Ich möchte die Frequenz (bis zu 300 Hz) eines Rechtecksignals messen, das zwischen 0 V und Vtop variiert, wobei Vtop zwischen 5 V und 15 V liegt. Da ich nicht mehr als 5 V an den Mikrocontroller ( PIC16F1827 ) anlegen kann , muss ich die Spannung irgendwie begrenzen.
Meine erste Idee war, einen Spannungsteiler zu verwenden. Aber dann wäre das 5V-Eingangssignal zu niedrig.
Der zweite Ansatz ist die Verwendung eines Operationsverstärkers ( TS914 ). Wenn ich es mit 5 V versorge, würde der Ausgang 5 V nicht überschreiten. Ich habe diesen Operationsverstärker bereits in meinem Design, um eine weitere Spannungsmessung zu filtern. Aber wenn ich in das Datenblatt schaue, heißt es (im Abschnitt "Absolute Maximum Ratings"):
Die Größe der Eingangs- und Ausgangsspannungen darf VCC + + 0,3 V niemals überschreiten.
Sollte ich einen weiteren Opamp hinzufügen, z. B. LM324 ? Auf dem Datenblatt steht (Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich (Hinweis 10)):
Die Gleichtakt-Eingangsspannung einer der Eingangssignalspannungen darf nicht um mehr als 0,3 V (bei 25 ° C) negativ werden. Das obere Ende des Gleichtaktspannungsbereichs beträgt V + - 1,5 V (bei 25 ° C), aber einer oder beide Eingänge können unabhängig von der Größe von V + ohne Beschädigung auf + 32 V (+ 26 V für LM2902) gehen.
Der LM324 würde also nicht beschädigt, aber würde er in meinem Design funktionieren (Ausgabe eines 5-V-Rechtecksignals)?
Die letzte Idee, die ich hatte, ist die Verwendung von Zenerdioden. Würde das funktionieren?
Was würden Sie tun, um dieses Problem zu lösen? Gibt es eine andere Möglichkeit, über die ich nicht nachgedacht habe?
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Antworten:
Zusammenfassende Lösung:
Ein 390-Ohm-Widerstand und ein 4V7-Zener machen das, was Sie wollen, vorausgesetzt, Sie können eine Eingangsstrombelastung von 25 mA tolerieren.
Die Verwendung eines Operationsverstärkers ermöglicht etwas bessere Ergebnisse, aber die eine Transistorlösung sollte völlig ausreichend sein.
Lassen Sie die Klemm- / Schutzdiode des IC während des normalen Betriebs NIEMALS Strom führen. Sie laden zu Unzuverlässigkeit und unerwartetem und möglicherweise unscheinbarem Betrieb an allen Tagen des Lebens Ihres Produkts ein. Dies während des normalen Betriebs zu tun, verstößt immer gegen die Datenblattbedingungen.
Ergebnisse sind unvorhersehbar.
Kein professionelles Design würde dies tun .
App-Notizen, die es empfehlen, sind normalerweise unprofessionell.
Siehe Abschnitt am Ende dieser Antwort.
Einzeltransistorlösung:
Der Eingang wird als 5-15 V angezeigt, aber alles über 4 V funktioniert.
Wenn vin = 4 V Vbase = R2 / (R1 + r2) x 4 V = 0,6 V.
Dies ist normalerweise ausreichend, aber bei 5 V haben Sie mehr als genug Antrieb.
Die angezeigten R1- und R2-Werte sind Vorschläge.
Werte von zB 100k und 560k könnten verwendet werden, wenn ein geeigneter R3- und High-Beta-Transistor verwendet würde.
Die Ausgabe ist umgekehrt zur Eingabe. dh Vout ist niedrig, wenn Vin hoch ist.
R3 kann 10k sein oder was auch immer passt.
Q1 passend. Ich würde ein BC337- oder SMD-Äquivalent verwenden (BC817?)
Wenn ein sehr niedriger Eingangsstrom gewünscht wird, können R1 und R2 mit einiger Sorgfalt stark erhöht werden. zB mit R1 = 1 Megaohm beträgt der Eingangsstrom etwa 15 uA bei 15 V und 5 uA bei 5 Volt. Wenn der Transistor Q1 eine Stromverstärkung von 100 hat (sehr sicher für z. B. BC337-40), dann ist Icollector = 500 uA, also für einen 5-V-Schwung R3> = 10k, also sagen wir, 22k ist in Ordnung.
