- Vhodna napetost na visoki in nizki ravni
- Dvosmerni pretvornik logične ravni
- Preprost dvosmerni pretvornik logične ravni
- Pretvornik nivoja 5V v 3.3V z uporabo MOSFET-a
- Simulacija dvosmernega pretvornika logične ravni
- Vezje pretvornika logičnega nivoja deluje
- Preklopna hitrost pretvornika
- Testiranje vašega logičnega pretvornika
- Omejitve pretvornika nivojev logike
- Pomen in aplikacije
- IC-ji pretvornika priljubljenih logičnih nivojev
Že v dobi ENIAC so bili računalniki bolj analogne narave in so uporabljali zelo malo digitalnih IC. Danes povprečni Joejev računalnik deluje z več napetostnimi nivoji, ljudje, ki so videli SMPS CPU, bi opazili, da za delovanje vašega računalnika potrebujete ± 12V, + 5V in + 3,3V. Te ravni napetosti so zelo pomembne za računalnik; določena napetost določa stanje signala (visoko ali nizko). Računalnik to visoko stanje sprejme kot binarno 1, nizko stanje pa kot binarno 0. Odvisno od pogojev 0 in 1 računalnik proizvaja podatke, kode in navodila za zagotavljanje zahtevanih izhodnih podatkov.
Sodobne logične ravni napetosti se v veliki meri razlikujejo od 1,8 do 5 V. Standardne logične napetosti so 5 V, 3,3 V, 1,8 V itd. Kako pa sistem ali krmilnik, ki deluje s 5 V logičnim nivojem (primer Arduino), komunicira z drugim sistemom, ki deluje s 3,3 V (primer ESP8266) ali s katero koli drugo različno napetostjo ravni? Ta scenarij se pogosto pojavlja v številnih izvedbah, kjer obstaja več mikrokrmilnikov ali se uporabljajo senzorji, rešitev pa je uporaba pretvornika logičnega nivoja ali logičnega preklopnika nivoja. V tem članku bomo izvedeli več o pretvornikih logičnih nivojev in izdelali bomo tudi preprosto dvosmerno vezje pretvornika logične ravni z uporabo MOSFET-a, ki bo prišel prav za vaše zasnove vezij.
Vhodna napetost na visoki in nizki ravni
Vendar pa na strani mikroprocesorja ali mikrokrmilnika vrednost logične napetosti ni fiksna; ima nekaj strpnosti. Na primer, sprejeta Logic High (logika 1) za mikrokrmilnike 5V logičnega nivoja je najmanj 2,0 V (najmanjša vhodna napetost visoke ravni) do največ 5,1 V (največja vhodna napetost visoke ravni). Podobno je za logično nizko vrednost (logika 0) sprejeta vrednost napetosti od 0V (najmanjša vhodna napetost nizke ravni) do največ 8V (največja vhodna napetost nizke ravni).
Zgornji primer velja za 5V mikrokrmilnike na logični ravni, na voljo pa so tudi 3,3V in 1,8V mikrokrmilniki na logični ravni. Pri takem tipu mikrokrmilnikov se bo območje napetosti logičnega nivoja spreminjalo. Ustrezne informacije lahko dobite v obrazcu tega IC-ja krmilnika. Pri uporabi pretvornika napetostne ravni je treba paziti, da je vrednost visoke in nizke napetosti v mejah teh parametrov.
Dvosmerni pretvornik logične ravni
Glede na aplikacijo in tehnično konstrukcijo, dve vrsti preklopniki ravni so na voljo, Enosmerni Logic Raven Converter in Dvosmerna Logic Raven pretvornik. Pri enosmernih pretvornikih nivojev so vhodni zatiči namenjeni za eno napetostno področje, izhodni zatiči pa za drugo napetostno področje, vendar to ne velja za dvosmerne pretvornike nivojev, ki lahko pretvarjajo logične signale v obe smeri. Pri dvosmernih pretvornikih nivojev ima vsaka napetostna domena ne samo vhodne zatiče, temveč tudi izhodni zatič. Na primer, če na vhodni strani navedete 5,5 V, jo bo na izhodni strani pretvoril v 3,3 V, podobno, če na izhodni strani zagotovite 3,3 V, jo bo pretvoril v 5 V na vhodni strani.
V tej vadnici bomo izdelali preprost dvosmerni pretvornik ravni in ga preizkusili za pretvorbo v visoko v nizko in v nizko v visoko pretvorbo.
Preprost dvosmerni pretvornik logične ravni
Preprosto dvosmerno vezje logičnega pretvornika je prikazano na spodnji sliki.
Vezje uporablja n-kanalni MOSFET za pretvorbo nizkonapetostne logične ravni v visokonapetostno logično raven. Preprost logični pretvornik ravni je mogoče izdelati tudi z uporovnimi delilniki napetosti, vendar bo povzročil izgubo napetosti. Pretvorniki logične ravni na osnovi MOSFET ali tranzistorja so profesionalni, zanesljivi in varnejši za integracijo.
