Вимірювання частоти сигналу вище 5 В за допомогою мікроконтролера

Я хочу виміряти частоту (до 300 Гц) прямокутного сигналу, яка варіюється між 0 В і Vtop, де Vtop є чим-небудь між 5 В і 15 В. Оскільки я не можу застосувати більше 5 В до мікроконтролера ( PIC16F1827 ), мені потрібно якось обмежити напругу.

Першою моєю ідеєю було використовувати дільник напруги. Але тоді вхідний сигнал 5В був би низьким.

Другий підхід - це використання підсилювача ( TS914 ). Коли я живлю його на 5V, вихід не перевищує 5V. У мене вже є цей підсилювач в моєму дизайні, щоб фільтрувати ще одне вимірювання напруги. Але коли я дивлюся в аркуш, він говорить (у розділі "Абсолютний максимальний рейтинг"):

Величина вхідних і вихідних напруг ніколи не повинна перевищувати VCC + + 0,3V.

Чи варто додати ще один операційний підсилювач, наприклад LM324 ? Лист даних (Вхідний діапазон напруги в загальному режимі (Примітка 10)):

Вхідна загальна мода напруги будь-якої напруги вхідного сигналу не повинна допускати негативного виходу більш ніж на 0,3 В (при 25 ° C). Верхній кінець діапазону напруги загального режиму становить V + - 1,5 В (при 25 ° C), але один або обидва входи можуть переходити до + 32 В без пошкоджень (+ 26 В для LM2902), незалежно від величини V +.

Так LM324 не пошкодився б, але чи буде він працювати в моїй конструкції (виводить сигнал 5В прямокутника)?

Остання ідея, яку я мав, - це використання стабілітронів. Це працювало б?

Що б ви зробили для вирішення цієї проблеми? Чи є ще одна можливість, про яку я не думав?

Узагальнене рішення:

• Один транзистор і 3 резистори приймуть сигнал 0В \ "5В і більше" і дадуть вихід 5В / 0В. При прикладному значенні резистора навантаження на сигнал становить приблизно 80 мкА при 5 В і 250 мкА при 15 В. Це може бути зменшено, щоб сказати 8 uA / 25 uA за бажанням, і навіть нижче, якщо необхідно. (Більша версія діаграми нижче).

• Резистор 390 Ом і стабілізатор 4V7 виконають те, що ви хочете, за умови, що ви можете переносити навантаження на вхідний струм 25 мА.

• Використання підсилювача дозволяє дещо кращі результати, але рішення одного транзистора повинно бути цілком адекватним.

• НІКОЛИ не дозволяйте затискаючому / захисному діоду ІС проводити струм під час нормальної роботи. Ви запрошуєте ненадійність та несподівану та, можливо, непомітну роботу протягом усіх днів життя вашого продукту. Виконання цього під час нормальної роботи завжди порушує умови даних.

  • Ви МОЖЕТЕ піти з afew uA або навіть декількома 10-ти uA, і ви можете подумати, що ви уникли, використовуючи їх, щоб перевезти 100-уд. КОЖНА програма, яка використовує захисні діоди, щоб перенести більше половини струму струму при нормальній роботі, порушує специфікації опису та запрошує Мерфі на обід.
    Результати непередбачувані.
    Жоден професійний дизайн не зробив би цього .
    Примітки додатків, які рекомендують це, як правило, непрофесійні.
    Дивіться розділ наприкінці цієї відповіді.

Одномісний транзисторний розчин:

Вхід відображається як 5-15 В, але все, що вище 4В, буде працювати.
Коли vin = 4V Vbase = R2 / (R1 + r2) x 4V = 0.6V.
Це умовно адекватно, але в 5В у вас є більш ніж достатньо приводу.

Показані значення R1 та R2 є пропозиціями.
Значення, наприклад 100 к і 560 к, можна використати, якщо було б застосовано транзистор R3 та високий бета-версію.

Вихідні дані зворотні. тобто Vout є низьким, коли Він високий.

R3 може бути 10k або що завгодно.

Q1 для задоволення. Я б використовував еквівалент BC337 або SMD (BC817?)