Eine äußerst wertvolle Tatsache über Widerstandsteiler zu wissen !!!
Eine wenig anerkannte Tatsache ist, dass das Verhältnis zwischen zwei Widerstandswerten, die N auf einer Standardwiderstandsskala voneinander entfernt sind, ungefähr konstant ist.
Dies hängt mit der Auswahl der Skalenwerte zusammen.
Die E12-Widerstandswerte sind
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 Werte und dann wiederholt die Serie eine 10x höhere Skala.
Also - die 56k- und 10k-Werte, die ich für R2 und R1 gezeigt habe, sind 8 Werte voneinander entfernt. Beginnen Sie also mit dem obigen Wert 1 und zählen Sie 9 Plätze hoch, und Sie erhalten 5,6
JEDE zwei Werte im Abstand von 9 haben das gleiche Verhältnis (innerhalb der Toleranz der Skala) und können verwendet werden, um einen ungefähr äquivalenten Teiler zu bilden.
zB 56k / 10k, 68k / 12k, 82k / 15k, 100k / 18k usw.
Eine Zenerdiode + ein Widerstand machen das, was Sie wollen, solange die Belastung des Eingangsschaltkreises akzeptabel ist. Wenn Sie die Last reduzieren möchten, ist ein opamp-basiertes Design besser.
Die Auf Seite 350 des Datenblattes hohe und niedrige Eingangsspannungspegel angegeben. Welcher Pegel passt, hängt davon ab, welchen Eingangspin Sie verwenden. Der sicherste Wert ist jedoch> = 0,8 x Vdd oder bei Vdd = 5 V Vinhi> = 4 V.
Das Datenblatt stellt außerdem fest, dass Vin nicht größer als Vdd + 0,3 V ABSOLUTES MAXIMUM sein darf (auch wenn es nicht richtig funktioniert) und in der Praxis alles über Vdd riskant wäre.
WARNUNG:
Die Empfehlung von Curd, eine Diodenklemme für Vdd zu verwenden, ist gängige Praxis, aber sehr riskant, da sie an Stellen, die der Hersteller während des normalen Betriebs nicht beabsichtigt hat, Strom in den IC einspeist. Die Ergebnisse variieren und sind unvorhersehbar. Die Verwendung einer Shottky-Diode anstelle einer Siliziumdiode macht dies weniger riskant, aber immer noch schlecht beraten, und es verstößt sogar gegen die absolute maximale Herstellerspezifikation.
Zenerklemme:
Diese einfache Schaltung kann durchaus ausreichen.
Wichtig ist, dass Vout jederzeit Ihren Spezifikationen entspricht. Viele Menschen verwenden eine xx Volt Zenerdiode und gehen davon aus, dass sie XX Volt erhalten. Bei niedrigen Strömen ist dies oft alles andere als wahr. Die folgenden Kurven zeigen die Zenerspannung mit dem Strom für typische Zenere. Beachten Sie, dass der 4V7-Zener etwa 1 mA Strom benötigt, um ihn auf über 4 V zu bringen. Wenn wir für mindestens 2 mA ausgelegt sind, sollte alles in Ordnung sein. Dies führt zu einem möglicherweise unerwarteten Ergebnis.
5 V in. I = 2 mA. Vzener erwartet = 4V2.
R = (5 V - 4,2) / 0,002 A = 0,8 / 0,002 = 400 Ohm.
Sagen wir 390 Ohm = Standard-E12-Widerstandswert.
Bei 15 V erwarten wir einen Strom von ÜBER (15-5) / 400 = 25 mA.
25 mA können mehr sein, als Sie zulassen möchten.
Ein niedrigerer Vin-Bereich ermöglicht einen niedrigeren Imin-Imax-Bereich, und Vin min einige Volt über 5 V würde ebenfalls sehr hilfreich sein.
Leistung im Widerstand = V x I = (15-5) x 25 mA = 250 mW = 500 mW Widerstand.