Vezje uporablja tudi dve dodatni komponenti, R1 in R2. To so vlečni upori. Zaradi najnižjega števila delov je tudi stroškovno učinkovita rešitev. Glede na zgornje vezje bo izdelan preprost dvosmerni pretvornik od 3.3V do 5V.
Pretvornik nivoja 5V v 3.3V z uporabo MOSFET-a
5V na 3.3V dvosmerno logika ravni pretvornik vezje je razvidno iz spodnje slike -
Kot vidite, moramo na upore R1 in R2 zagotoviti konstantno napetost 5V in 3,3V. Zatiči Low_side_Logic_Input in High_Side_Logic_Input se lahko izmenično uporablja kot vhod in izhod zatiči.
Sestavni deli, uporabljeni v zgornjem vezju, so
R1 - 4,7 k
R2 - 4,7 tis
Q1 - BS170 (N-kanalni MOSFET).
Oba upora sta 1% tolerantna. Delovali bodo tudi upori s 5% toleranco. V pinouts za BS170 MOSFET je razvidno iz spodnje slike, ki je v naročilu Drain, vrata in Vir.
Konstrukcija vezja je sestavljena iz dveh vlečnih uporov po 4,7 k. Odtok in izvorni zatič MOSFET-a se povlečeta do želene napetostne ravni (v tem primeru 5V in 3,3V) za nizko do visoko ali visoko do nizko logično pretvorbo. Za R1 in R2 lahko uporabite tudi katero koli vrednost med 1k in 10k, saj delujejo le kot vlečni upori.
Za popolno delovno stanje obstajata dva pogoja, ki ju je treba izpolniti med izdelavo vezja. Prvi pogoj je, da mora biti nizkonapetostna logična napetost (v tem primeru 3,3 V) povezana z virom MOSFET-a, logična napetost visoke ravni (v tem primeru 5 V) pa mora biti priključena na odtočni zatič MOSFET-a. Drugi pogoj je, da morajo biti vrata MOSFET-a priključena na nizkonapetostno napajanje (v tem primeru 3,3 V).
Simulacija dvosmernega pretvornika logične ravni
Popolno delovanje vezja logičnega prestavljavca ravni je mogoče razumeti z uporabo simulacijskih rezultatov. Kot lahko vidite na spodnji sliki GIF, se med vhodno- logično pretvorbo visoke in nizke ravni vhodni zatič logike premakne med 5V in 0V (ozemljitev), logični izhod pa se dobi kot 3.3V in 0V.
Podobno med pretvorbo iz nizke v visoko stopnjo se logični vhod med 3,3 V in 0 V pretvori v logični izhod 5 V in 0 V, kot je prikazano na spodnji sliki GIF.
Vezje pretvornika logičnega nivoja deluje
Po izpolnitvi teh dveh pogojev vezje deluje v treh stanjih. Države so opisane spodaj.
- Ko je spodnja stran v logičnem položaju 1 ali visokem stanju (3,3 V).
- Ko je spodnja stran v logičnem 0 ali nizkem stanju (0V).
- Ko višja stran spremeni stanje z 1 na 0 ali visoko na nizko (5V na 0V)
Ko je spodnja stran visoka, to pomeni, da je napetost vira MOSFET-a 3,3 V, MOSFET ne deluje, ker Vgs pragova točka MOSFET-a ni dosežena. Na tej točki so vrata MOSFET-a 3,3 V, vir MOSFET-a pa je tudi 3,3 V. Zato je Vgs 0V. MOSFET je izklopljen. Logika 1 ali visoko stanje vhoda na spodnji strani se odraža na odtočni strani MOSFET-a kot 5-voltni izhod prek pullacijskega upora R2.
V tem primeru, če spodnja stran MOSFET-a spremeni svoje stanje iz visoke v nizko, MOSFET začne delovati. Vir je v logiki 0, zato je tudi visoka stran postala 0.
Ta dva pogoja uspešno pretvorita nizkonapetostno logično stanje v visokonapetostno logično stanje.
Drugo delovno stanje je, ko zgornja stran MOSFET-a spremeni svoje stanje iz visokega v nizko. To je čas, ko začne odvajati dioda za odvod substrata. Nizka stran MOSFET-a se potegne navzdol do nizke napetosti, dokler Vgs ne prestopi mejne točke. Vodilo vodila tako nizkonapetostnega kot visokonapetostnega odseka je pri isti napetostni ravni postalo nizko.
Preklopna hitrost pretvornika
Drug pomemben parameter, ki ga je treba upoštevati pri načrtovanju pretvornika logične ravni, je hitrost prehoda. Ker se bo večina logičnih pretvornikov uporabljala med komunikacijskimi vodili, kot je USART, I2C itd., Je pomembno, da logični pretvornik preklaplja dovolj hitro (hitrost prehoda), da se ujema s hitrostjo prenosa komunikacijskih vodov.
Hitrost prehoda je enaka hitrosti preklopa MOSFET-a. V našem primeru je torej v skladu s podatkovnim listom BS170 spodaj naveden čas vklopa MOSFET-a in čas izklopa MOSFET-a. Zato je pomembno, da izberete pravi MOSFET za zasnovo pretvornika logične ravni.
