihvaćena vrijednost napona je od 0V (minimalni ulazni napon niske razine) do najviše 8V (maksimalni ulazni napon niske razine).

Gornji primjer vrijedi za mikrokontrolere s logičkom razinom od 5 V, ali također su dostupni i mikrokontroleri s logičkom razinom od 3,3 V i 1,8 V. Kod takve vrste mikrokontrolera raspon napona logičke razine varirat će. Relevantne informacije možete dobiti iz podatkovne tablice tog određenog IC-a kontrolera. Kada koristite pretvarač razine napona, treba voditi računa da vrijednost visokog napona i vrijednost niskog napona budu u granicama ovih parametara.

Dvosmjerni pretvarač logičke razine

Ovisno o primjeni i tehničkoj konstrukciji, dostupne su dvije vrste mjenjača razine, jednosmjerni pretvarač logičke razine i dvosmjerni pretvarač razine logike. U jednosmjernim pretvaračima razine, ulazni pinovi su namijenjeni za jednu naponsku domenu, a izlazni pinovi su namijenjeni za drugu naponsku domenu, ali to nije slučaj za dvosmjerne pretvarače razine koji mogu pretvoriti logičke signale u oba smjera. Za dvosmjerne pretvarače razine, svaka domena napona ne samo da ima ulazne igle već ima i izlazni pin. Na primjer, ako na ulaznu stranu osigurate 5,5 V, pretvorit će ga na 3,3 V na izlaznoj strani, slično ako pružite 3,3 V na izlaznoj strani, pretvorit će ga u 5 V na ulaznoj strani.

U ovom ćemo uputstvu izraditi jednostavan dvosmjerni pretvarač razine i testirati ga na pretvorbu visoke u nisku i nisku u visoku pretvorbu.

Jednostavan dvosmjerni pretvarač logičke razine

Jednostavni dvosmjerni sklop logičkog pretvarača prikazan je na donjoj slici.

Krug koristi n-kanalni MOSFET za pretvorbu niskonaponske logičke razine u visokonaponsku logičku razinu. Jednostavni logički pretvarač razine također se može izgraditi pomoću otpornih razdjelnika napona, ali će uvesti gubitak napona. MOSFET ili logički pretvarači temeljeni na tranzistorima profesionalni su, pouzdani i sigurniji za integraciju.

Krug također koristi dvije dodatne komponente, R1 i R2. To su otpornici na izvlačenje. Zbog najmanjeg broja dijelova i to je isplativo rješenje. Ovisno o gore navedenom krugu, napravit će se jednostavan dvosmjerni logički pretvarač od 3,3 V do 5 V.

Pretvarač razine od 5 V do 3,3 V pomoću MOSFET-a

5V na 3.3V dvosmjerno logika razine pretvarača kruga može se vidjeti u nastavku slike -

Kao što vidite, otporima R1 i R2 moramo osigurati konstantni napon od 5V i 3,3V. Igle Low_side_Logic_Input i High_Side_Logic_Input mogu se naizmjenično koristiti kao ulazne i izlazne igle.

Komponente korištene u gornjem krugu su

R1 - 4,7 tis

R2 - 4,7 tis

Q1 - BS170 (N-kanalni MOSFET).

Oba otpornika toleriraju 1%. Otpornici s tolerancijom od 5% također će raditi. Pinutovi BS170 MOSFET-a mogu se vidjeti na donjoj slici koja je u redoslijedu Odvod, Vrata i Izvor.

Konstrukcija kruga sastoji se od dva otporna otpora po 4,7 k. Odvod i izvorni klin MOSFET-a povučeni su do željene razine napona (u ovom slučaju 5V i 3,3V) za pretvorbu niske u visoku ili visoku u nisku. Također možete koristiti bilo koju vrijednost između 1k i 10k za R1 i R2, jer oni djeluju samo kao povlačni otpornici.