Zenerstrom-Spannungskurven V02 x2.jpg
Beispiel Zener-Datenblatt
SCHUTZDIODEN:
Viele Menschen kennen die Datenblattunterscheidung zwischen "Absolutmaximum" und empfohlenen Betriebsbedingungen nicht oder ignorieren sie einfach.
Absolute Maximalwerte sind diejenigen, bei denen das Gerät garantiert ohne Beschädigung überlebt. Ein korrekter Betrieb ist nicht garantiert.
Der betreffende PIC erlaubt Vdd + 0,3 V an seinen Pins als absolute maximale Bewertung. Der Betrieb ist in diesem Zustand nicht garantiert.
In den meisten Datenblättern ist eindeutig angegeben, dass die Eingangsspannungen im Normalbetrieb den Bereich von Masse bis Vdd nicht überschreiten dürfen. Dieses Datenblatt kann auf mehreren hundert Seiten angezeigt werden oder nicht. Es ist immer noch falsch, dies zu tun.
Viele Leute haben gedacht, dass Bedenken hinsichtlich der Schutzdiodenströme unbegründet sind. Nur einige von ihnen haben den Tag, an dem sie das dachten, bereut und die meisten haben wahrscheinlich gelebt, um es zu bereuen oder nicht :-).
Beachten Sie, dass der (böse) Atmel-Anwendungshinweis hier einen 1-Megaohm-Widerstand (an das Wechselstromnetz angeschlossen!) Und den Microchip- Anwendungshinweis hier verwendet - Abb. 10-1 10-2 zumindest die Gnade zu sagen: "... Der Strom durch Die Klemmdioden sollten klein gehalten werden (im Mikroverstärkerbereich). Wenn der Strom durch die Klemmdioden zu groß wird, besteht die Gefahr, dass das Teil einrastet. " Atmels Hunderte von uA sind NICHT "im Mikroampere-Bereich".
ABER das Einrasten ist das geringste Ihrer Probleme. Wenn Sie das Teil einrasten lassen (SCR-Aktion, die durch Ströme in das IC-Substrat ausgelöst wird), verwandelt sich der IC häufig in eine rauchende Ruine und Sie erkennen, dass möglicherweise etwas nicht stimmt.
Das Problem mit Körperdiodenströmen ist, wenn Sie NICHT sofort eine rauchende Ruine bekommen. Was passiert ist, dass der IC niemals dafür ausgelegt war, Strom zwischen Eingangsstift und Substrat aufzunehmen - die Schicht, auf der der IC liegt. Wenn Sie Vin> Vdd erhöhen, fließt der Strom effektiv aus dem eigentlichen ICV in ein Phantom-Märchenland, das dem iC nicht bekannt ist und für das der Designer nicht entworfen hat und normalerweise nicht entwerfen kann. Sobald Sie dort sind, haben Sie kleine Potentiale eingerichtet, die normalerweise nie vorhanden sind, und Strom kann in benachbarte Schaltungsmodi, nicht ganz benachbarte Knoten oder sogar in entfernte Entfernungen zurückfließen, je nachdem, wie groß die Ströme sind und welche Spannungen eingerichtet sind. Der Grund, warum dies schwer zu beschreiben und festzuhalten ist, ist, dass es völlig ungestaltet und im Wesentlichen nicht gestaltbar ist. Ein Effekt besteht darin, Ströme in schwebende Knoten zu injizieren, die keinen formalen Ausgabepfad haben. Diese können als Gates für FETs fungieren - formale oder zufällige, die halbzufällige Teile Ihrer Schaltung ein- oder ausschalten. Welche Teile? Wann? Wie oft? Wie lange? Wie hart? Antwort - wer kann sagen / niemand kann sagen - es ist nicht entworfen und nicht gestaltbar.
F: Passiert das tatsächlich? A: Oh ja! F: Habe ich gesehen, dass es passiert ist? A: Ja.
Ich begann einen Kreuzzug von mehr als einem Jahrzehnt, um die Leute darauf aufmerksam zu machen (obwohl ich mich dessen wohl bewusst sein sollte), nachdem ich sehr stark davon gebissen worden war.