Якщо потрібен дуже низький вхідний струм, R1 і R2 можна дуже обережно збільшити. наприклад, при R1 = 1 мегаом, вхідний струм становить близько 15 мкА при 15 В і 5 мкА при 5 В. Якщо транзистор Q1 має коефіцієнт підсилення струму 100 (дуже безпечно, наприклад, BC337-40), то Icollector = 500 мкА, тому для 5В гойдалки R3> = 10k, скажімо, 22k вгору добре.

Надзвичайно цінний факт, який потрібно знати про резистивні роздільники !!!

Мало оцінений факт полягає в тому, що співвідношення між двома значеннями резистора N розташовується одна від одної за стандартною шкалою резистора - приблизно.
Це неявно у виборі значень шкали.
Значення резистора Е12 є

1
1,2
1,5
1,8
2,2
2,7
3,3
3,9
4,7
5,6
6,8
8,2
(10, 12, 15 ...)

12 значень, а потім серія повторює шкалу в 10 разів вище.

Отже - значення 56k та 10k, які я показав для R2 та R1, - це 8 значень. тобто почніть з значення 1 вище і налічіть 9 місць, і ви отримаєте 5,6
КОЖНІ два значення 9 один від одного мають однакове співвідношення (в межах допуску шкали) і можуть використовуватися для формування приблизно еквівалентного дільника.
наприклад, будь-який з 56k / 10k, 68k / 12k, 82k / 15k 100k / 18k тощо

Ценеровий діод + резистор буде робити те, що ви хочете, доки прийнятне навантаження на вхідну схему. Якщо ви хочете зменшити навантаження, тоді дизайн на основі оппаму був би кращим.

На сторінці 350 аркуша даних він дає високі та низькі рівні вхідної напруги. Який рівень підходить, залежить від того, який вхідний штифт ви використовуєте, але найбезпечніше значення> = 0,8 x Vdd або при Vdd = 5V, Vinhi> = 4V.
Даний аркуш також зазначає, що Він не повинен бути більшим за VDD + 0,3 В АБСОЛЮТНИЙ МАКСИМАЛЬНИЙ (навіть якщо він працює неправильно), і на практиці все, що перевищує Vdd, було б ризиковано.

УВАГА:

Рекомендація Curd використовувати діодний затискач для Vdd є звичайною практикою, але дуже ризикованою, оскільки ВИМОГО буде вводити струм в ІМС в місцях, непередбачених виробником під час нормальної роботи. Результати будуть різними і будуть непередбачуваними. Використання Шоткі, а не діод кремнію робить це менш ризикованим, але все-таки не рекомендується, і це порушує навіть абсолютні максимальні характеристики виробника.

Фіксатор:

Цього простого контуру цілком може бути достатньо.

Важливо - забезпечити, щоб Vout завжди відповідав вашим характеристикам. Багато людей використовують стаціонарний діод xx Вольт і припускають, що вони отримають XX вольт. При малих струмах це часто далеко не відповідає дійсності. На кривих нижче показано напруга стабілітрону зі струмом для типових зернів. Зауважте, що для виходу 4В7 зенера потрібно близько 1 мА струму, щоб перевести його на висоту вище 4В. Якщо ми розраховуємо мінімум на 2 мА, все повинно бути добре. Це дає, можливо, несподіваний результат.
5 В дюйм i = 2 мА. Взенер очікуваний = 4V2.
R = (5В - 4,2) /0,002 А = 0,8 / 0,002 = 400 Ом.
Скажіть 390 Ом = стандартне значення резистора E12.

На 15 В ми очікуємо, що струм буде ПРО (15-5) / 400 = 25 мА.

25 мА може бути більше, ніж ви хочете дозволити.

Нижчий діапазон Vin дозволить знизити діапазон Imin-Imax, а Vin min на кілька вольт вище 5 В також сильно допоможе.

Потужність в резисторі = V x I = (15-5) x 25 мА = 250 мВт = резистор 500 мВт.

Криві напруги зенера V02 x2.jpg

Приклад статевої таблиці

ЗАХИСТОВІ ДІОДИ:

Багато людей не знають або просто ігнорують відмінність таблиці даних між "абсолютним максимумом" та рекомендованими умовами експлуатації.

Абсолютні максимальні показники - це ті, які пристрій гарантовано виживе без пошкоджень. Правильна робота не гарантується.

Відповідна PIC дозволяє Vdd + 0,3V на своїх штифтах як абсолютний максимальний рейтинг. Експлуатація не гарантується під час цієї умови.

