דוּ

עוד בעידן ENIAC מחשבים היו בעלי אופי אנלוגי יותר והשתמשו במעט מאוד מכשירי IC דיגיטליים. כיום מחשב ממוצע של ג'ו עובד עם רמות מתח מרובות, אנשים שראו את ה- SMPS של המעבד היו מבחינים שהמחשב שלך דורש ± 12 וולט, + 5 וולט ו -3.3 וולט כדי להפעיל אותו. רמות מתח אלו חשובות מאוד למחשב; מתח ספציפי קובע את מצב האות (גבוה או נמוך). מצב גבוה זה מתקבל על ידי המחשב כבינארי 1 והמצב הנמוך כבינארי 0. בהתאם לתנאי 0 ו- 1 המחשב מייצר נתונים, קודים והוראות לקבלת פלט נדרש.

רמות מתח ההיגיון המודרניות משתנות במידה רבה בין 1.8 וולט ל -5 וולט. המתחים הלוגיים הסטנדרטיים הם 5V, 3.3V, 1.8V וכו '. אבל, איך מערכת או בקר שעובדים עם רמת לוגיקה 5V (דוגמה Arduino) מתקשרים עם מערכת אחרת שעובדת עם 3.3V (דוגמה ESP8266) או כל מתח אחר אחר רָמָה? תרחיש זה מתרחש לעיתים קרובות בעיצובים רבים, כאשר ישנם מספר בקרי מיקרו או משתמשים בחיישנים והפתרון כאן הוא להשתמש בממיר רמות לוגיקה או ברמת משמרת לוגית. במאמר זה נלמד עוד על ממירי רמה לוגית ונבנה גם מעגל ממיר רמה לוגית דו כיווני פשוט באמצעות MOSFET אשר יהיה שימושי לעיצוב המעגלים שלך.

מתח כניסה ברמה גבוהה ונמוכה

עם זאת, מהמעבד או מהצד המיקרו-בקר, ערך רמת המתח ההגיוני אינו קבוע; יש לזה סובלנות כלשהי. לדוגמא, הלוגיקה הגבוהה המקובלת (לוגיקה 1) עבור מיקרו-בקרים ברמת ההיגיון היא מינימום 2.0 וולט (מתח כניסה מינימלי ברמה גבוהה) למקסימום של 5.1 וולט (מתח כניסה מרבי ברמה גבוהה). באופן דומה, עבור לוגיקה נמוכה (לוגיקה 0) ערך המתח המקובל הוא מ- 0V (מתח כניסה מינימלי ברמה נמוכה) למקסימום של 8 וולט (מתח כניסה מקסימאלי ברמה נמוכה).

הדוגמה לעיל נכונה לגבי מיקרו-בקרים ברמת לוגיקה 5V אך ניתן גם לקבל מיקרו-בקרים ברמת לוגיקה של 3.3 וולט ו -1.8 וולט. בסוג כזה של מיקרו-בקרים, טווח המתח ברמת ההיגיון ישתנה. תוכלו לקבל את המידע הרלוונטי מגליון הנתונים של IC הבקר המסוים. בעת שימוש בממיר רמת מתח, יש לשים לב שערך המתח הגבוה וערך המתח הנמוך הם בגבול הפרמטרים הללו.

ממיר לוגיקה דו כיווני

בהתאם ליישום וביצוע טכני, שני סוגים של מסיטי רמה זמינים, ממיר רמה לוגי חד-כיווני ו דו כווני ממיר רמה לוגי. בממירים ברמה חד כיוונית, סיכות קלט מוקדשות לתחום מתח אחד וסיכות המוצא מוקדשות לתחום המתח האחר, אך אין זה המקרה לממירים ברמה דו כיוונית, הוא יכול להמיר אותות לוגיים בשני הכיוונים. עבור ממירי הרמה הדו-כיווניים, לכל תחום מתח יש לא רק סיכות קלט אלא גם סיכת יציאה. לדוגמא אם אתה מספק 5.5V לצד הקלט הוא ימיר אותו ל- 3.3V בצד הפלט, באופן דומה אם אתה מספק 3.3V לצד הפלט, הוא ימיר אותו ל- 5V בצד הקלט.

