- Indgangsspænding på højt og lavt niveau
- Tovejs logisk niveau konverter
- Enkel tovejs logisk niveau konverter
- 5V til 3.3V niveau konverter ved hjælp af MOSFET
- Simulering af tovejs logisk niveau konverter
- Logic Level Converter Circuit Working
- Omskifterens hastighed
- Test af din Logic Converter
- Begrænsninger for Logic Level Converter
- Betydning og applikationer
- Populære IC'er til logisk niveauomformer
Tilbage i ENIAC-æraen var computere mere analoge og brugte meget få digitale IC'er. I dag arbejder en gennemsnitlig Joe's computer med flere spændingsniveauer, folk, der havde set SMPS på en CPU, ville have bemærket, at din computer kræver ± 12V, + 5V og + 3.3V for at fungere. Disse spændingsniveauer er meget vigtige for en computer; en bestemt spænding bestemmer signalets tilstand (høj eller lav). Denne høje tilstand accepteres af computeren som binær 1 og den lave tilstand som binær 0. Afhængigt af tilstanden 0 og 1 producerer computeren data, koder og instruktioner for at give den krævede output.
Moderne logiske spændingsniveauer varierer stort set fra 1,8 V til 5 V. Standardlogiske spændinger er 5V, 3,3V, 1,8V osv. Men hvordan kommunikerer et system eller en controller, der arbejder med 5V-logikniveau (eksempel på Arduino), med et andet system, der fungerer med 3,3V (eksempel ESP8266) eller andre spændinger niveau? Dette scenarie forekommer ofte i mange designs, hvor der er flere mikro-controllere eller sensorer, og løsningen her er at bruge en Logic Level Converter eller Logic Level Shifter. I denne artikel vil vi lære mere om Logic Level Converters, og vi vil også opbygge et simpelt tovejs Logic Level-omformerkredsløb ved hjælp af MOSFET, som vil være praktisk til dine kredsløbskonstruktioner.
Indgangsspænding på højt og lavt niveau
Fra mikroprocessoren eller mikrocontrollersiden er den logiske spændingsniveauværdi imidlertid ikke en fast; det har en vis tolerance med det. For eksempel er den accepterede Logic High (logik 1) til 5V logikniveau mikrokontrollere minimum 2,0V (Minimum High Level Input Voltage) til et maksimum på 5,1V (Maximum High Level Input Voltage). Tilsvarende for logisk lav (logik 0) er den accepterede spændingsværdi fra 0V (minimum lavt niveau indgangsspænding) til det maksimale på 8V (maksimum lavt niveau indgangsspænding).
Ovenstående eksempel gælder for 5V-logikniveau-mikrocontrollere, men 3.3V- og 1.8V-mikroteknikere på logisk niveau er også tilgængelige. I en sådan type mikrokontroller vil spændingsområdet for det logiske niveau variere. Du kan få de relevante oplysninger fra databladet for den pågældende controller IC. Når du bruger en spændingsniveaukonverter, skal du være opmærksom på, at højspændingsværdien og lavspændingsværdien er inden for grænserne for disse parametre.
Tovejs logisk niveau konverter
Afhængigt af anvendelsen og den tekniske konstruktion er der to typer niveauskiftere til rådighed, envejs logisk niveauomformer og tovejs logisk niveauomformer. I ensrettet niveauomformere er indgangsstifter dedikeret til et spændingsdomæne, og udgangsstifterne er dedikeret til det andet spændingsdomæne, men dette er ikke tilfældet for tovejs niveauomformere, det kan konvertere logiske signaler i begge retninger. For tovejs niveauomformere har hvert spændingsdomæne ikke kun indgangsstifter, men har også udgangsstiften. For eksempel, hvis du leverer 5,5V til indgangssiden, vil den konvertere den til 3,3V på udgangssiden, ligesom hvis du leverer 3,3V til udgangssiden, vil den konvertere den til 5V på indgangssiden.
I denne vejledning vil vi opbygge en simpel tovejs niveauomformer og teste den for høj til lav konvertering og lav til høj konvertering.
Enkel tovejs logisk niveau konverter
Et simpelt tovejs logisk omformerkredsløb er vist i nedenstående billede.
Kredsløbet bruger en n-kanal MOSFET til at konvertere det lave spændingslogiske niveau til et højspændingslogisk niveau. En simpel logisk niveauomformer kan også bygges ved hjælp af resistive spændingsdelere, men det vil indføre spændingstab. MOSFET- eller transistorbaserede logiske niveauomformere er professionelle, pålidelige og sikrere at integrere.