Більшість аркушів даних чітко вказують, що під час нормальної роботи вхідні напруги не повинні перевищувати заземлення до Vdd. Цей аркуш може бути, а може, і не перетворюватися на кілька сотень сторінок. Це все одно неправильно робити.

Багато людей вважають, що стурбованість захисними діодними струмами безпідставна. Лише деякі з них керували тим днем, як вони так подумали, і більшість, мабуть, дожили, щоб керувати цим чи ні :-).

Зауважте, що в (примітці) програми Atmel тут використовується резистор 1 мегаом (підключений до мережі змінного струму!), А тут додаток Microchip - рис. 10-1 10-2, принаймні, має милість сказати "... струм через діоди затискача повинні бути невеликими (в діапазоні мікро підсилювачів). Якщо струм через затискаючі діоди стає занадто великим, тоді ви ризикуєте запхнути частину ". Атмелі сотні сот НЕ НЕ "в діапазоні мікроампа".

Але защелка - це найменша з ваших проблем. Якщо ви зачепите деталь (дія SCR, викликана струмами в підкладку ІС), ІС часто перетворюється на куріння, і ви розумієте, що щось може бути не так.

Проблема з діодними струмами тіла полягає в тому, що ви НЕ отримуєте негайної руїни для куріння. Що відбувається, так що ІК ніколи не був розроблений, щоб приймати струм між вхідним штифтом і підкладкою - на шарі шару, на який покладено ІМС. Коли Ви піднімаєте Vin> Vdd, струм ефектове витікає з ICV належним чином у фантомну фею, що про iC не відомо, і що дизайнер цього не робив і, як правило, не може розробити. Опинившись там, у вас є невеликі потенціали, які зазвичай ніколи не існують, і струм може перетікати назад в суміжні режими ланцюга, не зовсім сусідніх вузлів або навіть у місця, розташовані на відстані, залежно від того, наскільки великі струми та які напруги встановлені. Причину, яку це важко записати та усунути, це те, що вона абсолютно не призначена і по суті не визначна. Одним з ефектів є введення струмів у плаваючі вузли, які не мають формального вихідного шляху. Це може діяти як ворота для БНТ - формальних або випадкових, які налаштовують або вимикають напіввипадкові частини ланцюга. Які частини? Коли? Як часто? Як довго? Як важко? Відповідь - хто може сказати / ніхто не може сказати - це непризначено, що не можна визначити.

З: Чи насправді це відбувається? A: О так! Q: Я бачив, як це сталося? Відповідь: Так.

Я розпочав те, що зараз виявився хрестовим походом за 1 і більше десятиліть, щоб зрозуміти це людям (навіть якщо я мав це добре знати) після того, як його дуже сильно вкусив.
У мене був відносно простий асинхронний послідовний ланцюг, який не викликав у мене суперечок. Функціонування процесора було переривчастим або напіввипадковим. Код несправний іноді, а не в інші рази. Ніщо не було стабільним. Проблема? Провідність діодного тіла, звичайно. Я скопіював просту схему із записки про додаток із продуктом, і ми вирушили.

Якщо ви зробите це без належної обережності, це БУДЕ вас кусати.
Якщо ви робите це з обережністю та інтелектом та дизайном, це може вас не вкусити. Але може.
Це схоже на те, щоб перетягнути центральну лінію в постійний рух, щоб обігнати - робиться обережно і не надто часто, і залишаючи те, що може бути достатньо хорошим націнки, ви зазвичай не помрете. Якщо ви це зробите, ви, мабуть, не здивуєтесь :-). Так і з діодною провідністю тіла. "Діапазон мікросхем" мікросхем може бути нормальним. 1 мегаом від мережі Атмель - аварія, яка очікує на себе.

Просто використовуйте інвертор, виготовлений з одного транзистора та пари резисторів. Оскільки ви вимірюєте частоту, неважливо, сигнал перевернутий чи ні - частота однакова. Ви можете використовувати "цифровий транзистор", який має резистори всередині, або ви можете використовувати майже будь-який звичайний транзистор і додати базовий резистор (10 К або більше) зовні (той, що знаходиться між базою та випромінювачем, не є обов'язковим, але ви можете додати його також) . Я використовував цю схему для перетворення напруги від 25Втоп до 5Втоп для вимірювання частоти ліній змінного струму.

