Mengukur frekuensi suatu sinyal di atas 5V dengan mikrokontroler

Saya ingin mengukur frekuensi (hingga 300 Hz) dari sinyal persegi panjang, yang bervariasi antara 0V dan Vtop, di mana Vtop adalah apa saja antara 5V dan 15V. Karena saya tidak dapat menerapkan lebih dari 5V ke mikrokontroler ( PIC16F1827 ), saya perlu membatasi voltase entah bagaimana.

Ide pertama saya adalah menggunakan pembagi tegangan. Tetapi kemudian sinyal input 5V akan menjadi rendah.

Pendekatan kedua menggunakan opamp ( TS914 ). Ketika saya menyalakannya pada 5V, output tidak akan melebihi 5V. Saya sudah memiliki opamp ini dalam desain saya, untuk menyaring pengukuran tegangan lain. Tetapi ketika saya melihat di datasheet itu tertulis (Di bagian "Absolute Maximum Ratings"):

Besarnya tegangan input dan output tidak boleh melebihi VCC + + 0.3V.

Haruskah saya menambahkan opamp lain, misalnya LM324 ? Lembar data bertuliskan (Rentang Tegangan Mode Umum Input (Catatan 10)):

Tegangan mode-umum input dari tegangan sinyal input tidak boleh dibiarkan negatif lebih dari 0,3 V (pada 25 )C). Ujung atas rentang tegangan mode-umum adalah V + - 1.5V (pada 25˚C), tetapi salah satu atau kedua input dapat pergi ke + 32V tanpa kerusakan (+ 26V untuk LM2902), terlepas dari besarnya V +.

Jadi LM324 tidak akan rusak, tetapi apakah itu akan berfungsi dalam desain saya (mengeluarkan sinyal persegi panjang 5V)?

Ide terakhir yang saya miliki, menggunakan dioda zener. Apakah ini akan berhasil?

Apa yang akan Anda lakukan untuk mengatasi masalah ini? Apakah ada kepemilikan lain yang tidak saya pikirkan?

Solusi terangkum:

• Transistor tunggal dan 3 resistor akan mengambil sinyal 0V \ "5V atau lebih" dan menghasilkan output 5V / 0V. Dengan nilai resistor contoh, beban pada sinyal adalah sekitar 80 uA pada 5V dan 250 uA pada 15V. Ini dapat direduksi menjadi mengatakan 8 uA / 25 uA jika diinginkan dan bahkan lebih rendah jika perlu. (Versi diagram yang lebih besar di bawah).

• Sebuah resistor 390 ohm dan zener 4V7 akan melakukan apa yang Anda inginkan asalkan Anda dapat mentoleransi beban arus input 25 mA.

• Penggunaan op amp memungkinkan hasil yang sedikit lebih baik tetapi solusi satu transistor harus sepenuhnya memadai.

• JANGAN PERNAH mengizinkan dioda penjepit / perlindungan IC untuk membawa arus selama operasi normal. Anda mengundang operasi yang tidak dapat diandalkan dan tidak terduga serta kemungkinan tidak pasti sepanjang masa hidup produk Anda. Melakukan ini selama operasi normal selalu melanggar kondisi lembar data.

  • Anda MUNGKIN pergi dengan beberapa baru atau bahkan beberapa dari Anda dan Anda mungkin berpikir Anda telah menggunakan mereka untuk membawa 100 dari Anda. SETIAP aplikasi yang menggunakan perlindungan dioda untuk membawa lebih dari setengah bau arus dalam operasi normal melanggar spesifikasi lembar data dan mengundang Murphy untuk makan siang.
    Hasil tidak dapat diprediksi.
    Tidak ada desain profesional yang akan melakukan ini .
    Catatan aplikasi yang merekomendasikannya biasanya tidak profesional.
    Lihat bagian di akhir jawaban ini.

Solusi transistor tunggal:

Input ditampilkan sebagai 5-15V tetapi apa pun di atas tentang 4V akan berfungsi.
Ketika vin = 4V Vbase = R2 / (R1 + r2) x 4V = 0,6V.
Ini secara memadai memadai, tetapi pada 5V Anda memiliki lebih dari cukup drive.