Za savršeno radno stanje postoje dva uvjeta koja moraju biti zadovoljena tijekom izrade sklopa. Prvi je uvjet da logički napon niske razine (u ovom slučaju 3,3 V) mora biti povezan s izvorom MOSFET-a, a logički napon visoke razine (5 V u ovom slučaju) mora biti povezan na odvodni pin MOSFET-a. Drugi je uvjet da vrata MOSFET-a moraju biti spojena na niskonaponski izvor napajanja (u ovom slučaju 3,3 V).

Simulacija dvosmjernog pretvarača logičke razine

Kompletni rad sklopa logičkog mjenjača razine može se razumjeti korištenjem rezultata simulacije. Kao što možete vidjeti na donjoj GIF slici, tijekom logičke pretvorbe visoke razine u nisku razina logički ulazni pin pomaknut je između 5V i 0V (uzemljenje), a logički izlaz dobiva se kao 3.3V i 0V.

Slično tijekom konverzije od niske do visoke razine, logički ulaz je između 3,3 V i 0 V pretvara se u logički izlaz 5 V i 0 V, kao što je prikazano na donjoj GIF slici.

Krug pretvarača logičke razine radi

Nakon ispunjenja ta dva uvjeta, krug radi u tri stanja. Države su opisane u nastavku.

Kada je donja strana u logičkom 1 ili visokom stanju (3,3 V).
Kada je donja strana u logičkom 0 ili niskom stanju (0V).
Kada strana visoke promijeni stanje od 1 do 0 ili visoko do nisko (5V do 0V)

Kada je donja strana visoka, to znači da je napon izvora MOSFET-a 3,3 V, MOSFET ne provodi zbog toga što Vgs pragova točka MOSFET-a nije postignuta. U ovom trenutku vrata MOSFET-a su 3,3 V, a izvor MOSFET-a također 3,3 V. Prema tome, Vgs je 0V. MOSFET je isključen. Logika 1 ili visoko stanje ulaza na donjoj strani odražava se na odvodnoj strani MOSFET-a kao izlaz od 5 V preko otpornika R2.

U ovoj situaciji, ako donja strana MOSFET-a promijeni svoje stanje s visoke na nisku, MOSFET počinje provoditi. Izvor je u logici 0, stoga je i visoka strana postala 0.

Ta gore navedena dva stanja uspješno pretvaraju logičko stanje niskog napona u visokonaponsko logičko stanje.

Još jedno radno stanje je kada gornja strana MOSFET-a mijenja svoje stanje iz visokog u nisko. Vrijeme je kada se počinje provoditi dioda za odvodnu podlogu. Niska strana MOSFET-a povučena je na niski napon sve dok Vgs ne prijeđe prag. Sabirnička linija i niskonaponskog i visokonaponskog dijela postala je niska na istoj razini napona.

Brzina prebacivanja pretvarača

Sljedeći važan parametar koji treba uzeti u obzir pri projektiranju pretvarača logičke razine je brzina prijelaza. Budući da će se većina logičkih pretvarača koristiti između komunikacijskih sabirnica poput USART-a, I2C itd., Važno je da se logički pretvarač prebacuje dovoljno brzo (brzina prijelaza) kako bi se podudarao sa brzinom prijenosa komunikacijskih linija.

Brzina prijelaza jednaka je brzini prebacivanja MOSFET-a. Stoga je u našem slučaju, prema tablici podataka BS170, vrijeme uključivanja MOSFET-a i vrijeme isključivanja MOSFET-a navedeno u nastavku. Stoga je važno odabrati pravi MOSFET za dizajn vašeg pretvarača logičke razine.

Dakle, naš MOSFET ovdje zahtijeva 10 nS za uključivanje i 10 nS za isključivanje, što znači da se može uključiti i isključiti 10,00 000 puta u jednoj sekundi. Pod pretpostavkom da naša komunikacijska linija radi brzinom (brzina prijenosa) 115200 bita u sekundi, to znači da se u jednoj sekundi isključi i isključi samo 1,15,200. Tako da svoj uređaj možemo vrlo dobro koristiti i za komunikaciju s velikom brzinom prijenosa.

Testiranje vašeg logičkog pretvarača

Za ispitivanje strujnog kruga potrebne su sljedeće komponente i alati -

Napajanje s dva različita naponska izlaza.
Dva multimetra.
Dvije taktilne sklopke.
Nekoliko žica za povezivanje.

