Измерение частоты сигнала выше 5 В с помощью микроконтроллера

Я хочу измерить частоту (до 300 Гц) прямоугольного сигнала, которая варьируется между 0 В и Vtop, где Vtop - это что-то между 5 В и 15 В. Поскольку я не могу подать более 5 В на микроконтроллер ( PIC16F1827 ), мне нужно как-то ограничить напряжение.

Моей первой идеей было использовать делитель напряжения. Но тогда входной сигнал 5 В будет низким.

Второй подход - использование операционного усилителя ( TS914 ). Когда я включаю его на 5В, выход не будет превышать 5В. У меня уже есть этот операционный усилитель, чтобы отфильтровать другое измерение напряжения. Но когда я смотрю в таблице, он говорит (в разделе «Абсолютные максимальные оценки»):

Величина входных и выходных напряжений никогда не должна превышать VCC + + 0,3 В.

Должен ли я добавить еще один операционный усилитель, например LM324 ? Лист данных гласит (Диапазон входного синфазного напряжения (Примечание 10)):

Входное синфазное напряжение любого из входных сигналов не должно становиться отрицательным более чем на 0,3 В (при 25 ° C). Верхний предел диапазона синфазного напряжения составляет V + - 1,5 В (при 25 ° C), но один или оба входа могут перейти в + 32 В без повреждения (+ 26 В для LM2902), независимо от величины V +.

Таким образом, LM324 не будет поврежден, но сработает ли он в моем дизайне (вывод прямоугольного сигнала 5 В)?

Последняя идея, которая у меня была, это использование стабилитронов. Будет ли это работать?

Что бы вы сделали, чтобы решить эту проблему? Есть ли другая возможность, о которой я не думал?

Обобщенное решение:

• Один транзистор и 3 резистора будут принимать сигнал 0 В «5 В или более» и генерировать выход 5 В / 0 В. На примере значения резистора нагрузка по сигналу составляет около 80 мкА при 5 В и 250 мкА при 15 В. Это может быть уменьшено до 8 мкА / 25 мкА, если необходимо, и даже ниже, если необходимо. (Увеличенная версия диаграммы ниже).

• Резистор 390 Ом и стабилитрон 4 В7 будут делать то, что вы хотите, при условии, что вы можете выдержать нагрузку по входному току 25 мА.

• Использование операционного усилителя позволяет получить несколько лучшие результаты, но одно транзисторное решение должно быть полностью адекватным.

• НИКОГДА не допускайте, чтобы диод зажима / защиты микросхемы проводил ток во время нормальной работы. Вы приглашаете ненадежных и неожиданных и, возможно, невидимых операций на все дни жизни вашего продукта. Выполнение этого во время нормальной работы всегда нарушает условия таблицы.

  • Вы МОЖЕТЕ сойти с рук через несколько ua или даже за несколько десятков единиц ua, и вы можете ДУМАТЬ, что у вас не получилось использовать их для переноса сотен единиц ua. КАЖДОЕ приложение, которое использует защитные диоды для передачи более половины тока при нормальной работе, нарушает технические характеристики и приглашает Мерфи на обед.
    Результаты непредсказуемы.
    Никакой профессиональный дизайн не сделает этого .
    Примечания приложения, которые рекомендуют это, как правило, непрофессионально.
    Смотрите раздел в конце этого ответа.

Решение с одним транзистором:

Вход отображается как 5-15В, но все, что выше 4В, будет работать.
Когда vin = 4V, Vbase = R2 / (R1 + r2) x 4V = 0,6V.
Это вполне адекватно, но на 5В у вас более чем достаточно привода.

Показанные значения R1 и R2 являются предложениями.
Например, можно использовать значения, например, 100 кОм и 560 кОм, если использовать соответствующий транзистор с R3 и высокой бета-скоростью.

Выход обратен входному. т.е. Vout низкий, когда Vin высокий.

R3 может быть 10к или как угодно.

Q1, чтобы удовлетворить. Я бы использовал эквивалент BC337 или SMD (BC817?)