Nilai R1 & R2 yang ditampilkan adalah saran.
Nilai misalnya 100k dan 560 k dapat digunakan jika R3 yang sesuai dan transistor beta tinggi digunakan.

Output kebalikan dari input. yaitu Vout rendah ketika Vin tinggi.

R3 dapat berupa 10k atau setelan apa pun.

Q1 sesuai. Saya akan menggunakan BC337 atau setara SMD (BC817?)

Jika arus input yang sangat rendah diinginkan, R1 dan R2 dapat ditingkatkan dengan sangat hati-hati. misalnya dengan R1 = 1 megohm, arus input sekitar 15 uA pada 15V dan 5uA pada 5 Volt. Jika transistor Q1 memiliki gain 100 saat ini (sangat aman untuk misalnya BC337-40) maka Icollector = 500 uA jadi untuk ayunan 5V R3> = 10k jadi katakan 22k up tidak apa-apa.

Fakta yang sangat berharga untuk diketahui tentang pembagi resistif !!!

Fakta yang sedikit dihargai adalah bahwa perbandingan antara dua nilai resistor yang ditempatkan N pada skala resistor standar adalah konstan.
Ini tersirat dalam cara nilai skala dipilih.
Nilai-nilai resistor E12 adalah

1
1.2
1.5
1.8
2.2
2.7
3.3
3.9
4.7 4.7
5.6
6.8
8.2
(10, 12, 15 ...)

12 nilai dan kemudian seri mengulangi skala 10x lebih tinggi.

Jadi - nilai 56k dan 10k yang saya tunjukkan untuk R2 dan R1 terpisah 8 nilai. yaitu mulai dari 1 nilai di atas dan menghitung 9 tempat dan Anda mendapatkan 5,6
SETIAP dua nilai 9 terpisah memiliki rasio yang sama (dalam toleransi skala) dan dapat digunakan untuk membentuk pembagi sekitar setara.
mis. dari 56k / 10k, 68k / 12k, 82k / 15k 100k / 18k dll.

Dioda zener + resistor akan melakukan apa yang Anda inginkan selama beban pada rangkaian input dapat diterima. Jika Anda ingin mengurangi beban maka desain berbasis opamp akan lebih baik.

Lembar data pada halaman 350 memberikan level tegangan input tinggi dan rendah. Tingkat kesesuaian mana yang tergantung pada pin input mana yang Anda gunakan tetapi nilai teramannya adalah> = 0,8 x Vdd atau pada Vdd = 5V, Vinhi> = 4V.
Lembar data juga mencatat bahwa Vin tidak boleh lebih besar dari Vdd + 0.3V Maksimal ABSOLUT (bahkan jika tidak beroperasi dengan benar) dan dalam praktiknya apa pun yang melebihi Vdd akan berisiko.

PERINGATAN:

Rekomendasi Curd untuk menggunakan penjepit dioda untuk Vdd adalah praktik umum tetapi sangat berisiko karena AKAN menyuntikkan arus ke IC di tempat-tempat yang tidak diinginkan oleh pembuat selama operasi normal. Hasil akan bervariasi dan tidak dapat diprediksi. Menggunakan Shottky daripada silikon dioda membuat ini kurang berisiko tetapi masih kurang disarankan dan bahkan melanggar spesifikasi pabrikan maksimum absolut.

Zener clamp:

Sirkuit sederhana ini mungkin cukup.

Yang penting adalah memastikan bahwa Vout memenuhi spesifikasi Anda setiap saat. Banyak orang menggunakan dioda zener xx Volt dan menganggap bahwa mereka akan mendapatkan XX volt. Pada arus rendah ini seringkali jauh dari benar. Kurva di bawah ini menunjukkan tegangan zener dengan arus untuk zener tipikal. Perhatikan bahwa zener 4V7 membutuhkan sekitar 1 mA arus untuk mengarahkannya ke di atas 4V. Jika kami mendesain untuk minimum 2 mA, semuanya harus baik-baik saja. Ini menghasilkan hasil yang mungkin tidak terduga.
5V in. I = 2 mA. Vzener diharapkan = 4V2.
R = (5V - 4.2) /0.002 A = 0.8 / 0.002 = 400 ohm.
Katakan 390 ohm = nilai resistor E12 standar.

