Pomiar częstotliwości sygnału powyżej 5V za pomocą mikrokontrolera

Chcę zmierzyć częstotliwość (do 300 Hz) sygnału prostokąta, który waha się między 0 V a Vtop, gdzie Vtop ma wartość pomiędzy 5 V a 15 V. Ponieważ nie mogę przyłożyć więcej niż 5 V do mikrokontrolera ( PIC16F1827 ), muszę jakoś ograniczyć napięcie.

Moim pierwszym pomysłem było użycie dzielnika napięcia. Ale wtedy sygnał wejściowy 5 V byłby za niski.

Drugim podejściem jest użycie opampa ( TS914 ). Kiedy zasilam go napięciem 5V, moc wyjściowa nie przekroczy 5V. Mam już ten opamp w moim projekcie, aby odfiltrować kolejny pomiar napięcia. Ale kiedy patrzę w arkuszu danych, mówi (w sekcji „Absolutne maksymalne oceny”):

Wielkość napięć wejściowych i wyjściowych nigdy nie może przekraczać VCC + + 0,3 V.

Czy powinienem dodać kolejny opamp, np. LM324 ? Arkusz danych mówi (Wejściowy zakres napięcia w trybie wspólnym (Uwaga 10)):

Nie należy dopuścić, aby wejściowe napięcie w trybie wspólnym napięcia sygnału wejściowego spadło o więcej niż 0,3 V (przy 25 ° C). Górny koniec zakresu napięcia w trybie wspólnym to V + - 1,5 V (przy 25 ° C), ale jedno lub oba wejścia mogą przejść do + 32 V bez uszkodzenia (+ 26 V dla LM2902), niezależnie od wielkości V +.

Czyli LM324 nie zostałby uszkodzony, ale czy działałby w moim projekcie (generując sygnał prostokątny 5V)?

Ostatnim pomysłem, jaki miałem, było użycie diod Zenera. Czy to zadziała?

Co byś zrobił, aby rozwiązać ten problem? Czy jest inna możliwość, o której nie myślałem?

Podsumowane rozwiązanie:

• Pojedynczy tranzystor i 3 oporniki przyjmą sygnał 0 V „5 V lub więcej” i wytworzą wyjście 5 V / 0 V. W przypadku przykładowej wartości rezystora obciążenie sygnału wynosi około 80 uA przy 5 V i 250 uA przy 15 V. W razie potrzeby można to zmniejszyć do 8 uA / 25 uA, a nawet w razie potrzeby obniżyć. (Większa wersja schematu poniżej).

• Rezystor 390 Ω i zener 4V7 zrobią to, co chcesz, pod warunkiem, że możesz tolerować obciążenie prądem wejściowym 25 mA.

• Zastosowanie wzmacniacza operacyjnego pozwala na nieco lepsze wyniki, ale rozwiązanie z jednym tranzystorem powinno być całkowicie odpowiednie.

• NIGDY nie pozwól, aby dioda zaciskająca / ochronna układu scalonego przewodziła prąd podczas normalnej pracy. Zapraszasz do zawodności i nieoczekiwanej i prawdopodobnie nieoczekiwanej operacji przez wszystkie dni użytkowania produktu. Wykonanie tego podczas normalnej pracy zawsze narusza warunki arkusza danych.

  • MOŻESZ uciec od kilku lub nawet kilku dziesięciu uA i możesz WYBRAĆ, że uciekłeś z ich użycia do przenoszenia 100 uA. KAŻDA aplikacja, która używa diod zabezpieczających do przenoszenia ponad połowy powiewu prądu podczas normalnej pracy, narusza specyfikacje arkusza danych i zaprasza Murphy'ego na lunch.
    Wyniki są nieprzewidywalne.
    Nie zrobiłby tego żaden profesjonalny projekt .
    Notatki aplikacji, które zalecają, są zwykle nieprofesjonalne.
    Sekcja na końcu tej odpowiedzi.