Если требуется очень низкий входной ток, R1 и R2 могут быть значительно увеличены с некоторой осторожностью. например, при R1 = 1 МОм, входной ток составляет около 15 мкА при 15 В и 5 мкА при 5 Вольт. Если транзистор Q1 имеет коэффициент усиления по току 100 (очень безопасно, например, для BC337-40), то Icollector = 500 мкА, поэтому при размахе 5 В R3> = 10 к, так что, скажем, 22 к вверх - это нормально.

Чрезвычайно ценный факт, чтобы знать о резистивных делителях !!!

Немного оцениваемый факт заключается в том, что соотношение между двумя значениями резистора N мест на стандартной шкале резисторов является примерно постоянным.
Это подразумевается в способе выбора значений шкалы.
Значения резистора E12

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 значений, а затем серия повторяет шкалу в 10 раз выше.

Итак, значения 56k и 10k, которые я показал для R2 и R1, составляют 8 значений. то есть начните с значения 1 выше и сосчитайте 9 мест, и вы получите 5.6
ЛЮБЫЕ два значения 9 друг от друга имеют одинаковое соотношение (в пределах допуска шкалы) и могут использоваться для формирования примерно эквивалентного делителя.
например, любой из 56k / 10k, 68k / 12k, 82k / 15k 100k / 18k и т. д.

Стабилитрон + резистор будут делать то, что вы хотите, до тех пор, пока нагрузка на входной цепи приемлема. Если вы хотите уменьшить нагрузку, тогда лучше использовать дизайн на основе операционных усилителей.

На странице 350 таблицы данных приведены высокие и низкие уровни входного напряжения. Какой уровень подходит, зависит от того, какой входной вывод вы используете, но самое безопасное значение:> = 0,8 x Vdd или при Vdd = 5V, Vinhi> = 4V.
В техническом описании также отмечается, что Vin не должен превышать Vdd + 0.3V ABSOLUTE MAXIMUM (даже если он работает неправильно), и на практике все, что связано с Vdd, будет рискованным.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ:

Рекомендация Творда по использованию диодного зажима для Vdd является обычной практикой, но очень рискованной, поскольку она будет вводить ток в ИС в местах, не предназначенных для изготовителя во время нормальной работы. Результаты будут разными и будут непредсказуемыми. Использование Shottky, а не кремниевого диода, делает это менее рискованным, но все же дурным тоном и нарушает даже абсолютные максимальные характеристики производителя.

Зажим Зенера:

Этой простой схемы вполне может хватить.

Важно убедиться, что Vout всегда соответствует вашим спецификациям. Многие люди используют стабилитрон xx вольт и предполагают, что они получат XX вольт. При малых токах это часто далеко от истины. Кривые ниже показывают напряжение стабилитрона с током для типичных стабилитронов. Обратите внимание, что стабилитрону 4V7 требуется ток около 1 мА, чтобы поднять его до уровня выше 4 В. Если мы проектируем минимум 2 мА, все должно быть хорошо. Это дает, возможно, неожиданный результат.
5 В. I = 2 мА. Ожидается Vzener = 4V2.
R = (5 В - 4,2) / 0,002 А = 0,8 / 0,002 = 400 Ом.
Скажите 390 Ом = стандартное значение резистора E12.

При 15 В мы ожидаем, что ток будет около (15-5) / 400 = 25 мА.

25 мА может быть больше, чем вы хотите разрешить.

Более низкий диапазон Vin позволит снизить диапазон Imin-Imax, а Vin min на несколько вольт выше 5 В также очень поможет.

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

Кривые напряжения тока стабилитрона V02 x2.jpg

Пример таблицы стабилитронов

ЗАЩИТНЫЕ ДИОДЫ:

Многие люди не знают или просто игнорируют различия в технических характеристиках между номиналами «Абсолютный максимум» и рекомендуемыми условиями эксплуатации.

Абсолютные максимальные рейтинги - это те, которым устройство гарантированно выживет без повреждений. Правильная работа не гарантируется.

Соответствующий PIC допускает Vdd + 0.3V на своих выводах в качестве абсолютного максимального значения. Работа не гарантируется во время этого условия.

В большинстве спецификаций четко указано, что при нормальной работе входные напряжения не должны превышать диапазон от земли до Vdd. Эта таблица данных может содержать или не отображать ее на нескольких сотнях страниц. Это все еще неправильно.