Shema je modificirana radi ispitivanja sklopa.

U gornjoj shemi predstavljena su dva dodatna taktilna prekidača. Također, priključen je multimetar za provjeru logičkog prijelaza. Pritiskom na SW1, donja strana MOSFET-a mijenja svoje stanje iz visokog u niski i pretvarač logičke razine radi kao pretvarač logičke razine od niskog napona do visokog napona.

S druge strane, pritiskom na SW2, visoka strana MOSFET-a mijenja svoje stanje iz visokog u niski i pretvarač logičke razine radi kao pretvarač logičke razine u visoki napon.

Krug je izrađen u ploči i testiran.

Gornja slika prikazuje logičko stanje na obje strane MOSFET-a. Oboje su u stanju Logic 1.

Potpuno radni video zapis možete vidjeti u donjem videu.

Ograničenja pretvarača logičke razine

Sklop sigurno ima neka ograničenja. Ograničenja jako ovise o odabiru MOSFET-a. Maksimalni napon i odvod struje može se koristiti u ovom krugu ovisi o MOSFET-a specifikaciji. Također, minimalni logički napon je 1,8V. Logički napon manji od 1,8 V neće raditi ispravno zbog Vgs ograničenja MOSFET-a. Za niži napon od 1,8 V mogu se koristiti namjenski pretvarači logičke razine.

Važnost i primjene

Kao što je raspravljeno u uvodnom dijelu, nespojiva razina napona u digitalnoj elektronici predstavlja problem za povezivanje i prijenos podataka. Stoga je potreban pretvarač razine ili mjenjač razine da bi se prevladale pogreške povezane s razinom napona u krugu.

Zbog dostupnosti krugova logičke razine širokog raspona na tržištu elektronike, a također i zbog različitih mikrokontrolera razine napona, logički mjenjač razine ima nevjerojatan slučaj upotrebe. Nekoliko perifernih uređaja i naslijeđenih uređaja koji rade na temelju I2C, UART ili audio kodeka trebaju pretvarače razine u komunikacijske svrhe s mikrokontrolerom.

Popularne IC pretvarači logičke razine

Postoji mnogo proizvođača koji nude integrirana rješenja za pretvorbu logičke razine. Jedan od popularnih IC je MAX232. To je jedan od najčešćih pretvarača logičke razine IC koji pretvara logički napon mikrokontrolera 5V u 12V. RS232 priključak koristi se za komunikaciju između računala s mikrokontrolerom i treba +/- 12V. Već smo koristili MAX232 s PIC-om i nekoliko drugih mikrokontrolera za povezivanje mikrokontrolera s računalom.

Postoje i različiti zahtjevi, ovisno o pretvorbi vrlo niskog napona, brzini pretvorbe, prostoru, cijeni itd.

SN74AX također je popularna serija dvosmjernih pretvarača nivoa napona tvrtke Texas Instruments. U ovom segmentu postoji puno IC-a koji nudi prijelaz sabirnice opskrbe od jednog bita do 4 bita, zajedno s dodatnim značajkama.

Još jedan popularni dvosmjerni logički pretvarač razine IC je MAX3394E tvrtke Maxim Integrated. Koristi istu topologiju pretvorbe pomoću MOSFET-a. Shema pin-a može se vidjeti na donjoj slici. Pretvarač podržava odvojeni pin za omogućavanje kojim se može upravljati pomoću mikrokontrolera, što je dodatna značajka.

Gornja interna konstrukcija prikazuje istu MOSFET topologiju, ali s konfiguracijom P-kanala. Ima puno dodatnih dodanih značajki kao što je 15kV ESD zaštita na I / O i VCC vodovima. Tipični shematski prikaz može se vidjeti na donjoj slici.

Gornja shema prikazuje sklop koji pretvara logičku razinu od 1,8 V u logičku razinu od 3,3 V i obrnuto. Kontroler sustava koji može biti bilo koja jedinica mikrokontrolera također kontrolira EN pin.

Dakle, ovo je sve o dvosmjernom krugu pretvorbe logičke razine i radu.