Rozwiązanie z pojedynczym tranzystorem:

Wejście jest pokazane jako 5-15 V, ale wszystko powyżej około 4 V. będzie działać.
Gdy vin = 4 V Vbase = R2 / (R1 + r2) x 4 V = 0,6 V.
Jest to teoretycznie wystarczające, ale przy 5 V masz więcej niż wystarczającą moc.

Przedstawione wartości R1 i R2 są sugestiami.
Można zastosować wartości np. 100k i 560 k, jeśli zastosuje się odpowiedni R3 i wysoki beta tranzystor.

Wyjście jest odwrotne do wejścia. tj. Vout jest niski, gdy Vin jest wysoki.

R3 może wynosić 10 000 lub cokolwiek innego.

Q1, aby dopasować. Użyłbym odpowiednika BC337 lub SMD (BC817?)

Jeśli pożądany jest bardzo niski prąd wejściowy, R1 i R2 można znacznie zwiększyć z pewną ostrożnością. np. przy R1 = 1 megahm prąd wejściowy wynosi około 15 uA przy 15 V i 5 uA przy 5 woltach. Jeśli tranzystor Q1 ma wzmocnienie prądu 100 (bardzo bezpieczne dla np. BC337-40), to Icollector = 500 uA, więc dla przesunięcia 5 V R3> = 10k, powiedzmy, że 22k w górę jest OK.

Niezwykle cenny fakt na temat dzielników rezystancyjnych !!!

Nieco doceniony jest fakt, że stosunek między dwiema wartościami rezystorów N umieszczonymi w odstępach od standardowej skali rezystorów jest prawie stały.
Jest to domyślnie związane ze sposobem wybierania wartości skali.
Wartości rezystora E12 wynoszą

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 wartości, a następnie seria powtarza skalę 10 razy większą.

Tak więc - wartości 56k i 10k, które pokazałem dla R2 i R1, różnią się o 8. tzn. zacznij od wartości 1 powyżej i policz 9 miejsc, a otrzymasz 5,6
DOWOLNE dwie wartości 9 osobno mają ten sam stosunek (w granicach tolerancji skali) i mogą być użyte do utworzenia w przybliżeniu równoważnego dzielnika.
np. dowolny z 56k / 10k, 68k / 12k, 82k / 15k 100k / 18k itp.

Dioda Zenera + opornik zrobi to, co chcesz, o ile obciążenie obwodu wejściowego jest dopuszczalne. Jeśli chcesz zmniejszyć obciążenie, lepsza byłaby konstrukcja oparta na opamp.

Na stronie 350 arkusza danych podaje wysokie i niskie poziomy napięcia wejściowego. Który poziom odpowiada kolorowi zależy od używanego styku wejściowego, ale najbezpieczniejsza wartość wynosi> = 0,8 x Vdd lub przy Vdd = 5 V, Vinhi> = 4 V.
Arkusz danych zauważa również, że Vin nie może być większy niż Vdd + 0,3 V MAKSYMALNA ABSOLUTNA (nawet jeśli nie działa poprawnie), a w praktyce wszystko powyżej Vdd byłoby ryzykowne.

OSTRZEŻENIE:

Zalecenie Curd, aby użyć zacisku diodowego do Vdd jest powszechną praktyką, ale jest bardzo ryzykowne, ponieważ BĘDZIE wprowadzać prąd do układu scalonego w miejscach niezamierzonych przez producenta podczas normalnej pracy. Wyniki będą się różnić i będą nieprzewidywalne. Zastosowanie Shottky'ego zamiast diody krzemowej sprawia, że ​​jest to mniej ryzykowne, ale nadal niewskazane i narusza nawet absolutne maksimum specyfikacji producenta.

Zacisk Zenera:

Ten prosty obwód może być wystarczający.

Ważne jest, aby upewnić się, że Vout zawsze spełnia Twoje wymagania. Wiele osób używa diody Zenera xx Volt i zakłada, że ​​otrzyma XX woltów. Przy niskich prądach jest to często dalekie od prawdy. Poniższe krzywe pokazują napięcie zenera wraz z prądem dla typowych zenerów. Zauważ, że zener 4V7 wymaga około 1 mA prądu, aby doprowadzić go powyżej 4V. Jeśli projektujemy dla minimum 2 mA wszystko powinno być dobrze. Daje to być może nieoczekiwany wynik.
5 V in. I = 2 mA. Oczekiwany Vzener = 4V2.
R = (5 V - 4,2) / 0,002 A = 0,8 / 0,002 = 400 omów.
Powiedz 390 omów = standardowa wartość rezystora E12.