במדריך זה, נוכל לבנות ממיר ברמה דו כיווני פשוט אבדוק אותו מהגבוה המרה נמוכה ו מהנמוך ההמרה גבוהה.

ממיר רמת לוגיקה דו-כיווני פשוט

מעגל ממיר לוגי דו-כיווני פשוט מוצג בתמונה למטה.

המעגל משתמש ב- MOSFET בערוץ n כדי להמיר את רמת ההיגיון במתח נמוך לרמת לוגיקה במתח גבוה. ממיר רמת לוגיקה פשוט יכול להיבנות גם באמצעות מחיצות מתח התנגדות אך הוא יכניס אובדן מתח. ממירי רמה לוגית מבוססי MOSFET או טרנזיסטור הם מקצועיים, אמינים ובטוחים יותר לשילוב.

המעגל משתמש גם בשני רכיבים נוספים, R1 ו- R2. אלה נגדי משיכה. בגלל ספירת החלקים הנמוכה ביותר, זהו גם פתרון חסכוני. בהתאם למעגל הנ"ל, ייבנה ממיר לוגיקה דו-כיווני פשוט של 3.3 וולט עד 5 וולט.

ממיר ברמה 5V ל -3.3 V באמצעות MOSFET

5V ל 3.3V דו כווני ממיר רמת ההיגיון מעגל שניתן לראות בתמונה למטה -

כפי שניתן לראות עלינו לספק מתח קבוע של 5V ו- 3.3V לנגדים R1 ו- R2. הפינים Low_side_Logic_Input ו- High_Side_Logic_Input יכולים לשמש להחלפה כסיכות קלט ופלט.

הרכיבים המשמשים במעגל הנ"ל הם

R1 - 4.7k

R2 - 4.7k

Q1 - BS170 (ערוץ N MOSFET).

שני הנגדים הם 1 סובלניים. נגדים עם סובלנות של 5% יעבדו גם כן. את הפינים של BS170 MOSFET ניתן לראות בתמונה למטה שנמצאת בסדר ניקוז, שער ומקור.

בניית המעגל מורכבת משני נגדים למשוך למעלה 4.7k כל אחד. ניקוז וסיכת המקור של MOSFET נמשכים עד לרמת המתח הרצויה (במקרה זה 5V ו- 3.3V) להמרה לוגית נמוכה לגבוהה או גבוהה. אתה יכול גם להשתמש בכל ערך שבין 1k ל 10k עבור R1 ו- R2 מכיוון שהם פועלים כנגדי משיכה בלבד.

למצב העבודה המושלם, ישנם שני תנאים שיש לעמוד בהם בעת בניית המעגל. התנאי הראשון הוא שמתח ההיגיון ברמה הנמוכה (3.3V במקרה זה) מחייב להיות מחובר למקור ה- MOSFET ויש לחבר את מתח הלוגיקה ברמה הגבוהה (5V במקרה זה) לסיכת הניקוז של ה- MOSFET. התנאי השני הוא שצריך לחבר את השער של ה- MOSFET לאספקת המתח הנמוכה (3.3V במקרה זה).

סימולציה של ממיר רמות לוגיות דו-כיווניות

ניתן להבין את העבודה המלאה של מעגל הסטת הלוגיקה באמצעות תוצאות סימולציה. כפי שניתן לראות בתמונת ה- GIF למטה, במהלך המרה לוגית ברמה גבוהה לרמה נמוכה סיכת הקלט של ההיגיון עוברת בין 5 וולט ל 0 וולט (קרקע) ופלט ההיגיון מתקבל כ -3.3 וולט ו -0 וולט.

באופן דומה במהלך המרה ברמה נמוכה לרמה גבוהה קלט הלוגיקה הוא בין 3.3 וולט ל 0 וולט מומר לפלט לוגי של 5 וולט ו 0 וולט כפי שמוצג בתמונת ה- GIF שלמטה.

מעגל ממיר ברמת ההיגיון עובד

לאחר מילוי שני התנאים הללו, המעגל פועל בשלוש מצבים. המדינות מתוארות להלן.