Naš MOSFET tukaj zahteva, da se vklopi 10nS in izklopi 10nS, kar pomeni, da se lahko v eni sekundi vklopi in izklopi 10,00.000 krat. Ob predpostavki, da naša komunikacijska linija deluje s hitrostjo (hitrost prenosa) 115200 bitov na sekundo, potem to pomeni, da se v eni sekundi izklopi in izklopi le 1,15,200. Tako lahko svojo napravo zelo dobro uporabimo tudi za komunikacijo z visoko hitrostjo prenosa podatkov.
Testiranje vašega logičnega pretvornika
Za preizkus vezja so potrebne naslednje komponente in orodja -
- Napajanje z dvema različnima napetostnima izhodoma.
- Dva multimetra.
- Dva otipna stikala.
- Nekaj žic za povezavo.
Shema je spremenjena za preizkus vezja.
V zgornji shemi sta predstavljeni dve dodatni tipalni stikali. Za preverjanje logičnega prehoda je pritrjen tudi multimeter. S pritiskom na SW1 spodnja stran MOSFET-a spremeni svoje stanje iz visokega v nizko in pretvornik logične ravni deluje kot pretvornik nizke napetosti v visokonapetostni nivo.
Po drugi strani pa s pritiskom na SW2 visoka stran MOSFET-a spremeni svoje stanje iz visokega v nizko in pretvornik logičnega nivoja deluje kot pretvornik logičnega nivoja v visoko napetost v nizko napetost.
Vezje je zgrajeno v tabli in preizkušeno.
Zgornja slika prikazuje logično stanje na obeh straneh MOSFET-a. Oba sta v stanju Logic 1.
Celoten delujoči video si lahko ogledate v spodnjem videu.
Omejitve pretvornika nivojev logike
Vezje ima vsekakor nekatere omejitve. Omejitve so zelo odvisne od izbire MOSFET-a. V tem vezju je mogoče uporabiti največjo napetost in odtočni tok, odvisno od specifikacije MOSFET-a. Minimalna logična napetost je tudi 1,8 V. Manj kot 1,8 V logična napetost ne bo delovala pravilno zaradi Vgs-ove omejitve MOSFET-a. Za nižjo napetost od 1,8 V lahko uporabimo namenske pretvornike logičnega nivoja.
Pomen in aplikacije
Kot je razloženo v uvodnem delu, je nezdružljiva napetost v digitalni elektroniki problem za povezovanje in prenos podatkov. Zato je za premagovanje napak, povezanih z nivojem napetosti v vezju, potreben pretvornik nivoja ali preklopnik nivoja.
Zaradi razpoložljivosti širokopasovnih vezij logičnega nivoja na trgu elektronike in tudi različnih mikrokrmilnikov napetostnega nivoja ima preklopnik logičnega nivoja neverjeten primer uporabe. Številne zunanje naprave in starejše naprave, ki delujejo na osnovi I2C, UART ali zvočnega kodeka, potrebujejo pretvornike ravni za komunikacijo z mikrokrmilnikom.
IC-ji pretvornika priljubljenih logičnih nivojev
Obstaja veliko proizvajalcev, ki ponujajo integrirane rešitve za pretvorbo logične ravni. Eden izmed priljubljenih IC je MAX232. Je eden najpogostejših pretvornikov logičnega nivoja IC, ki pretvori logično napetost mikrokrmilnika 5V v 12V. Vrata RS232 se uporabljajo za komunikacijo med računalniki z mikrokrmilnikom in potrebujejo +/- 12V. Za povezavo mikrokrmilnika z računalnikom smo že uporabljali MAX232 s PIC in nekaj drugimi mikrokrmilniki.
Obstajajo tudi različne zahteve, odvisno od pretvorbe zelo nizke napetosti, hitrosti pretvorbe, prostora, stroškov itd.
SN74AX je tudi priljubljena serija dvosmernih pretvornikov napetosti podjetja Texas Instruments. V tem segmentu je veliko IC-jev, ki ponujajo en bitni do 4-bitni prehod napajalnega vodila, skupaj z dodatnimi funkcijami.
Še en priljubljen dvosmerni logični pretvornik IC je MAX3394E podjetja Maxim Integrated. Uporablja isto topologijo pretvorbe z uporabo MOSFET-a. Shemo pinov lahko vidite na spodnji sliki. Pretvornik podpira ločen vklopni zatič, ki ga je mogoče krmiliti z mikrokrmilniki, kar je dodana funkcija.
Zgornja notranja konstrukcija prikazuje isto topologijo MOSFET, vendar s konfiguracijo P-kanala. Ima veliko dodatnih funkcij, kot je zaščita pred ESD 15 kV na I / O in VCC linijah. Tipično shemo si lahko ogledate na spodnji sliki.
Zgornja shema prikazuje vezje, ki pretvori logično raven 1,8 V v logično raven 3,3 V in obratno. Sistemski krmilnik, ki je lahko katera koli mikrokrmilna enota, prav tako nadzoruje zatič EN.
Gre torej za dvosmerno vezje za pretvorbo logičnega nivoja in njegovo delovanje.