Pada 15 V kami berharap saat ini TENTANG (15-5) / 400 = 25 mA.

25 mA mungkin lebih dari yang Anda izinkan.

Rentang Vin yang lebih rendah akan memungkinkan rentang Imin-Imax yang lebih rendah dan Vin min beberapa volt di atas 5V juga akan sangat membantu.

Daya dalam resistor = V x I = (15-5) x 25 mA = 250 mW = 500 mW resistor.

Kurva tegangan arus Zener V02 x2.jpg

Contoh lembar data zener

DIODA PERLINDUNGAN:

Banyak orang tidak menyadari atau hanya mengabaikan perbedaan lembar data antara peringkat "Absolute maksimum" dan kondisi operasi yang disarankan.

Peringkat maksimum absolut adalah yang dijamin perangkat akan bertahan tanpa kerusakan. Pengoperasian yang benar tidak dijamin.

PIC yang bersangkutan memungkinkan Vdd + 0.3V pada pinnya sebagai peringkat maksimum absolut. Pengoperasian tidak dijamin selama kondisi ini.

Sebagian besar lembar data dengan jelas menetapkan bahwa selama operasi normal, tegangan input tidak boleh melebihi ground ke kisaran Vdd. Lembar data ini dapat atau tidak bisa diakses dalam beberapa ratus halaman. Masih salah untuk melakukannya.

Banyak orang berpikir bahwa kekhawatiran tentang arus dioda proteksi tidak berdasar. Hanya beberapa dari mereka yang merasa bersalah pada hari yang mereka pikir begitu dan sebagian besar mungkin hidup untuk menyesali atau tidak :-)

Perhatikan bahwa catatan aplikasi Atmel (jahat) di sini menggunakan resistor 1 megohm (terhubung ke listrik AC!) Dan catatan aplikasi Microchip di sini - buah ara 10-1 10-2 setidaknya memiliki rahmat untuk mengatakan "... Arus melalui dioda penjepit harus dijaga tetap kecil (dalam kisaran amp mikro). Jika arus melalui dioda penjepit menjadi terlalu besar, maka Anda berisiko bagian terkunci. " Memuji ratusan uA BUKAN "di dalam rentang microamp".

TETAPI mengunci adalah masalah Anda yang paling kecil. JIKA Anda mengunci bagian (tindakan SCR yang dipicu oleh arus ke IC substrat) IC sering berubah menjadi reruntuhan merokok dan Anda menyadari bahwa ada sesuatu yang mungkin salah.

Masalah dengan arus dioda tubuh adalah ketika Anda TIDAK mendapatkan kehancuran merokok langsung. Apa yang terjadi adalah bahwa IC tidak pernah dirancang untuk menerima arus antara pin input dan substrat - lapisan topi IC diletakkan. Ketika Anda meningkatkan Vin> Vdd, arus efektif mengalir keluar dari ICV ke peri negeri hantu yang tidak diketahui oleh iC dan bahwa perancang tidak dan biasanya tidak dapat mendesain untuk itu. Setelah di sana Anda memiliki potensi kecil; s pengaturan yang tidak pernah normal di sana dan saat ini dapat mengalir kembali ke mode sirkuit yang berdekatan, dari node tidak cukup berdekatan atau bahkan ke lokasi beberapa tempat jauh tergantung pada seberapa besar arus dan berapa voltase yang diatur. Alasan mengapa ini sulit untuk dijelaskan dan dijabarkan adalah karena ini sepenuhnya tidak dirancang dan pada dasarnya tidak dapat dirancang. Salah satu efeknya adalah untuk mengalirkan arus ke floating node yang tidak memiliki jalur output formal. Ini dapat bertindak sebagai gerbang untuk FET - formal atau tidak disengaja, yang mengaktifkan atau menonaktifkan bagian semi-acak dari sirkuit Anda. Bagian mana? Kapan? Seberapa sering? Berapa lama? Seberapa keras? Jawaban - siapa yang bisa mengatakan / tidak ada yang tahu - itu tidak dirancang dan tidak dirancang.