Kredsløbet bruger også to ekstra komponenter, R1 og R2. Det er pull-up modstande. På grund af det laveste antal dele er det også en omkostningseffektiv løsning. Afhængigt af ovenstående kredsløb konstrueres en simpel 3,3V til 5V tovejs logisk konverter.
5V til 3.3V niveau konverter ved hjælp af MOSFET
Den 5V til 3.3V tovejs logisk niveau konverter kredsløb kan ses i nedenstående billede -
Som du kan se, er vi nødt til at give en konstant spænding på 5V og 3,3V til modstandene R1 og R2. Stifterne Low_side_Logic_Input og High_Side_Logic_Input kan ombyttes som input- og output-stifter.
Komponenterne anvendt i ovenstående kredsløb er
R1 - 4,7 k
R2 - 4,7 k
Q1 - BS170 (N-kanal MOSFET).
Begge modstande er 1% tolerante. Modstande med 5% tolerance fungerer også. Pinouts på BS170 MOSFET kan ses i nedenstående billede, som er i rækkefølgen Drain, Gate og Source.
Kredsløbskonstruktionen består af to pull up-modstande 4,7 k hver. Afløb og kilestiften på MOSFET trækkes op til det ønskede spændingsniveau (i dette tilfælde 5V og 3,3V) til lav til høj eller høj til lav logisk konvertering. Du kan også bruge en hvilken som helst værdi mellem 1k og 10k til R1 og R2, da de kun fungerer som pull up-modstande.
For den perfekte arbejdstilstand er der to betingelser, der skal opfyldes, mens kredsløbet konstrueres. Den første betingelse er, at den lave niveauspænding (3,3 V i dette tilfælde) skal forbindes med MOSFETs kilde, og den høje niveauspænding (5 V i dette tilfælde) skal tilsluttes afløbstappen på MOSFET. Den anden betingelse er, at porten til MOSFET skal tilsluttes lavspændingsforsyningen (3,3 V i dette tilfælde).
Simulering af tovejs logisk niveau konverter
Den komplette funktion af det logiske niveauskiftekredsløb kan forstås ved hjælp af simuleringsresultater. Som du kan se i nedenstående GIF-billede, forskydes Logic-indgangsstiften mellem 5V og 0V (jord) under højt niveau til lavt niveau konvertering, og logisk output opnås som 3,3V og 0V.
Tilsvarende under konvertering af lavt niveau til højt niveau er Logic-indgangen mellem 3,3 V og 0 V konverteret til Logisk udgang på 5 V og 0 V som vist i nedenstående GIF-billede.
Logic Level Converter Circuit Working
Efter at have opfyldt disse to betingelser, fungerer kredsløbet i tre tilstande. Tilstandene er beskrevet nedenfor.
- Når den lave side er i logik 1 eller høj tilstand (3,3 V).
- Når den lave side er i logik 0 eller lav tilstand (0V).
- Når den høje side skifter tilstand fra 1 til 0 eller høj til lav (5V til 0V)
Når den lave side er høj, betyder det, at kildespændingen på MOSFET er 3,3 V, MOSFET udfører ikke på grund af Vgs-tærskelpunktet for MOSFET opnås ikke. På dette tidspunkt er porten til MOSFET 3.3V, og kilden til MOSFET er også 3.3V. Derfor er Vgs 0V. MOSFET er slukket. Logik 1 eller høj tilstand for lav sideindgang reflekteres på afløbssiden af MOSFET som en 5V udgang via pullup-modstanden R2.
I denne situation, hvis den lave side af MOSFET ændrer sin tilstand fra høj til lav, begynder MOSFET at lede. Kilden er i logik 0, derfor blev den høje side også 0.
Disse over to betingelser konverterer med succes logisk lavspændingstilstand til en højspændingslogisk tilstand.
En anden arbejdstilstand er, når den høje side af MOSFET ændrer sin tilstand fra høj til lav. Det er det tidspunkt, hvor afløbssubstratdioden begynder at lede. MOSFET-lavsiden trækkes ned til et lavt spændingsniveau, indtil Vgs krydser tærskelpunktet. Buslinjen for både lav- og højspændingsafsnit blev lav på samme spændingsniveau.
Omskifterens hastighed
En anden vigtig parameter, der skal overvejes, når man designer en logisk niveauomformer, er overgangshastigheden. Da de fleste logiske konvertere vil blive brugt mellem kommunikationsbusser som USART, I2C osv. Er det vigtigt for logikomformeren at skifte hurtigt nok (overgangshastighed) til at matche med kommunikationslinjernes baudhastighed.
Overgangshastigheden er den samme som MOSFET's skiftehastighed. Derfor er i vores tilfælde ifølge BS170 databladet starttid for MOSFET og slukketid for MOSFET angivet nedenfor. Derfor er det vigtigt at vælge den rigtige MOSFET til dit logiske niveau konverter design.