Przy napięciu 15 V spodziewamy się, że prąd będzie WYDAJNY (15-5) / 400 = 25 mA.

25 mA może być więcej niż chcesz.

Niższy zakres Vin pozwoli na niższy zakres Imin-Imax, a Vin min kilka woltów powyżej 5 V również bardzo by pomógł.

Moc rezystora = V x I = (15-5) x 25 mA = 250 mW = 500 mW rezystor.

Krzywe napięcia prądu Zenera V02 x2.jpg

Przykładowy arkusz danych Zenera

DIODY OCHRONNE:

Wiele osób nie zdaje sobie sprawy z rozróżnienia w arkuszu danych między ocenami „absolutne maksimum” a zalecanymi warunkami pracy lub ignoruje je.

Bezwzględne maksymalne wartości znamionowe to takie, które gwarantują przetrwanie urządzenia bez uszkodzeń. Prawidłowe działanie nie jest gwarantowane.

Odpowiedni PIC pozwala Vdd + 0,3 V na swoich pinach jako absolutna maksymalna ocena. Działanie nie jest gwarantowane w tym stanie.

Większość arkuszy danych wyraźnie precyzuje, że podczas normalnej pracy napięcia wejściowe nie powinny przekraczać uziemienia do zakresu Vdd. Ten arkusz danych może, ale nie musi, znajdować się na kilkuset stronach. Nadal jest to niewłaściwe.

Wiele osób uważało, że obawy dotyczące prądów diod ochronnych są bezpodstawne. Tylko niektórzy z nich zrujnowali dzień, w którym tak myśleli, a większość z nich prawdopodobnie przeżyła to, aby to zrobić lub nie :-).

Zwróć uwagę, że (zła) notatka dotycząca zastosowania Atmela używa tutaj rezystora 1 megohm (podłączonego do sieci prądu przemiennego!), A notatka aplikacji Microchip tutaj - rys. 10-1 10-2 ma co najmniej łaskę powiedzieć „... Prąd przez diody zaciskowe powinny być małe (w zakresie mikroamperów). Jeśli prąd przez diody zaciskowe staje się zbyt duży, ryzykujesz zatrzaśnięcie części. ” Atmosfery setki uA NIE są „w zakresie mikroamperów”.

ALE zatrzask to najmniejszy z twoich problemów. JEŻELI zatrzaśniesz część (działanie SCR wywołane przez prądy w podłożu układu scalonego), układ scalony często zmienia się w palącą ruinę i zdajesz sobie sprawę, że coś może być nie tak.

Problem z prądami diod ciała występuje wtedy, gdy NIE dostaniesz natychmiastowej ruiny palenia. Dzieje się tak, że układ scalony nigdy nie został zaprojektowany do przyjmowania prądu między pinem wejściowym a podłożem - warstwą, na której układ jest układany. Kiedy podnosisz Vin> Vdd, bieżący efekt wypływa właściwie z ICV do fantomowej bajki, której iC nie jest świadomy, a projektant tego nie zrobił i zwykle nie mógł zaprojektować. Kiedy już masz małe potencjometry, które nigdy nie są normalnie ustawione, a prąd może przepływać z powrotem do trybów sąsiednich obwodów, niezupełnie sąsiednich węzłów, a nawet do odległych lokalizacji w zależności od tego, jak duże są prądy i jakie napięcia są ustawione. Powodem, dla którego trudno to opisać i określić, jest to, że jest całkowicie nieokreślony i zasadniczo nie można go przypisać. Jednym z efektów jest wyrzucenie prądów do pływających węzłów, które nie mają formalnej ścieżki wyjściowej. Mogą one działać jak bramki dla FET - formalnych lub przypadkowych, które włączają się lub wyłączają półirandomowe części twojego obwodu. Które części? Kiedy? Jak często? Jak długo? Jak ciężko? Odpowiedź - kto może powiedzieć / nikt nie może powiedzieć - jego nieprojektowane jest nieoznaczone.

