用微控制器测量高于5V的信号的频率


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我想测量矩形信号的频率(最高300 Hz),该频率在0V和Vtop之间变化,其中Vtop在5V和15V之间。因为我不能向单片机(PIC16F1827)施加超过5V 的电压,所以我需要以某种方式限制电压。

我的第一个想法是使用分压器。但随后5V输入信号将变为低电平。

第二种方法是使用运算放大器(TS914)。以5V供电时,输出不会超过5V。我的设计中已经装有该运算放大器,以过滤另一个电压测量值。但是,当我查看数据表时,它说(在“绝对最大额定值”部分中):

输入和输出电压的幅度不得超过VCC + + 0.3V。

我应该添加另一个运算放大器,例如LM324吗?数据表显示(输入共模电压范围(注10)):

任何一个输入信号电压的输入共模电压都不允许负向超过0.3V(在25)C时)。共模电压范围的上限为V + − 1.5V(在25˚C时),但任一输入或两个输入都可以升至+ 32V而没有损坏(LM2902为+ 26V),与V +的大小无关。

因此LM324不会受到损坏,但是可以在我的设计中工作(输出5V矩形信号)吗?

我的最后一个想法是使用齐纳二极管。这行得通吗?

您将如何解决此问题?我没有想到过另一种可能性吗?


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@Curd提到的文件-TI- 闩锁,ESD和其他现象非常棒,所有电路设计人员都应阅读该文件。但是请注意,在第3节中,他引用了有关外部保护二极管和串联输入电阻的评论,内容和主题是瞬态静电放电-高压,但定义明确的最大能量,未施加外部信号,正在进行的信号。第4节讨论了我一直在提到的寄生晶体管。
拉塞尔·麦克马洪

Answers:


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总结解决方案:

  • 单个晶体管和3个电阻将接收0V \“ 5V或更高”信号,并产生5V / 0V输出。通过示例电阻值,信号负载在5V时约为80 uA,在15V时约为250 uA。如果需要,可以降低到8 uA / 25 uA,如果需要,甚至可以降低到更低。(下图的大图)。

在此处输入图片说明

  • 390欧姆电阻和4V7齐纳二极管将满足您的要求,只要您能够承受25 mA的输入电流负载即可。

  • 使用运算放大器可以得到更好的结果,但是一个晶体管的解决方案应该是完全足够的。

  • 在正常工作期间,切勿让IC的钳位/保护二极管携带电流。在产品的整个生命周期中,您都在引起不可靠和意外的操作,并且可能会导致不明显的操作。在正常操作期间执行此操作始终会违反数据表条件。

    • 您可能会得到少量的uA甚至几十个uA,而您可能会认为使用它们来携带100的uA可以摆脱。在正常工作状态下,使用保护二极管承载超过一半电流的每一种应用都违反了数据手册的规格,并邀请墨菲共进午餐。
      结果是不可预测的。
      没有专业的设计可以做到这一点
      推荐它的应用笔记通常不专业。
      请参阅此答案末尾的部分。

单晶体管解决方案:

输入显示为5-15V,但高于4V的任何电压均可使用。
当vin = 4V时Vbase = R2 /(R1 + r2)x 4V = 0.6V。
从概念上讲,这是足够的,但在5V电压下,您的驱动器绰绰有余。

建议的R1和R2值是建议。
如果使用适当的R3和高β晶体管,则可以使用例如100k和560k的值。

输出与输入成反比。即当Vin为高电平时,Vout为低电平。

在此处输入图片说明

R3可以是10k或任何合适的值。

Q1适合。我会使用等效的BC337或SMD(BC817?)

如果需要非常低的输入电流,可以谨慎地大幅度提高R1和R2。例如,当R1 = 1兆欧时,在15V时输入电流约为15uA,在5V时输入电流约为5uA。如果晶体管Q1的电流增益为100(例如BC337-40非常安全),则Icollector = 500 uA,因此对于5V摆幅R3> = 10k,则说22k可以。

有关电阻分压器的一个非常有价值的事实!!!