T: Apakah ini benar-benar terjadi? A: Oh ya! T: Apakah saya sudah melihatnya terjadi? A: Ya.

Saya memulai apa yang sekarang telah terbukti sebagai perang salib 1+ dekade untuk membuat orang sadar akan hal ini (walaupun saya seharusnya sudah menyadarinya) setelah digigit dengan sangat buruk.
Saya memiliki rangkaian serial async yang relatif sederhana yang menyebabkan saya tidak ada akhir perselisihan. Operasi prosesor adalah intermiten atau semi acak. Terkadang kode salah dan tidak kali lain. Tidak ada yang stabil. Masalah? Konduksi dioda tubuh, tentu saja. Saya telah menyalin rangkaian sederhana dari catatan aplikasi yang disertakan dengan produk dan kemudian kami pergi.

Jika Anda melakukan ini tanpa peduli itu akan menggigit Anda.
Jika Anda melakukannya dengan hati-hati dan cerdas serta mendesainnya mungkin tidak akan menggigit Anda. Tapi mungkin.
Ini mirip dengan menarik garis tengah ke lalu lintas yang sedang berlangsung untuk menyalip - dilakukan dengan hati-hati dan tidak terlalu sering dan meninggalkan margin yang cukup baik yang biasanya Anda tidak akan mati. Jika Anda melakukannya, Anda mungkin tidak akan terkejut :-). Begitu pula dengan konduksi dioda tubuh. Rentang microampip microchip "mungkin OK. Atmel 1 megohm dari kabel listrik adalah kecelakaan yang menunggu untuk terjadi. Sesuaikan diri Anda.

Cukup gunakan inverter yang terbuat dari satu transistor dan beberapa resistor. Karena Anda mengukur frekuensinya, tidak masalah apakah sinyalnya terbalik atau tidak - frekuensinya sama. Anda dapat menggunakan "transistor digital" yang memiliki resistor di dalamnya atau Anda dapat menggunakan hampir semua transistor biasa dan menambahkan (10K atau lebih) basis resistor di luar (yang antara basis dan emitor tidak wajib, tetapi Anda dapat menambahkannya juga) . Saya menggunakan sirkuit ini untuk mengubah tegangan dari 25Vtop ke 5Vtop untuk mengukur frekuensi saluran AC.

Cara termudah adalah dengan menjepit sinyal input ke Vcc (+ 5V):

Nilai resistor tidak kritis, tetapi seharusnya tidak terlalu kecil; mungkin di kisaran 10-100 kOhms.

Jika Anda benar-benar pilih-pilih tentang persyaratan Vcc + 0.3V, Anda harus menggunakan dioda Schottky; tapi saya pikir μC Anda tidak akan dirugikan jika Anda menggunakan 1N4148 biasa.

EDIT:
Untuk mendukung pendapat saya bahwa benar-benar menghemat menggunakan sirkuit ini (berbeda dengan kekhawatiran yang disebutkan dalam komentar) lihat publikasi berikut tentang topik ini; terutama dari produsen IC:

Microchip:

bab 8.pdf , Tip # 10, Gambar 10-1 dan 10-2

Banyak produsen melindungi pin I / O mereka dari melebihi spesifikasi tegangan maksimum yang diijinkan dengan menggunakan dioda penjepit. Dioda penjepit ini menjaga pin agar tidak lebih dari penurunan dioda di bawah VSS dan penurunan dioda di atas VDD. Untuk menggunakan dioda penjepit untuk melindungi input, Anda masih perlu melihat arus melalui dioda penjepit. Arus melalui dioda penjepit harus dijaga tetap kecil (dalam kisaran ampli mikro). Jika arus melalui dioda penjepit menjadi terlalu besar, maka Anda berisiko bagian terkunci.