P: Czy to się faktycznie dzieje? Odp .: O tak! P: Czy widziałem, jak to się dzieje? Odp .: Tak.

Rozpocząłem coś, co obecnie okazało się ponad 10-letnią krucjatą, aby uświadomić ludziom to (choć powinienem być tego świadom) po tym, jak bardzo mnie ugryzł.
Miałem stosunkowo prosty asynchroniczny obwód szeregowy, który nie spowodował końca konfliktu. Działanie procesora było przerywane lub pół losowe. Kod czasami nie działał poprawnie. Nic nie było stabilne. Problem? Oczywiście przewodnictwo diody ciała. Skopiowałem prosty obwód z noty aplikacyjnej dostarczonej z produktem i odeszliśmy.

Jeśli zrobisz to bez należytej staranności, to cię ugryzie.
Jeśli zrobisz to z rozwagą i inteligencją, może cię nie ugryźć. Ale może.
Jest to podobne do przejeżdżania przez linię środkową do ciągłego ruchu, aby wyprzedzić - odbywa się to ostrożnie i niezbyt często i pozostawiając wystarczająco dobre marginesy, zwykle nie umrzesz. Jeśli to zrobisz, prawdopodobnie nie będziesz zaskoczony :-). Podobnie jest z przewodnictwem diody ciała. „Zakres mikroamperów” mikroczipów może być OK. 1 megohm Atmela z sieci to wypadek, który czeka na Ciebie. Dopasuj się.

Wystarczy użyć falownika zbudowanego z jednego tranzystora i kilku rezystorów. Ponieważ mierzysz częstotliwość, nie ma znaczenia, czy sygnał jest odwrócony, czy nie - częstotliwość jest taka sama. Możesz użyć „cyfrowego tranzystora”, który ma rezystory w środku, lub możesz użyć prawie dowolnego zwykłego tranzystora i dodać rezystor bazowy (około 10 K) na zewnątrz (ten między bazą a emiterem nie jest obowiązkowy, ale możesz go również dodać) . Użyłem tego obwodu do konwersji napięcia z 25Vtop na 5Vtop do pomiaru częstotliwości linii prądu przemiennego.

Najprostszym sposobem jest zablokowanie sygnału wejściowego do Vcc (+ 5 V):

Wartość rezystora nie jest krytyczna, ale nie powinna być zbyt mała; może w zakresie 10-100 kiloomów.

Jeśli jesteś bardzo wybredny w kwestii wymagań Vcc + 0,3 V, powinieneś użyć diody Schottky'ego; ale myślę, że twój µC nie zostanie uszkodzony, jeśli użyjesz zwykłego 1N4148.

EDYCJA:
Aby poprzeć moją opinię, że korzystanie z tego obwodu jest całkowicie bezpieczne (w przeciwieństwie do obaw wymienionych w komentarzach), zobacz następujące publikacje na ten temat; głównie od producentów układów scalonych:

Mikroczip:

rozdział 8.pdf , Wskazówka nr 10, rysunki 10-1 i 10-2

Wielu producentów chroni swoje styki we / wy przed przekroczeniem specyfikacji maksymalnego dopuszczalnego napięcia za pomocą diod mocujących. Te diody zaciskowe zapobiegają przechodzeniu przez pin więcej niż spadek diody poniżej VSS i spadek diody powyżej VDD. Aby użyć diody zaciskowej do ochrony wejścia, nadal musisz spojrzeć na prąd przechodzący przez diodę zaciskającą. Prąd płynący przez diody cęgowe powinien być niewielki (w zakresie mikroamperów). Jeśli prąd przez diody zaciskowe staje się zbyt duży, ryzykujesz zatrzaśnięcie części.