有点不为人所知的事实是,在标准电阻器标度上分开放置的两个电阻器值N之比大约恒定。
这在选择比例值的方式中是隐含的。
E12电阻值为

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个值,然后该系列将比例放大10倍。

所以-我为R2和R1显示的56k和10k值相隔8个值。例如,从上面的1值开始,加起来9个位,您将获得5.6。
任何相隔9个值的两个值具有相同的比率(在标度的公差范围内),并可用于形成大约等效的分频器。
例如56k / 10k,68k / 12k,82k / 15k,100k / 18k等。

只要输入电路上的负载可以接受,齐纳二极管+电阻就可以满足您的要求。如果要减少负载,则基于运放的设计会更好。

数据表的第350页提供了高和低输入电压电平。哪个级别合适取决于您使用的输入引脚,但最安全的值是> = 0.8 x Vdd或在Vdd = 5V时,Vinhi> = 4V。
数据手册还指出,Vin不得大于Vdd + 0.3V的绝对最大值(即使无法正确运行),实际上,超过Vdd的任何操作都是有风险的。


警告:

Curd建议在Vdd上使用二极管钳位,但这种做法很冒险,因为它将在正常工作期间在制造商不希望的地方向IC注入电流。结果将有所不同,并且是不可预测的。使用Shottky而不是硅二极管可以降低这种风险,但仍然不建议这样做,甚至违反了绝对最大制造商的规格。


齐纳钳

这种简单的电路可能就足够了。

在此处输入图片说明

重要的是确保Vout始终符合您的规格。许多人使用xx伏的齐纳二极管,并假设他们将获得XX伏。在低电流下,这通常是不正确的。下面的曲线显示了典型齐纳二极管的齐纳电压和电流。请注意,4V7齐纳二极管需要大约1 mA的电流才能将其驱动到4V以上。如果我们设计的最小电流为2 mA,则应该一切正常。这可能会产生意想不到的结果。
5V输入。i= 2 mA。预期的Vzener = 4V2。
R =(5V-4.2)/0.002 A = 0.8 / 0.002 = 400欧姆
说390欧姆=标准E12电阻值。

在15 V时,我们期望电流约为(15-5)/ 400 = 25 mA。

25 mA可能会超出您的允许范围。

Vin的范围越小,Imin-Imax范围越小,Vin min高于5V几伏也有很大帮助。

电阻输入功率= V x I =(15-5)x 25 mA = 250 mW = 500 mW电阻。

在此处输入图片说明

齐纳电流电压曲线V02 x2.jpg

齐纳数据表示例


保护二极管:

许多人不知道或只是忽略数据表中“绝对最大”额定值和建议工作条件之间的区别。

绝对最大额定值是保证设备在不损坏的情况下能够生存的最大额定值。不保证正确操作。

有关的PI​​C允许其引脚上的Vdd + 0.3V作为绝对最大额定值。在这种情况下不能保证操作。

大多数数据手册明确规定,在正常工作期间,输入电压不应超过接地电压至Vdd范围。此数据表可能有也可能没有数百页。这样做仍然是错误的。

许多人认为,有关保护二极管电流的担忧是毫无根据的。他们中只有一部分人对他们认为如此的日子感到羞耻,而大多数人可能都生活在对或不对它感到羞耻的地方:-)。

注意,(邪恶)爱特梅尔应用笔记这里 采用的是1兆欧电阻器(连接交流电源!)和Microchip应用笔记这里-无花果10-1 10-2至少有风度地说“...的电流通过钳位二极管应保持较小(在微安范围内)。如果流过钳位二极管的电流过大,则可能会导致器件闩锁。” Atmel的数百uA并非“在微安范围内”。