Многие люди думают, что опасения по поводу защитных токов диода беспочвенны. Только некоторые из них ругали день, когда они так думали, и большинство, вероятно, дожили до того, чтобы рутировать это или нет :-).

Обратите внимание, что в (злой) записке приложения Atmel здесь используется резистор 1 МОм (подключен к сети переменного тока!), А в примечании приложения Microchip - рис. 10-1, 10-2, по крайней мере, можно сказать "... зажимные диоды должны быть маленькими (в диапазоне микроампер). Если ток через зажимные диоды становится слишком большим, вы рискуете запереть деталь ". Atmels сотни UA не "в диапазоне микроампер".

НО защелки это наименьшая из твоих проблем. Если вы фиксируете деталь (действие SCR, вызванное токами в подложке ИС), ИС часто превращается в дымящиеся руины, и вы понимаете, что что-то может быть не так.

Проблема с токовыми диодными токами в том, что вы НЕ получаете немедленного курения. То, что происходит, - то, что IC никогда не была разработана, чтобы принять ток между входным контактом и основанием - слой, на который установлена ​​IC. Когда вы поднимаете Vin> Vdd, текущий эффект в целом вытекает из собственно ICV в призрачную сказочную страну, о которой iC не знает и которую разработчик не сделал и обычно не может разработать. Оказавшись там, вы получаете небольшие потенциалы, которые никогда не бывают там обычными, и ток может течь обратно в режимы соседних цепей, не совсем соседних узлов или даже в места на некотором расстоянии друг от друга, в зависимости от того, насколько велики токи и какие напряжения установлены. Причина, по которой это трудно описать и закрепить, заключается в том, что она полностью не разработана и, по сути, не подлежит разработке. Одним из эффектов является введение токов в плавающие узлы, которые не имеют формального выходного пути. Это может действовать как ворота для полевых транзисторов - формальных или случайных, которые включаются или выключаются в полуслучайных частях вашей цепи. Какие части? Когда? Как часто? Сколько? Как сложно? Ответ - кто может сказать / никто не может сказать - это не предназначено, не подлежит подписи.

Q: это на самом деле происходит? A: О да! Q: Я видел, как это случилось? A: Да.

Я начал то, что в настоящее время оказалось крестовым походом в течение 1 десятилетия, чтобы люди знали об этом (хотя я должен был это хорошо знать) после того, как его сильно укусили.
У меня была относительно простая асинхронная последовательная схема, которая не вызывала у меня конца борьбы. Работа процессора была прерывистой или полу случайной. Код неисправен иногда, а не в другой раз. Ничто не было стабильным. Проблема? Диодная проводимость кузова, конечно. Я скопировал простую схему из примечания по применению, поставляемого с продуктом, и мы поехали.

Если вы сделаете это без должной заботы, это укусит вас.
Если вы делаете это с осторожностью, умом и дизайном, это может вас не укусить. Но может.
Это похоже на перетягивание центральной линии в постоянное движение, чтобы обгонять - сделано с осторожностью и не слишком часто, и оставляя то, что может быть достаточно хорошим, вы не умрете. Если вы это сделаете, вы, вероятно, не будете удивлены :-). Так же и с диодной проводимостью корпуса. Микрочипы с «диапазоном микроампер» могут быть нормальными. Отключение сети Atmel на 1 МОм - это случайность, которая должна произойти.

Просто используйте инвертор, состоящий из одного транзистора и пары резисторов. Поскольку вы измеряете частоту, не имеет значения, инвертирован сигнал или нет - частота одинакова. Вы можете использовать «цифровой транзистор», который имеет резисторы внутри, или вы можете использовать практически любой обычный транзистор и добавить (10K или около того) базовый резистор снаружи (тот, который между базой и эмиттером, не является обязательным, но вы можете добавить его тоже) , Я использовал эту схему для преобразования напряжения от 25 В до 5 В для измерения частоты линии переменного тока.

Самый простой способ - зафиксировать входной сигнал на Vcc (+ 5 В):

Значение резистора не является критическим, но оно не должно быть слишком маленьким; возможно в диапазоне 10-100 кОм.