Atmel:

doc2508.pdf , rysunek 1

Aby chronić urządzenie przed napięciami powyżej VCC i poniżej GND, AVR ma wewnętrzne diody zaciskowe na stykach I / O (patrz rysunek 1). Diody są podłączone z pinów do VCC i GND i utrzymują wszystkie sygnały wejściowe w obrębie napięcia roboczego AVR (patrz rysunek 2). Każde napięcie wyższe niż VCC + 0,5 V zostanie wymuszone do VCC + 0,5 V (0,5 V to spadek napięcia na diodzie), a każde napięcie poniżej GND - 0,5 V zostanie wymuszone do GND - 0,5 V.
Dodając szeregowy rezystor, diody te można wykorzystać do konwersji sinusoidalnego sygnału wysokiego napięcia na sygnał prostokątny o niskim napięciu o amplitudzie w granicach napięcia roboczego ± 0,5 V. Diody będą więc zaciskać sygnał wysokiego napięcia do napięcia roboczego AVR.

Texas Instruments

slya014a.pdf "3.7 Zewnętrzne obwody ochronne", ryc. 13

Zwykle nie ma trudności z wyborem odpowiedniego rezystora dla obwodu wejściowego. Wartości rezystorów od 1 kΩ do 10 kΩ zwykle są odpowiednie. W praktyce zwykle wystarcza użycie rezystora o wysokiej wartości, bez dodatkowych diod.

a nawet dla analogowych układów scalonych proponuje
urządzenia analogowe

Przepięcie EDch 11 i emi.pdf

W przypadku wzmacniaczy, w których wyraźnie wymagana jest zewnętrzna ochrona zarówno przed nadmiernym przepięciem, jak i odwróceniem fazy wyjściowej, powszechną techniką jest stosowanie rezystancji szeregowej, Rs, w celu ograniczenia prądu zwarciowego, oraz diod Schottky'ego do zaciskania sygnału wejściowego do zasilaczy, jak pokazano w Rycina 11.7. Rezystancja zewnętrznego szeregu wejściowego, Rs, zostanie podana przez producenta wzmacniacza lub określona empirycznie przez użytkownika za pomocą metody pokazanej wcześniej na ryc. 11.2 i równ. 11.1 Częściej niż nie, wartość tego rezystora zapewni wystarczającą ochronę przed odwróceniem fazy napięcia wyjściowego, a także ograniczy prąd zwarciowy przez diody Schottky'ego.

Maksyma

Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe (OVP) do wrażliwych zastosowań wzmacniaczy

Podstawową zasadą branżową jest wybranie RLIMIT, aby przez wejście IC przepłynęło nie więcej niż 5 mA.

Na koniec zobaczmy, co
Horowitz / Hill „The Art of Electronis” mają do powiedzenia na ten temat:

Wejście CMOS nie pobiera prądu (...) dla napięć wejściowych między uziemieniem a napięciem zasilającym. W przypadku napięć poza zakresem zasilania wejście wygląda jak para diod mocujących do dodatniego zasilania i masy. Prąd chwilowy większy niż około 10 mA przez te diody wystarczy, aby wprowadzić wiele urządzeń CMOS do zatrzasku SCR (...; nowsze konstrukcje wytrzymują wyższe prądy i są odporne na tę chorobę lub odporne na nią; na przykład HC i HCT rodziny mogą być napędzane 1,5 V poza szyny zasilające bez awarii lub uszkodzeń).

EDIT2: Wydaje
mi się, że Russel jest tak zaniepokojony efektem Latch-up, że współczesne układy scalone są znacznie bardziej odporne, jak na początku. Może to w jakiś sposób tłumaczy jego „ponad 10-letnią krucjatę”.

EDYCJA 3:
Arkusz danych PIC16F1827 („30.0 SPECYFIKACJE ELEKTRYCZNE”) mówi, że absolutne maksymalne wartości znamionowe dla prądu cęgowego Ik wynoszą 20mA. To prąd, który zniszczyłby układ. Uwaga dotycząca aplikacji proponuje prąd w zakresie µA.

EDIT4
Znalazłem inną notatkę aplikacji Microchip poświęconą wyłącznie problemowi „Korzystanie z pasożytniczych diod ESD na mikrokontrolerach sygnałów mieszanych” .