但是闩锁是您最少的问题。如果闩锁了该部件(电流流入IC基板,触发SCR动作),则IC常常会变成抽烟的废墟,您会意识到可能有问题。

人体二极管电流的问题是当您没有立即吸烟时。发生的事情是,该IC从未被设计为接受输入引脚和基板之间的电流-放置该IC的层。当您提高Vin> Vdd时,电流实际上会从ICV适当地流入幻象仙境中,这是iC所不知道的,而设计人员通常不会这样做。到达那里后,您将拥有很小的电位器,而这些电位器通常不会在那里存在,并且电流可以流回相邻的电路模式,不完全相邻的节点,甚至流回到相距较远的位置,具体取决于电流的大小和设置的电压。很难描述和固定下来的原因是因为它完全是未设计的,而且基本上是无法设计的。一种效果是将电流注入没有正式输出路径的浮动节点中。这些可能会充当FET的门-正式或偶然的FET,它们会导通电路的半随机部分或从其导通。哪一部分?什么时候?多常?多久?有多难 答案-谁能说/没人能说-它的设计无可辩驳。

问:这真的发生了吗? 哦,是的! 问:我见过这种情况吗? 答:可以。

在被严重咬伤之后,我开始了现在被证明是长达1年的十字军东征,让人们意识到这一点(即使我应该非常了解它)。
我有一个相对简单的异步串行电路,没有引起冲突。处理器操作是间歇性的或半随机的。代码有时而不是其他时候出错。没有什么是稳定的。问题?当然,体二极管导通。我从产品随附的应用笔记中复制了一个简单的电路,然后我们就走了。

如果您在没有适当注意的情况下这样做,则会咬住您。
如果您谨慎而明智地进行设计,那么它很可能不会咬您。但是可能。
这类似于将中心线拉入正在进行的交通中以超车-谨慎而不是太频繁地完成,并留出足够好的利润,通常您不会丧命。如果您这样做,您可能不会感到惊讶:-)。体二极管导通也是如此。微芯片的“微安范围”可能还可以。Atmel的1兆欧关掉电源是一个意外事故,要适合自己。


罗素,我认为您的担忧是毫无根据的。我提出的不仅是惯例,而且在制造商的一份应用笔记中也建议这样做。请参阅我的帖子中的加载项。
凝结

罗素,请通过一些重要的出版物或自己的​​实验数据(可复制的)来支持您的警告。否则,您只是在进行神秘主义。
凝结

1
@Curd-我的更新后,您的回复是30分钟以上,因此我认为您要么没有看过,要么听不懂,或者选择忽略它。正如我所说的(1)我曾经发生过这种情况(2)从定义上讲,除了在严重的情况下,它不能精确地再现。(3)您可以轻松地做到这一点。我对“本领域的技术人员”足够好地描述了我的实验装置,即采用体二极管作为钳位的异步串行接收。结果=混乱。(4)神秘主义是一个好词,但是您是否了解未设计和不可设计的方面,并且您必须违反规格表才能做到?
罗素·麦克马洪

1
首先,我被这堵文字墙惊呆了,但是经过仔细的研究,我真的很喜欢你的回答。它甚至具有一些有用的背景信息。谢谢!
PetPaulsen,2012年

1
+1这需要冒泡到顶部,特别是与@Curd的错误答案相反。
奥林·拉斯洛普

5

只需使用由单个晶体管和几个电阻组成的逆变器。由于您正在测量频率,因此信号是否反相并不重要-频率相同。您可以使用内部装有电阻器的“数字晶体管”,也可以使用几乎任何常规晶体管,并在外部添加(10K左右)基极电阻(基极和发射极之间不是强制性的,但您也可以添加它) 。我使用此电路将电压从25Vtop转换为5Vtop,以测量AC线路频率。

单晶体管逆变器


5

最简单的方法是将输入信号钳位到Vcc(+ 5V):

钳位到Vcc

电阻值并不严格,但不应太小。可能在10-100 kOhms的范围内。

如果您真的对Vcc + 0.3V要求不满,则应使用肖特基二极管。但我认为,如果您使用普通的1N4148,则不会损害µC。

编辑:
为了支持我的观点,使用此电路是完全省钱的(与注释中提到的问题相反),请参见以下有关此主题的出版物;主要来自集成电路制造商:

微芯片:

第8.pdf章,技巧10,图10-1和10-2

许多制造商通过使用钳位二极管来保护其I / O引脚,使其不会超过最大允许电压规格。这些钳位二极管可防止引脚超过VSS以下的二极管压降和VDD以上的二极管压降。要使用钳位二极管来保护输入,您仍然需要查看流过钳位二极管的电流。通过钳位二极管的电流应保持较小(在微安范围内)。如果流过钳位二极管的电流过大,则可能会导致器件闩锁。

微芯片-Fig10

Atmel:

doc2508.pdf,图1

为了保护器件免受高于VCC和低于GND的电压的影响,AVR在I / O引脚上具有内部钳位二极管(见图1)。二极管从引脚连接到VCC和GND,并将所有输入信号保持在AVR的工作电压范围内(见图2)。任何高于VCC + 0.5V的电压都将被迫降低至VCC + 0.5V(0.5V是二极管上的电压降),而低于GND-0.5V的任何电压将被迫升高至GND-0.5V。
通过串联增加一个大电阻器,这些二极管可用于将高压正弦信号转换为低压方波信号,其幅度在AVR的工作电压范围内±0.5V。因此,二极管会将高压信号钳位到AVR的工作电压。

Atmel-Fig1

德州仪器

slya014a.pdf “ 3.7外部保护电路”,图13

通常,为输入电路选择合适的电阻没有困难。通常合适的电阻值为1kΩ至10kΩ。实际上,通常只使用一个高阻值的电阻就足够了,而无需额外的二极管。

TI图13

甚至对于模拟IC,
ADI公司也建议

EDch 11过电压和emi.pdf

对于明显需要外部保护以防止过电压滥用和输出相位反转的放大器,一种常见的技术是使用串联电阻Rs限制故障电流,并使用肖特基二极管将输入信号钳位到电源,如图1所示。图11.7。外部输入串联电阻Rs将由放大器的制造商提供,或者由用户凭经验根据先前的图11.2和等式中所示的方法确定。11.1。通常,该电阻的阻值将提供足够的保护,以防止输出电压相位反转,并限制流过肖特基二极管的故障电流。

AnalogDevices-图11.2

AnalogDevices-图11.7

格言

灵敏放大器应用中的过压保护(OVP)

业界的经验法则是选择RLIMIT,以使流过IC输入的电流不超过5mA。

MaximFig01

最后,让我们看看
Horowitz / Hill“电子艺术”必须对这个话题说些什么:

CMOS输入在接地和电源电压之间不吸收电流(...)。对于超出电源范围的电压,输入看起来就像一对钳位二极管,连接到正电源和地。通过这些二极管的瞬间电流大于10mA即可将许多CMOS器件置于SCR闩锁状态(...;较新的设计可承受更高的电流并易于抵抗或抵抗这种疾病;例如HC和HCT这些系列可以驱动超过电源轨1.5V,而不会造成故障或损坏)。

EDIT2:
我想Russel关心的是闩锁效应,以至于现代IC的抗性比起早期来要高得多。也许这以某种方式解释了他的“ 1+十年十字军东征”。

编辑3:
PIC16F1827数据手册(“ 30.0电气规范”)说,钳位电流Ik的绝对最大额定值为20mA。那是会损坏芯片的电流。该应用笔记建议电流在µA范围内。

EDIT4
我找到了Microchip专门针对“在混合信号微控制器上使用ESD寄生二极管”问题的另一个应用笔记 。

Is表示,如果将过电压(超过Vdd + 0.3V)施加到可用作模拟输入的引脚上,可能会引起问题。

第一个解决方案是防止任何过电压出现在微控制器的I / O引脚上。这可以通过将肖特基二极管添加到VDD以及从每个引脚上的VSS添加VSS来实现,该引脚可能会出现高压。这会将电压钳位到VDD + 0.3V

就像我从一开始就建议的那样。

该文档还明确指出,施加到Microchip控制器输入的过电压会导致电流流入基板(如评论中所述),这不是真的。这只能在欠压(=低于Vss;请参见“欠压”)下发生,这不是此问题的主题。