Если вы действительно требовательны к требованию Vcc + 0,3 В, вам следует использовать диод Шоттки; но я думаю, что ваш µC не пострадает, если вы используете обычный 1N4148.

РЕДАКТИРОВАТЬ:
Чтобы поддержать мое мнение, что использование этой схемы совершенно безопасно (в отличие от проблем, упомянутых в комментариях), см. Следующие публикации по этой теме; в основном от производителей микросхем:

Microchip:

глава 8.pdf , совет № 10, рисунки 10-1 и 10-2

Многие производители защищают свои выводы ввода / вывода от превышения максимально допустимого напряжения с помощью зажимных диодов. Эти зажимные диоды удерживают штырь от падения больше, чем падение диода ниже VSS и падение диода выше VDD. Чтобы использовать зажимной диод для защиты входа, вам все равно нужно смотреть на ток через зажимной диод. Ток через диоды зажима должен быть небольшим (в диапазоне микроампер). Если ток через зажимные диоды становится слишком большим, вы рискуете запереть деталь.

Atmel:

doc2508.pdf , рисунок 1

Для защиты устройства от напряжений выше VCC и ниже GND, AVR имеет внутренние зажимные диоды на контактах ввода / вывода (см. Рисунок 1). Диоды подключены от контактов к VCC и GND и поддерживают все входные сигналы в пределах рабочего напряжения AVR (см. Рисунок 2). Любое напряжение выше VCC + 0,5 В будет понижено до VCC + 0,5 В (0,5 В - это падение напряжения на диоде), а любое напряжение ниже GND - 0,5 В - до GND - 0,5 В.
Последовательно добавляя большой резистор, эти диоды можно использовать для преобразования синусоидального сигнала высокого напряжения в прямоугольный сигнал низкого напряжения с амплитудой в пределах рабочего напряжения AVR ± 0,5 В. Таким образом, диоды будут зажимать сигнал высокого напряжения до рабочего напряжения AVR.

Инструменты Техаса

slya014a.pdf "3.7 Схемы внешней защиты", рис. 13

Обычно нет проблем с выбором подходящего резистора для входной цепи. Значения резисторов от 1 кОм до 10 кОм обычно являются подходящими. На практике обычно достаточно использовать только высококачественный резистор без дополнительных диодов.

и даже для аналоговых микросхем
Analog Devices предлагает

EDch 11 перенапряжения и emi.pdf

Для тех усилителей, где явно требуется внешняя защита от перенапряжения и изменения выходной фазы, распространенным методом является использование последовательного сопротивления Rs для ограничения тока короткого замыкания и диодов Шоттки для фиксации входного сигнала на источниках питания, как показано на Рисунок 11.7. Сопротивление последовательного внешнего входа, Rs, будет предоставлено производителем усилителя или определено эмпирически пользователем с помощью метода, ранее показанного на рисунке 11.2 и в уравнении. 11.1. Чаще всего значение этого резистора обеспечивает достаточную защиту от изменения фазы выходного напряжения, а также ограничивает ток короткого замыкания через диоды Шоттки.

Максим

Защита от перенапряжения (OVP) для чувствительных усилителей

Промышленное эмпирическое правило заключается в выборе RLIMIT, чтобы через вход IC проходило не более 5 мА.

Наконец, давайте посмотрим, что
Horowitz / Hill "Искусство Электроника" должен сказать по этой теме:

Вход CMOS не потребляет ток (...) для входных напряжений между землей и напряжениями питания. Для напряжений, выходящих за пределы диапазона питания, вход выглядит как пара зажимных диодов для положительного источника питания и земли. Моментальные токи, превышающие примерно 10 мА через эти диоды, - это все, что нужно для того, чтобы поместить многие КМОП-устройства в защелку SCR (...; новые конструкции выдерживают более высокие токи и имеют тенденцию быть резистентными или невосприимчивыми к этому заболеванию; например, HC и HCT Семейства могут быть подведены на 1,5 В за пределы рельсов питания без неисправности или повреждения).