Så vores MOSFET her kræver 10nS at tænde og 10nS at slukke, hvilket betyder at den kan tænde og slukke 10,00.000 gange på et sekund. Hvis vi antager, at vores kommunikationslinje fungerer med en hastighed på (baudhastighed) 115200 bits pr. Sekund, betyder det, at den kun slukker og slukker for 1.15.200 på et sekund. Så vi kan meget godt bruge vores enhed til kommunikation med høj baudrate.
Test af din Logic Converter
Følgende komponenter og værktøjer er nødvendige for at teste kredsløbet -
- Strømforsyning med to forskellige spændingsudgange.
- To multimeter.
- To taktile afbrydere.
- Få ledninger til tilslutning.
Skematisk er ændret til at teste kredsløbet.
I ovenstående skema introduceres to yderligere taktile omskiftere. Der er også monteret et multimeter for at kontrollere den logiske overgang. Ved at trykke på SW1 ændres den lave side af MOSFET sin tilstand fra høj til lav, og den logiske niveauomformer fungerer som en lavspændings- til højspændingslogisk niveauomformer.
På den anden side ændrer den høje side af MOSFET ved at trykke på SW2 sin tilstand fra høj til lav, og logikniveauomformeren fungerer som en højspændings- til lavspændingslogisk niveauomformer.
Kredsløbet er konstrueret i et brødbræt og testet.
Ovenstående billede viser den logiske tilstand på tværs af begge sider af MOSFET. Begge er i tilstanden Logik 1.
Den komplette arbejdsvideo kan ses i nedenstående video.
Begrænsninger for Logic Level Converter
Kredsløbet har bestemt nogle begrænsninger. Begrænsningerne er meget afhængige af valget af MOSFET. Den maksimale spænding og afløbsstrøm, der kan bruges i dette kredsløb, afhænger af MOSFETs specifikation. Den mindste logiske spænding er også 1,8V. Mindre end 1,8 V logisk spænding fungerer ikke korrekt på grund af Vgs-begrænsningen af MOSFET. Ved lavere spænding end 1,8 V kan dedikerede logiske niveauomformere bruges.
Betydning og applikationer
Som diskuteret i den indledende del er inkompatibelt spændingsniveau i digital elektronik et problem for grænseflade og datatransmission. Derfor kræves en niveaukonverter eller niveauskifter for at overvinde de spændingsniveauerelaterede fejl i kredsløbet.
På grund af tilgængeligheden af bredspektrede logiske niveaukredsløb på elektronikmarkedet og også for de forskellige spændingsniveaumikrocontrollere har logisk niveauskifter en utrolig brugssag. Flere eksterne enheder og ældre enheder, der fungerer baseret på I2C, UART eller lydkodec, har brug for niveauomformere til kommunikationsformål med en mikrocontroller.
Populære IC'er til logisk niveauomformer
Der er mange producenter, der leverer integrerede løsninger til konvertering af logikniveau. En af de populære IC er MAX232. Det er en af de mest almindelige logiske niveauomformere IC, der konverterer mikrocontroller logisk spænding 5V til 12V. RS232-port bruges til at kommunikere mellem computere med en mikrocontroller og kræver +/- 12V. Vi har allerede brugt MAX232 med PIC og få andre mikrocontrollere tidligere til at interface en mikrocontroller med computeren.
Der findes forskellige krav også afhængigt af den meget lave spændingsniveaukonvertering, konverteringshastighed, plads, pris osv.
SN74AX er også en populær serie af tovejs spændingsniveaukonverter fra Texas Instruments. Der er masser af IC'er i dette segment, som tilbyder en enkelt bit til 4-bit forsyningsbusovergang sammen med yderligere funktioner.
En anden populær tovejs logisk niveauomformer IC er MAX3394E fra Maxim Integrated. Det bruger den samme konverteringstopologi ved hjælp af MOSFET. Stiftdiagrammet kan ses i nedenstående billede. Konverteren understøtter separat aktiveringsstift, der kan styres ved hjælp af mikrocontrollere, hvilket er en ekstra funktion.
Ovenstående interne konstruktion viser den samme MOSFET-topologi, men med P-kanalkonfiguration. Det har masser af ekstra tilføjede funktioner såsom 15kV ESD-beskyttelse på I / O- og VCC-linjer. Det typiske skema kan ses i nedenstående billede.
Ovenstående skematisk viser et kredsløb, der konverterer 1,8 V-logikniveauet til et 3,3 V-logikniveau og omvendt. Systemcontroller, der kan være en hvilken som helst mikrokontroller, styrer også EN-stiften.
Så dette handler om tovejs logisk niveau konverteringskredsløb og arbejde.