(流入基片的电流不能在过压欠压下发生,因为这取决于基片的掺杂。它是p或n掺杂的,不能同时掺杂)


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以上并不意味着是“攻击”。我欣赏批评自己的建议常常令人不愉快。| 您的公司很好:-)-许多人都做这种事情,并且顽固地捍卫这种做法。事实是,它确实违反了数据手册规格,并且可能导致未知的隐藏问题。它可能在数月,数月,数月或数小时的时间内都可以正常工作。它也可能导致持续的未知和无法追踪的问题。必须“像瘟疫一样避免”。| 我的人生目标之一是就这个特定问题教育人类:-) :-) :-)
罗素·麦克马洪

1
@罗素·麦克马洪(Russell McMahon):谢谢您的怀疑意见,但如果您能提供一些充分的理由(例如,有关该问题的出版物链接或可以复制的实验),我将不胜感激。
Curd 2012年

2
@Curd:罗素是对的。您的电路可能大部分时间都可以工作,但这不是一个好主意。至少,在不指出此问题的情况下不建议这样做。一个简单的解决方法是在输出端接一个分压器,将5.7V降至5.0V。
奥林·拉斯洛普

1
@Olin和Russell:您没有对您所说的内容提供任何充分的理由-更不用说制造商(例如Mircochip,Atmel)在他们的应用笔记中完全推荐了我的建议。在继续争论之前,请先阅读它们。
Curd 2012年

1
我已经在应用笔记中看到了各种各样的不良设计。检查数据手册中的实际规格。查看工作期间的最大引脚电压,您会发现一个二极管降到Vdd以上太高。我亲眼看到了二极管钳位出现的问题,就像您展示的一样。我不记得确切的PIC,但是当电流流过另一个引脚的高端保护二极管时,A / D读数就混乱了。这东西是真实的。
奥林·拉斯洛普

1

只需使用一个分压器和一个同相放大器,该放大器以5V供电且增益至少为3倍。

因此,在5V时,您将再次获得5V的输出,而在15V时将保持不变,因为它会饱和。也许最好使用轨到轨解决方案,但是如果您只想检测边缘,则并非完全必要。


0

您可能需要考虑现成的东西,例如RS232收发器或接收器。大多数将承受高达25V的电压(因为RS232规格最大为+/- 25V)和一些甚至更高的电压,此外,您还可以获得100%隔离的电压,以保护电路免受接地环路和其他不良电气问题的影响。

尽管RS232假定为+/-电压,但大多数现代RS232芯片都认为高于地面一点是负信号的阈值,因此您的输入应该可以使用它们。它必须在RS232芯片上工作的原因是,许多混混的RS232输出不输出+/-,而是输出正信号或接地,因此现代RS232芯片必须能够处理这些类型的信号。检查每个数据表的阈值。

发出的逻辑电平信号将被反相,但这并不重要,因为您正在测量频率。

+/- 50V隔离,3.0V至5.5V,250kbps,2个Tx / 2 Rx,RS-232收发器:http : //www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/3368

其他各种RS232芯片:http : //www.maxim-ic.com/products/protection/esd/rs232.cfm


除非电路中有未使用的RS232收发器,否则这不是很划算。高压输入只是您购买的硅片的一小部分。 Pentium100的答案描述了一种等效电路,该电路要便宜得多而且要小得多。
凯文·维米尔

-1

人体二极管或钳位二极管有特殊问题的人们可能在靠近IC的电源上没有足够大的电容器。

二极管将电流分流至+电源。如果没有足够大的电容器吸收该电容器,则会引起问题。只是供应链上升。因为您使用的是非常小的电容器(0.1uF?)

它与硅片内部的任何神秘现象无关。

只要确保在芯片附近有一个合适的(10uF)电容即可,具体取决于流过体二极管的电流量。

10mA是可以的。它是一个二极管。

我不使用外部保护二极管。我使用2k7电阻。您可以将12伏电压连接到5V部件的输入,没有问题。别担心。在开始谈论浮动脚趾和将电流注入仙境之前,请先了解实际发生的情况。

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