Atmel:

doc2508.pdf , Gambar 1

Untuk melindungi perangkat dari voltase di atas VCC dan di bawah GND, AVR memiliki dioda penjepit internal pada pin I / O (lihat Gambar 1). Dioda terhubung dari pin ke VCC dan GND dan menyimpan semua sinyal input di dalam tegangan operasi AVR (lihat Gambar 2). Setiap tegangan yang lebih tinggi dari VCC + 0.5V akan dipaksa turun ke VCC + 0.5V (0.5V adalah penurunan tegangan dioda) dan tegangan apa pun di bawah GND - 0.5V akan dipaksa hingga GND - 0.5V.
Dengan menambahkan resistor besar secara seri, dioda ini dapat digunakan untuk mengubah sinyal sinus tegangan tinggi menjadi sinyal gelombang persegi tegangan rendah, dengan amplitudo dalam tegangan operasi AVR ± 0,5V. Dioda dengan demikian akan menjepit sinyal tegangan tinggi ke tegangan operasi AVR.

Texas Instruments

slya014a.pdf "3.7 Sirkuit Perlindungan Eksternal", Gbr. 13

Biasanya, tidak ada kesulitan dalam memilih resistor yang cocok untuk rangkaian input. Nilai resistor dari 1 kΩ hingga 10 kΩ biasanya sesuai. Dalam praktiknya, biasanya cukup menggunakan hanya resistor bernilai tinggi, tanpa dioda tambahan.

dan bahkan untuk IC
analog yang diusulkan Perangkat Analog

EDch 11 tegangan berlebih dan emi.pdf

Untuk amplifier yang membutuhkan perlindungan eksternal terhadap penyalahgunaan tegangan lebih dan pembalikan fase output, teknik yang umum adalah menggunakan resistansi seri, Rs, untuk membatasi arus gangguan, dan dioda Schottky untuk menjepit sinyal input ke suplai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.7. Resistansi seri masukan eksternal, Rs, akan disediakan oleh pabrikan amplifier, atau ditentukan secara empiris oleh pengguna dengan metode yang sebelumnya ditunjukkan pada Gambar 11.2 dan Persamaan. 11.1. Lebih sering daripada tidak, nilai resistor ini akan memberikan perlindungan yang cukup terhadap pembalikan fase tegangan output, serta membatasi arus gangguan melalui dioda Schottky.

Pepatah

Overvoltage Protection (OVP) untuk Aplikasi Penguat Sensitif

Aturan praktis industri adalah memilih RLIMIT sehingga tidak lebih dari 5mA akan mengalir melalui input IC.

Akhirnya mari kita lihat apa yang dikatakan
Horowitz / Hill "The Art of Electronis" tentang topik ini:

Input CMOS tidak menarik arus (...) untuk voltase input antara arde dan voltase suplai. Untuk voltase di luar kisaran suplai, input tampak seperti sepasang dioda penjepit ke suplai positif dan ground. Arus sesaat yang lebih besar dari sekitar 10mA melalui dioda ini adalah semua yang diperlukan untuk menempatkan banyak perangkat CMOS ke dalam SCR latchup (...; desain yang lebih baru tahan terhadap arus yang lebih tinggi dan cenderung resitant, atau kebal terhadap penyakit ini; misalnya HC dan HCT keluarga dapat didorong 1,5 V di luar rel pasokan tanpa kerusakan atau kerusakan).

EDIT2:
Saya kira apa yang sangat diperhatikan Russel adalah efek Latch-up, bahwa IC modern jauh lebih tahan terhadap serangan seperti pada hari-hari awal. Mungkin itu menjelaskan entah bagaimana "perang salib 1+ dekade" -nya.

EDIT3:
Lembar data PIC16F1827 ("30.0 SPESIFIKASI LISTRIK") mengatakan peringkat absolut absolut untuk arus penjepit Ik adalah 20mA. Itulah arus yang akan merusak chip. Catatan Aplikasi mengusulkan arus dalam rentang μA.

EDIT4
Saya menemukan catatan aplikasi lain oleh Microchip semata-mata didedikasikan untuk masalah "Menggunakan ESD Parasitic Diodes pada Microcontrollers Sinyal Campuran" .