Найпростіший спосіб - затиснути вхідний сигнал на Vcc (+ 5V):

Значення резистора не є критичним, але воно не повинно бути занадто малим; може бути в межах 10-100 кОм.

Якщо ви дуже вимогливі до вимоги Vcc + 0,3V, вам слід скористатися діодом Шоткі; але я думаю, що ваш µC не буде завданий шкоди, якщо ви використовуєте звичайний 1N4148.

EDIT:
Щоб підтримати мою думку, що використовувати ці схеми цілком економимо (на відміну від занепокоєнь, зазначених у коментарях), дивіться наступні публікації на цю тему; в основному від виробників ІС:

Мікрочіп:

глава 8.pdf , Порада № 10, Рисунки 10-1 та 10-2

Багато виробників захищають свої штифти вводу / виводу від перевищення максимально допустимих показників напруги за допомогою затискаючих діодів. Ці затискаючі діоди утримують від штифта більше, ніж падіння діода нижче VSS і падіння діода вище VDD. Щоб використовувати затискаючий діод для захисту входу, вам все одно потрібно подивитися на струм через затискаючий діод. Струм через діоди затискача повинен залишатися невеликим (в діапазоні мікроампер). Якщо струм через затискаючі діоди стає занадто великим, тоді ви ризикуєте запхнути деталь.

Atmel:

doc2508.pdf , малюнок 1

Для захисту пристрою від напруг вище VCC та нижче GND, AVR має внутрішні затискаючі діоди на штифтах вводу / виводу (див. Малюнок 1). Діоди підключені від штифтів до VCC та GND і утримують всі вхідні сигнали в межах робочої напруги AVR (див. Рис. 2). Будь-яка напруга, що перевищує VCC + 0,5 V, буде примушена до VCC + 0,5V (0,5V - падіння напруги над діодом), а будь-яка напруга нижче GND - 0,5V буде вимушена до GND - 0,5V.
Додаючи послідовно великий резистор, ці діоди можна використовувати для перетворення сигналу синуса високої напруги до сигналу квадратної хвилі низької напруги з амплітудою в межах робочої напруги AVR ± 0,5 В. Таким чином, діоди будуть затискати сигнал високої напруги до робочої напруги AVR.

Техаські інструменти

slya014a.pdf "3.7 схеми зовнішнього захисту", рис. 13

Зазвичай не виникає труднощів у виборі відповідного резистора для вхідного контуру. Зазвичай значення резисторів від 1 кОм до 10 кОм є відповідними. На практиці зазвичай доцільно використовувати лише резистор високої вартості, без додаткових діодів.

і навіть для аналогових ІС пропонує
аналогові пристрої

Перенапруга EDch 11 та emi.pdf

Для тих підсилювачів, де зовнішній захист очевидно необхідний як від зловживання перенапругою, так і від реверсування вихідної фази, загальною методикою є використання послідовного опору, Rs, обмеження струму несправності та діодів Шоткі для затискання вхідного сигналу на джерелах живлення, як показано на Малюнок 11.7. Опір зовнішнього вхідного ряду, Rs, надаватиметься виробником підсилювача або визначається емпірично користувачем методом, раніше показаним на рисунку 11.2 та рівняння. 11.1. Частіше значення цього резистора забезпечить достатній захист від зміни фази вихідної напруги, а також обмеження струму несправності через діоди Шоткі.

Максим

Захист від перенапруги (OVP) для чутливих додатків підсилювача

Основним галузевим правилом є вибір RLIMIT, щоб через вхід ІС не протікало більше 5 мА.

Наостанок давайте подивимось, що
Горовіц / Хілл "Мистецтво електроніки" мають сказати на цю тему:

Вхід CMOS не проводить струму (...) для вхідних напруг між напругою землі та живлення. Для напруг, що перевищують діапазон живлення, вхід виглядає як пара затискаючих діодів до позитивного джерела живлення та заземлення. Моментні струми більше 10 мА через ці діоди - це все, що потрібно для введення багатьох пристроїв CMOS в засувку SCR (...; новіші конструкції витримують більш високі струми і, як правило, є стійкими або несприйнятливими до цієї хвороби; наприклад, HC і HCT сімей можна переводити на 1,5 В за напрямками живлення без несправності або пошкоджень).