Mówi się, że przepięcie (więcej niż Vdd + 0,3 V) może powodować problemy, jeśli zostanie zastosowane do pinów, które mogą być używane jako wejścia analogowe.

Pierwszym rozwiązaniem jest zapobieganie pojawieniu się przepięcia na stykach we / wy mikrokontrolera. Można to zrobić, dodając diody Schottky'ego do VDD i VSS na każdym pinie, który może widzieć wysokie napięcie. Spowoduje to zaciśnięcie napięcia do VDD + 0,3 V.

... tak jak sugerowałem od samego początku.

Dokument wyjaśnia również, że nie jest prawdą, że przepięcie przyłożone do wejścia kontrolera Microchip powoduje powstawanie prądów w podłożu (jak stwierdzono w komentarzach). Może się to zdarzyć tylko przy niskim napięciu (= poniżej Vss; patrz akapit „Podnapięcie”), który nie jest tematem tego pytania.

(Prądy do podłoża nie mogą wystąpić przy przepięciu i podnapięciu, ponieważ zależy to od domieszkowania podłoża. Jest domieszkowane p lub n, nie oba jednocześnie)

Wystarczy użyć dzielnika i nieodwracającego wzmacniacza zasilanego napięciem 5 V z co najmniej 3-krotnym wzmocnieniem.

Tak więc przy 5 V znów będziesz miał wyjście 5 V, i to samo przy 15 V, ponieważ będzie nasycone. Może lepiej jest zastosować rozwiązanie szyna-szyna, ale nie jest to całkowicie konieczne, jeśli chcesz tylko wykryć krawędzie.

Możesz rozważyć coś gotowego, na przykład transceiver lub odbiornik RS232. Większość poradzi sobie z napięciem do 25 V (ponieważ specyfikacja RS232 wynosi +/- 25 V maks.), A niektóre nawet wyższe napięcia, a ponadto możesz uzyskać takie ze 100% izolacją, aby chronić swój obwód przed pętlami uziemiającymi i innymi złymi problemami elektrycznymi.

Chociaż RS232 ma być napięciem +/-, większość współczesnych układów RS232 uważa, że ​​próg dla sygnału ujemnego jest nieco powyżej ziemi, dlatego twoje wejście powinno z nimi pracować. Powodem, dla którego to musi działać na układach RS232, jest to, że wiele zepsutych wyjść RS232 nie wyprowadza +/-, ale zamiast tego jest sygnałem dodatnim lub uziemieniem, dlatego nowoczesne układy RS232 muszą pracować z tego rodzaju sygnałami. Sprawdź próg w każdym arkuszu danych.

Sygnały na poziomie logiki, które wydostaniesz się zostaną odwrócone, ale nie powinno to być niepokojące, ponieważ mierzysz częstotliwość.

+/- 50 V Izolowany, 3,0 V do 5,5 V, 250 kb / s, 2 Tx / 2 Rx, transceiver RS-232: http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/3368

Różne inne układy RS232: http://www.maxim-ic.com/products/protection/esd/rs232.cfm

Ludzie ze specjalnymi problemami z diodami Body lub diodami mocującymi prawdopodobnie nie mieli wystarczająco dużego kondensatora w zasilaczu w pobliżu układu scalonego.

Dioda przetacza prąd do zasilania +. Jeśli nie ma wystarczająco dużego kondensatora, aby to pochłonąć, spowoduje to problemy. Po prostu zwiększa się szyna zasilająca. Ponieważ używasz wyjątkowo małego kondensatora (0,1 uF?)

Nie ma to nic wspólnego z żadną tajemnicą wewnątrz krzemu.

Tylko upewnij się, że masz przyzwoitą (10uF) czapkę w pobliżu układu W zależności od tego, ile prądu przepuszczasz przez diodę / ciała.

10mA jest w porządku. To jest dioda.

Nie używam zewnętrznych diod ochronnych. Używam rezystorów 2k7. Możesz podłączyć 12 woltów do wejścia części 5V, bez problemów. Bez obaw. Spróbuj zrozumieć, co się właściwie dzieje, zanim zaczniesz mówić o pływających płetwach i wstrzykiwaniu prądów do krainy wróżek.