Is mengatakan tegangan lebih (lebih dari Vdd + 0.3V) dapat menyebabkan masalah jika diterapkan pada pin yang dapat digunakan sebagai input analog.

Solusi pertama adalah untuk mencegah timbulnya tegangan lebih pada pin I / O pada mikrokontroler. Ini dapat dilakukan dengan menambahkan dioda Schottky ke VDD dan dari VSS pada setiap pin yang bisa melihat tegangan tinggi. Ini akan menjepit tegangan ke VDD + 0.3V

... seperti yang saya sarankan dari awal.

Dokumen ini juga menjelaskan bahwa tidak benar bahwa kelebihan tegangan yang diterapkan pada input pengontrol Microchip menghasilkan arus ke dalam media (seperti yang diklaim dalam komentar). Ini hanya dapat terjadi pada undervoltage (= di bawah Vss; lihat paragraf "Undervoltage") yang bukan topik pertanyaan ini.

(Arus yang masuk ke substrat tidak dapat terjadi pada tegangan berlebih dan undervoltage karena tergantung pada doping media. Entah itu p-atau n-doping, tidak keduanya pada saat yang bersamaan)

Cukup gunakan pembagi dan penguat non-pembalik bertenaga 5V dengan gain minimal 3x.

Jadi, pada 5V Anda akan memiliki lagi output 5V, dan sama pada 15V karena akan jenuh. Mungkin lebih baik menggunakan solusi rail-to-rail, tetapi itu tidak sepenuhnya diperlukan jika Anda hanya ingin mendeteksi tepi.

Anda mungkin ingin mempertimbangkan sesuatu yang tidak penting, seperti transceiver atau penerima RS232. Sebagian besar akan menangani hingga 25V (karena spesifikasi RS232 adalah +/- 25V maks) dan beberapa voltase bahkan lebih tinggi, ditambah Anda bisa mendapatkan yang dengan isolasi 100% untuk melindungi sirkuit Anda dari ground-loop dan masalah listrik buruk lainnya.

Meskipun RS232 seharusnya menjadi tegangan +/-, sebagian besar chip RS232 modern menganggap sedikit di atas tanah sebagai ambang untuk sinyal negatif, sehingga input Anda harus bekerja dengannya. Alasan ini harus bekerja pada chip RS232 adalah bahwa banyak output RS232 bastardized tidak menghasilkan +/-, tetapi sebaliknya adalah sinyal positif atau ground, sehingga chip RS232 modern harus bekerja dengan jenis sinyal tersebut. Periksa setiap lembar data untuk ambangnya.

Sinyal tingkat logika yang Anda keluarkan akan terbalik, tetapi ini seharusnya tidak menjadi perhatian karena Anda mengukur frekuensi.

+/- 50V Terisolasi, 3.0V hingga 5.5V, 250kbps, 2 Tx / 2 Rx, RS-232 Transceiver: http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/3368

Berbagai chip RS232 lainnya: http://www.maxim-ic.com/products/protection/esd/rs232.cfm

Anda orang-orang dengan masalah khusus dengan dioda tubuh atau dioda penjepit mungkin tidak memiliki kapasitor yang cukup besar di seluruh catu daya yang dekat dengan IC.

Dioda memancarkan arus ke pasokan +. Jika tidak ada kapasitor yang cukup besar untuk menyerap ini akan menyebabkan masalah. Hanya saja rel pasokan berduri. Karena Anda menggunakan kapasitor yang sangat kecil (0,1 uF?)

Itu tidak ada hubungannya dengan misteri di dalam silikon.

Pastikan Anda memiliki tutup yang layak (10uF) di dekat chip Tergantung pada seberapa banyak arus yang Anda lalui melalui dioda tubuh.

10mA baik-baik saja. Ini adalah dioda.

Saya tidak menggunakan dioda perlindungan eksternal. Saya menggunakan resistor 2k7. Anda dapat menghubungkan 12 volt ke input bagian 5V, tidak ada masalah. Jangan khawatir. Cobalah untuk memahami apa yang sebenarnya terjadi sebelum Anda mulai berbicara tentang jaring apung dan menyuntikkan arus ke negeri peri.