EDIT2:
Я думаю, що настільки стурбований Рассел - це ефект зав'язки , що сучасні ІС набагато стійкіші, як і в перші дні. Можливо, це якось пояснює його "хрестовий похід 1+ років".

EDIT3:
Лист даних PIC16F1827 ("30.0 ЕЛЕКТРИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ") говорить про абсолютний максимальний показник для струму зажиму Ik 20mA. Це струм, який може пошкодити чіп. У примітці програми пропонується струм в діапазоні µA.

EDIT4
Я знайшов ще одну примітку програми Microchip, присвячену лише проблемі "Використання паразитних діодів ESD на мікроконтролерах змішаного сигналу" .

Каже, перенапруга (більше Vdd + 0,3V) може спричинити проблеми, якщо застосувати їх до штифтів, які можна використовувати як аналогові входи.

Перше рішення - запобігти появі перенапруг на штирях вводу / виводу мікроконтролера. Це можна зробити, додавши діоди Шоткі до VDD та від VSS на кожному штирі, який міг би бачити високу напругу. Це зафіксує напруги до VDD + 0,3V

... так само, як я запропонував спочатку.

У документі також зрозуміло, що неправда, що перенапруга, застосована до входу контролера Microchip, призводить до струмів в підкладку (як заявлено в коментарях). Це може статися лише при низькій напрузі (= нижче Vss; див. Пункт «Недостатність напруги»), що не є темою цього питання.

(Ці струми в підкладку не можуть відбуватися при перенапруженні та перенапруженні, тому що це залежить від легування субстрату. Це або p-, або n-леговане, не обидва одночасно)

Просто використовуйте дільник і неінвертуючий підсилювач, що працює на 5 В, принаймні 3-кратне посилення.

Отже, на 5 В у вас знову буде 5В вихід, а такий же на 15В, тому що це наситить. Можливо, краще використовувати рішення залізниця до залізниці, але це не зовсім необхідно, якщо ви хочете просто виявити краї.

Ви можете розглянути щось позаштатне, наприклад приймач RS232 або приймач. Більшість буде працювати з напругою до 25 В (оскільки специфікація RS232 становить +/- 25 В макс.) І деякі навіть більш високі напруги, плюс ви можете отримати такі зі 100% ізоляцією, щоб захистити ланцюг від замикання на землю та інших поганих електричних проблем.

Хоча RS232 передбачає +/- напруги, більшість сучасних мікросхем RS232 вважають трохи вище рівня землі порогом негативного сигналу, тому ваш вхід повинен працювати з ними. Причина, з якою це має працювати на мікросхемах RS232, полягає в тому, що багато вигідних виходів RS232 не виводять +/-, а натомість є позитивним сигналом або землею, тому сучасні чіпи RS232 повинні працювати з цими типами сигналів. Перевірте кожну таблицю даних на поріг.

Сигнали рівня логічного рівня, які ви виходите, будуть перевернуті, але це не повинно викликати занепокоєння, оскільки ви вимірюєте частоту.

+/- 50V Ізольований, 3,0 до 5,5 В, 250 кбіт / с, 2 Tx / 2 Rx, приймач RS-232: http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/3368

Різні інші чіпи RS232: http://www.maxim-ic.com/products/protection/esd/rs232.cfm

Ви, люди, які мають особливі проблеми з діодами корпусу або затискаючими діодами, мабуть, не мали достатньо великого конденсатора через джерело живлення, близький до ІМС.

Діод проводить маневровий струм до живлення +. Якщо немає достатньо великого конденсатора для поглинання цього, це спричинить проблеми. Це просто шина подачі. Тому що ви використовуєте неповторно невеликий конденсатор (0,1uF?)

Це не має нічого спільного з будь-якою загадковістю всередині кремнію.

Просто переконайтесь, що біля мікросхеми є пристойний ковпачок (10uF). Залежно від того, скільки струму ви проводите через діод / с корпусу.

10mA - це добре. Це діод.

Я не використовую зовнішні діоди захисту. Я використовую резистори 2k7. Ви можете підключити 12 вольт до входу 5В частини, жодних проблем. Не хвилюйтесь. Постарайтеся зрозуміти, що насправді відбувається, перш ніж почати говорити про плаваючі тварини та впорскування струмів у казкову землю.