Ich hatte eine relativ einfache asynchrone serielle Schaltung, die mir endlose Unruhen verursachte. Der Prozessorbetrieb war intermittierend oder halb zufällig. Code manchmal fehlerhaft und nicht zu anderen Zeiten. Nichts war stabil. Das Problem? Natürlich Körperdiodenleitung. Ich hatte eine einfache Schaltung aus einem Anwendungshinweis kopiert, der mit einem Produkt geliefert wurde, und wir gingen.
Wenn Sie dies ohne die gebotene Sorgfalt tun, wird es Sie beißen.
Wenn Sie es mit Sorgfalt, Intelligenz und Design tun, kann es Sie möglicherweise nicht beißen. Aber vielleicht.
Dies ist vergleichbar mit dem Überfahren der Mittellinie in den laufenden Verkehr, um zu überholen - vorsichtig und nicht zu oft ausgeführt und mit ausreichend guten Margen werden Sie normalerweise nicht sterben. Wenn Sie dies tun, werden Sie wahrscheinlich nicht überrascht sein :-). So ist es auch mit der Körperdiodenleitung. Der Mikroampere-Bereich der Mikrochips "ist möglicherweise in Ordnung. Das 1-Megaohm-Netz von Atmel ist ein Unfall, der darauf wartet, passiert zu werden.
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Verwenden Sie einfach einen Wechselrichter aus einem einzelnen Transistor und einigen Widerständen. Da Sie die Frequenz messen, spielt es keine Rolle, ob das Signal invertiert ist oder nicht - die Frequenz ist dieselbe. Sie können einen "digitalen Transistor" verwenden, in dem sich die Widerstände befinden, oder Sie können fast jeden normalen Transistor verwenden und den (etwa 10K) Basiswiderstand außen hinzufügen (der zwischen Basis und Emitter ist nicht obligatorisch, aber Sie können ihn auch hinzufügen). . Ich habe diese Schaltung verwendet, um die Spannung von 25 Vtop in 5Vtop umzuwandeln und die Netzwechselfrequenz zu messen.
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Am einfachsten ist es, das Eingangssignal auf Vcc (+ 5V) zu klemmen:
Der Widerstandswert ist nicht kritisch, sollte aber nicht zu klein sein. vielleicht im Bereich von 10-100 kOhm.
Wenn Sie hinsichtlich der Vcc + 0,3 V-Anforderung sehr wählerisch sind, sollten Sie eine Schottky-Diode verwenden. Aber ich denke, Ihr µC wird nicht beschädigt, wenn Sie einen normalen 1N4148 verwenden.
EDIT:
Um meine Meinung zu unterstützen, dass es völlig sicher ist, diese Schaltung zu verwenden (im Gegensatz zu den in den Kommentaren erwähnten Bedenken), lesen Sie die folgenden Veröffentlichungen zu diesem Thema; hauptsächlich von IC-Herstellern:
Mikrochip:
Kapitel 8.pdf , Tipp Nr. 10, Abbildungen 10-1 und 10-2
Atmel:
doc2508.pdf , Abbildung 1
Texas Instruments
slya014a.pdf "3.7 Externe Schutzschaltungen", Abb. 13
und sogar für analoge ICs schlägt
Analog Devices vor
EDch 11 Überspannung und emi.pdf
Maxime
Überspannungsschutz (OVP) für empfindliche Verstärkeranwendungen
Lassen Sie uns abschließend sehen, was
Horowitz / Hill "The Art of Electronis" zu diesem Thema zu sagen hat:
EDIT2:
Ich denke, was Russel so besorgt ist, ist der Latch-up-Effekt, dass moderne ICs gegenüber viel widerstandsfähiger sind als in den frühen Tagen. Vielleicht erklärt das irgendwie seinen "Kreuzzug über 1 Jahrzehnt".
EDIT3:
Das PIC16F1827-Datenblatt ("30.0 ELEKTRISCHE SPEZIFIKATIONEN") besagt, dass die absoluten Maximalwerte für den Klemmstrom Ik 20 mA betragen. Das ist der Strom, der den Chip beschädigen würde. Der App-Hinweis schlägt einen Strom im µA-Bereich vor.
EDIT4
Ich habe einen weiteren App-Hinweis von Microchip gefunden, der sich ausschließlich dem Thema "Verwenden der parasitären ESD-Dioden auf Mixed-Signal-Mikrocontrollern" widmet .