1. כאשר הצד הנמוך נמצא בלוגיקה 1 או במצב גבוה (3.3V).
2. כאשר הצד הנמוך נמצא בהיגיון 0 או במצב נמוך (0V).
3. כאשר הצד הגבוה משנה את המצב מ -1 ל 0 או גבוה לנמוך (5 V ל 0 V)

כאשר הצד הנמוך גבוה, כלומר מתח המקור של ה- MOSFET הוא 3.3V, ה- MOSFET אינו מתנהל עקב נקודת הסף Vgs של ה- MOSFET אינו מושג. בשלב זה השער של ה- MOSFET הוא 3.3V וגם מקור ה- MOSFET הוא 3.3V. לכן, Vgs הוא 0V. ה- MOSFET כבוי. לוגיקה 1 או מצב גבוה של קלט הצד הנמוך משקף בצד הניקוז של ה- MOSFET כפלט של 5 וולט דרך הנגד למשוך R2.

במצב זה, אם הצד הנמוך של ה- MOSFET משנה את מצבו מגבוה לנמוך, ה- MOSFET מתחיל להתנהל. המקור הוא בלוגיקה 0, ומכאן שגם הצד הגבוה הפך ל -0.

אלה מעל שני תנאים ממירים בהצלחה מצב לוגיקה במתח נמוך למצב לוגי במתח גבוה.

מצב עבודה נוסף הוא כאשר הצד הגבוה של ה- MOSFET משנה את מצבו מגבוה לנמוך. זה הזמן בו דיודת מצע הניקוז מתחילה להתנהל. הצד הנמוך של MOSFET מושך מטה לרמת מתח נמוכה עד שה- Vgs חוצה את נקודת הסף. קו האוטובוסים של קטע מתח נמוך וגם מתח גבוה הפך נמוך באותה רמת מתח.

מהירות החלפה של הממיר

פרמטר חשוב נוסף שיש לקחת בחשבון בעת ​​תכנון ממיר רמת לוגיקה הוא מהירות המעבר. מכיוון שרוב ממירי הלוגיקה ישמשו בין אוטובוסים לתקשורת כמו USART, I2C וכו ', חשוב שממיר הלוגיקה יעבור מספיק מהר (מהירות מעבר) כדי להתאים את קצב השידור של קווי התקשורת.

מהירות המעבר זהה למהירות המעבר של ה- MOSFET. מכאן שבמקרה שלנו על פי גליון הנתונים של BS170, זמן ההפעלה של ה- MOSFET וזמן הכיבוי של ה- MOSFET נקבע להלן. לפיכך חשוב לבחור את ה- MOSFET המתאים לעיצוב הממיר ברמת ההיגיון שלך.

אז MOSFET שלנו כאן דורש להפעיל 10 nS ו- 10 nS לכבות, כלומר הוא יכול להדליק ולכבות 10,00,000 פעמים בשנייה אחת. בהנחה שקו התקשורת שלנו פועל במהירות (קצב שידור) 115200 סיביות לשנייה, פירוש הדבר שהוא מכבה ומכבה רק 1,15,200 בשנייה אחת. כך שנוכל מאוד להשתמש במכשיר שלנו גם לתקשורת בקצב שידור גבוה.

בודק את ממיר הלוגיקה שלך

הרכיבים והכלים הבאים נדרשים לבדיקת המעגל -

1. ספק כוח עם שני תפוקות מתח שונות.
2. שני מולטימטר.
3. שני מתגי מישוש.
4. מעט חוטים לחיבור.

התרשים משתנה לבדיקת המעגל.

בתרשים הנ"ל מוצגים שני מתגי מישוש נוספים. כמו כן, מחובר מולטימטר לבדיקת המעבר ההגיוני. על ידי לחיצה על SW1, הצד הנמוך של ה- MOSFET משנה את מצבו מגבוה לנמוך וממיר רמת הלוגיקה פועל כממיר מתח לוגי מתח גבוה למתח גבוה.