РЕДАКТИРОВАТЬ 2:
Я думаю, что Рассел так обеспокоен эффектом Latch-up, что современные микросхемы гораздо более устойчивы, чем в первые дни. Может быть, это как-то объясняет его "крестовый поход 1+ десятилетия".

РЕДАКТИРОВАТЬ 3:
Технический паспорт PIC16F1827 («30.0 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ») говорит, что абсолютный максимальный номинал для тока зажима Ik составляет 20 мА. Это ток, который может повредить чип. Приложение примечание предлагает ток в диапазоне мкА.

EDIT4
Я нашел еще одну заметку о приложении от Microchip, посвященную исключительно вопросу «Использование паразитных диодов ESD на микроконтроллерах со смешанными сигналами» .

Is говорит, что перенапряжение (более Vdd + 0.3V) может вызвать проблемы при применении к контактам, которые можно использовать в качестве аналоговых входов.

Первое решение состоит в том, чтобы предотвратить возникновение перенапряжения на выводах ввода / вывода микроконтроллера. Это можно сделать, добавив диоды Шоттки в VDD и из VSS на каждом выводе, который может видеть высокое напряжение. Это ограничит напряжение до VDD + 0.3V

... как я и предлагал с самого начала.

В документе также разъясняется, что неправда в том, что перенапряжение, подаваемое на вход контроллера микрочипа, приводит к появлению токов в подложке (как утверждается в комментариях). Это может произойти только при пониженном напряжении (= ниже Vss; см. Параграф «Пониженное напряжение»), что не является темой этого вопроса.

(Эти токи в подложку не могут возникать при перенапряжении и пониженном напряжении, потому что это зависит от легирования подложки. Он либо p-, либо n-легированный, но не оба одновременно)

Просто используйте делитель и неинвертирующий усилитель с напряжением 5 В с усилением не менее 3х.

Таким образом, при 5 В у вас снова будет выход 5 В, и то же самое при 15 В, потому что он будет насыщаться. Может быть, лучше использовать решение «от рельса к рельсу», но это не является абсолютно необходимым, если вы хотите просто обнаружить края.

Возможно, вы захотите рассмотреть что-то готовое, например, приемопередатчик или приемник RS232. Большинство из них выдержит напряжение до 25 В (так как для RS232 макс. +/- 25 В макс.) И некоторые даже более высокие напряжения, плюс вы можете получить 100% изоляцию для защиты вашей цепи от замыканий на землю и других проблем с электричеством.

Хотя RS232 предполагается напряжением +/-, большинство современных микросхем RS232 считают немного над землей порогом для отрицательного сигнала, поэтому ваш вход должен работать с ними. Причина, по которой это должно работать на микросхемах RS232, заключается в том, что многие побочные выходы RS232 не выводят +/-, а вместо этого являются положительным сигналом или заземлением, поэтому современные микросхемы RS232 должны работать с этими типами сигналов. Проверьте каждую таблицу для порога.

Сигналы логического уровня, которые вы получаете, будут инвертированы, но это не должно беспокоить, потому что вы измеряете частоту.

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

Различные другие чипы RS232: http://www.maxim-ic.com/products/protection/esd/rs232.cfm

У вас, людей с особыми проблемами, связанными с диодами Body или диодами-зажимами, вероятно, не было достаточно большого конденсатора на блоке питания, близком к IC.

Диод шунтирует ток на источник питания +. Если нет достаточно большого конденсатора, чтобы поглотить это, это вызовет проблемы. Это всего лишь рельс снабжения. Потому что вы используете очень маленький конденсатор (0,1 мкФ?)

Это не имеет ничего общего с какой-либо загадкой внутри кремния.

Просто убедитесь, что у вас есть приличный (10 мкФ) колпачок рядом с чипом. В зависимости от того, сколько тока вы пропускаете через диод (ы) корпуса.

10 мА это хорошо. Это диод.

Я не использую внешние защитные диоды. Я использую резисторы 2к7. Вы можете подключить 12 вольт к входу 5V части, без проблем. Не волнуйтесь. Постарайтесь понять, что на самом деле происходит, прежде чем вы начнете говорить о плавающих фетах и ​​впрыскивании потоков в сказочную страну.