Laut Is kann eine Überspannung (mehr als Vdd + 0,3 V) Probleme verursachen, wenn sie an die Pins angelegt wird, die als analoge Eingänge verwendet werden können.
... so wie ich es von Anfang an vorgeschlagen habe.
Das Dokument macht auch deutlich, dass es nicht wahr ist, dass eine an einen Mikrochip-Controller-Eingang angelegte Überspannung zu Strömen in das Substrat führt (wie in den Kommentaren angegeben). Dies kann nur bei Unterspannung (= unter Vss; siehe Abschnitt "Unterspannung") geschehen, die nicht Gegenstand dieser Frage ist.
(Diese Ströme in das Substrat können bei Über- und Unterspannung nicht auftreten, da sie von der Dotierung des Substrats abhängen. Sie sind entweder p- oder n-dotiert, nicht beide gleichzeitig.)
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Verwenden Sie einfach einen Teiler und einen nicht invertierenden Verstärker, der mit 5 V und mindestens 3-facher Verstärkung betrieben wird.
Bei 5 V haben Sie also wieder einen 5-V-Ausgang und bei 15 V den gleichen, weil er gesättigt ist. Vielleicht ist es besser, eine Rail-to-Rail-Lösung zu verwenden, aber es ist nicht unbedingt erforderlich, wenn Sie nur Kanten erkennen möchten.
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Vielleicht möchten Sie etwas von der Stange in Betracht ziehen, wie einen RS232-Transceiver oder -Empfänger. Die meisten verarbeiten bis zu 25 V (da die RS232-Spezifikation maximal +/- 25 V beträgt) und einige noch höhere Spannungen. Außerdem können Sie solche mit 100% Isolation erhalten, um Ihren Stromkreis vor Erdschleifen und anderen schlechten elektrischen Problemen zu schützen.
Obwohl angenommen wird, dass RS232 +/- Spannungen sind, betrachten die meisten modernen RS232-Chips ein wenig oberirdisch als Schwelle für ein negatives Signal, daher sollte Ihr Eingang mit ihnen arbeiten. Der Grund, warum dies auf RS232-Chips funktionieren muss, ist, dass viele bastardisierte RS232-Ausgänge nicht +/- ausgeben, sondern ein positives Signal oder Masse sind. Daher müssen moderne RS232-Chips mit diesen Signaltypen arbeiten. Überprüfen Sie jedes Datenblatt auf den Schwellenwert.
Die Signale mit Logikpegel, die Sie ausgeben, werden invertiert. Dies sollte jedoch kein Problem darstellen, da Sie die Frequenz messen.
+/- 50 V isoliert, 3,0 V bis 5,5 V, 250 kbps, 2 Tx / 2 Rx, RS-232-Transceiver: http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/3368
Verschiedene andere RS232-Chips: http://www.maxim-ic.com/products/protection/esd/rs232.cfm
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Ihre Leute mit speziellen Problemen mit Body-Dioden oder Klemmdioden hatten wahrscheinlich keinen ausreichend großen Kondensator über dem Netzteil in der Nähe des IC.
Die Diode leitet den Strom zur + Versorgung weiter. Wenn der Kondensator nicht groß genug ist, um dies zu absorbieren, führt dies zu Problemen. Es ist nur die Versorgungsschiene, die aufgestockt wird. Weil Sie einen sehr kleinen Kondensator verwenden (0,1 uF?)
Es hat nichts mit einem Geheimnis im Silizium zu tun.
Stellen Sie einfach sicher, dass Sie eine anständige Kappe (10 uF) in der Nähe des Chips haben. Dies hängt davon ab, wie viel Strom Sie durch die Körperdiode (n) führen.
10mA ist in Ordnung. Es ist eine Diode.
Ich benutze keine externen Schutzdioden. Ich benutze 2k7 Widerstände. Sie können problemlos 12 Volt an den Eingang eines 5-V-Teils anschließen. Keine Bange. Versuchen Sie zu verstehen, was tatsächlich passiert, bevor Sie über schwimmende Fets sprechen und Ströme in das Märchenland injizieren.
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