מצד שני, על ידי לחיצה על SW2, הצד הגבוה של ה- MOSFET משנה את מצבו מגבוה לנמוך וממיר רמת ההיגיון עובד כממיר רמת לוגיקה במתח גבוה.

המעגל בנוי על קרש לחם ונבדק.

התמונה לעיל מציגה את מצב ההיגיון משני צידי ה- MOSFET. שניהם במצב לוגיקה 1.

את סרטון העבודה המלא ניתן לראות בסרטון הבא.

מגבלות של ממיר רמת לוגיקה

למעגל בהחלט יש כמה מגבלות. המגבלות תלויות מאוד בבחירת ה- MOSFET. ניתן להשתמש במתח המרבי ובזרם הניקוז במעגל זה תלוי במפרט ה- MOSFET. כמו כן, המתח הלוגי המינימלי הוא 1.8 וולט. מתח לוגי של פחות מ- 1.8 וולט לא יעבוד כראוי בגלל מגבלת ה- Vgs של ה- MOSFET. למתח נמוך מ- 1.8 וולט, ניתן להשתמש בממירי רמה לוגית ייעודיים.

חשיבות ויישומים

כפי שנדון בחלק המקדים, רמת מתח בלתי תואמת באלקטרוניקה דיגיטלית מהווה בעיה לממשק והעברת נתונים. לכן, נדרש ממיר רמה או מעביר מפלס כדי להתגבר על השגיאות הקשורות לרמת המתח במעגלים.

בגלל הזמינות של מעגלי רמה לוגית רחבים בשוק האלקטרוניקה וגם עבור בקרי המיקרו השונים ברמת המתח, למעבד רמת ההיגיון יש מקרה שימוש מדהים. מספר ציוד היקפי ומכשירים מדור קודם שעובדים על בסיס קוד I2C, UART או אודיו, זקוקים לממירים ברמה למטרות תקשורת עם מיקרו-בקר.

ICs ממירים ברמה לוגית פופולרית

יש הרבה יצרנים המספקים פתרונות משולבים להמרה ברמת ההיגיון. אחד מה- IC הפופולרי הוא MAX232. זהו אחד ממירי רמת ההיגיון הנפוצים ביותר אשר ממיר מתח לוגי מיקרו-בקר 5V ל- 12V. יציאת RS232 משמשת לתקשורת בין מחשבים עם מיקרו-בקר ודורשת +/- 12 וולט. השתמשנו כבר ב- MAX232 עם PIC ומעט מיקרו-בקרים אחרים כדי לממשק מיקרו-בקר עם המחשב.

קיימות דרישות שונות בהתאם גם להמרה ברמת מתח נמוכה מאוד, מהירות המרה, שטח, עלות וכו '.

SN74AX היא גם סדרה פופולרית של ממיר רמת מתח דו-כיווני על ידי Texas Instruments. יש הרבה ICs בפלח זה המציע מעבר אספקת אוטובוס בודד ל -4 ביט יחד עם תכונות נוספות.

ממיר IC לוגי דו-כיווני פופולרי נוסף הוא MAX3394E מבית Maxim Integrated. הוא משתמש באותה טופולוגיית המרה באמצעות MOSFET. את תרשים הסיכה ניתן לראות בתמונה למטה. הממיר תומך בסיכת הפעלה נפרדת הניתנת לשליטה באמצעות מיקרו-בקרים שהיא תכונה נוספת.

הבנייה הפנימית שלעיל מציגה את אותה טופולוגיית MOSFET אך עם תצורת ערוץ P. יש לו הרבה תכונות נוספות שנוספו כגון הגנה על 15kV ESD בקווי קלט / פלט ו- VCC. ניתן לראות את הסכמה האופיינית בתמונה למטה.

התרשים הנ"ל מראה מעגל הממיר את רמת ההיגיון של 1.8 וולט לרמת לוגיקה של 3.3 וולט ולהיפך. בקר מערכת שיכול להיות כל יחידת מיקרו-בקר הוא גם שולט על סיכת ה- EN.

אז זה הכל על מעגל המרת רמת ההיגיון הדו כיווני ועבודה.