Би - Електроника 2025

Още в ерата на ENIAC компютрите са по-аналогови по своята същност и използват много малко цифрови интегрални схеми. Днес средният компютър на Джо работи с множество нива на напрежение, хората, които са видели SMPS на процесора, биха забелязали, че компютърът ви изисква ± 12V, + 5V и + 3.3V за работа. Тези нива на напрежение са много важни за компютър; специфично напрежение определя състоянието на сигнала (високо или ниско). Това високо състояние се приема от компютъра като двоично 1, а ниското състояние като двоично 0. В зависимост от условието 0 и 1 компютърът произвежда данни, кодове и инструкции за предоставяне на необходимия изход.

Съвременните логически нива на напрежение до голяма степен варират от 1.8V до 5V. Стандартните логически напрежения са 5V, 3.3V, 1.8V и т.н. Но как системата или контролер, работещ с 5V логическо ниво (Пример Arduino) комуникира с друга система, която работи с 3.3V (Пример ESP8266) или друго различно напрежение ниво? Този сценарий често се среща в много проекти, където има множество микроконтролери или се използват сензори и решението тук е да се използва преобразувател на логическо ниво или превключвател на логически нива. В тази статия ще научим повече за преобразувателите на логически нива и също така ще изградим проста схема на двупосочен преобразувател на логическо ниво, използвайки MOSFET, която ще ви бъде полезна за вашите схеми.

Входно напрежение на високо и ниско ниво

От страна на микропроцесора или микроконтролера обаче, стойността на логическото напрежение не е фиксирана; има известна толерантност. Например, приетата Logic High (логика 1) за 5V микроконтролери с логическо ниво е минимум 2,0 V (минимално входно напрежение от високо ниво) до максимум 5,1 V (максимално входно напрежение от високо ниво). По същия начин, за логически ниско (логика 0) приетата стойност на напрежението е от 0V (минимално входно напрежение от ниско ниво) до максимум 8V (максимално входно напрежение от ниско ниво).

Горният пример е верен за микроконтролери с логическо ниво 5V, но също така са налични микроконтролери с логическо ниво 3.3V и 1.8V. При такъв тип микроконтролери обхватът на напрежението на логическото ниво ще варира. Можете да получите съответната информация от листа с данни на този конкретен IC контролер. Когато използвате преобразувател на ниво на напрежение, трябва да се внимава стойността на високото и ниското напрежение да е в границите на тези параметри.

Двупосочен преобразувател на логическо ниво

В зависимост от приложението и техническата конструкция се предлагат два вида нивелири, еднопосочен преобразувател на логическо ниво и двупосочен преобразувател на логическо ниво. При еднопосочни преобразуватели на ниво, входните щифтове са предназначени за един домейн на напрежението, а изходните щифтове са предназначени за другия домейн на напрежението, но това не е така при двупосочните преобразуватели на ниво, които могат да преобразуват логически сигнали в двете посоки. За двупосочните преобразуватели на нива всеки домейн на напрежението има не само входни щифтове, но и изходен щифт. Например, ако осигурите 5.5V към входната страна, тя ще го преобразува до 3.3V от изходната страна, по същия начин, ако осигурите 3.3V към изходната страна, тя ще го преобразува до 5V от входната страна.

В този урок ще изградим прост двупосочен преобразувател на нива и ще го тестваме за преобразуване от висока към ниска и от ниска към висока.

Прост двупосочен преобразувател на логически нива

Проста схема на двупосочен логически преобразувател е показана на изображението по-долу.

Схемата използва n-канален MOSFET за преобразуване на логическото ниво на ниско напрежение в логическо ниво на високо напрежение. Може да се изгради и прост преобразувател на логическо ниво, като се използват резистивни делители на напрежението, но това ще доведе до загуба на напрежение. MOSFET или транзисторните логически преобразуватели на ниво са професионални, надеждни и по-безопасни за интегриране.

Схемата също така използва два допълнителни компонента, R1 и R2. Това са изтеглящи резистори. Поради най-ниския брой части, това е и рентабилно решение. В зависимост от горната схема ще бъде изграден прост двупосочен двупосочен логически преобразувател от 3.3V до 5V.

Преобразувател на ниво от 5V до 3.3V с помощта на MOSFET

Най- 5V на 3.3V двупосочно логическо ниво конвертор верига може да се види в изображението по-долу -

Както можете да видите, ние трябва да осигурим постоянно напрежение от 5V и 3.3V към резисторите R1 и R2. Щифтовете Low_side_Logic_Input и High_Side_Logic_Input могат да бъдат взаимозаменяеми използват като вход и изход игли.

Компонентите, използвани в горната схема са

R1 - 4.7k

R2 - 4.7k

Q1 - BS170 (N-канален MOSFET).

И двата резистора са 1% толерантни. Резистори с 5% толеранс също ще работят. Пинтовете на BS170 MOSFET могат да се видят на изображението по-долу, което е в реда Drain, Gate и Source.

Конструкцията на веригата се състои от два издърпващи резистора по 4.7k всеки. Изтичането и изходният щифт на MOSFET се изтеглят до желаното ниво на напрежение (в този случай 5V и 3.3V) за преобразуване от ниска към висока или висока към ниска. Можете също да използвате всяка стойност между 1k до 10k за R1 и R2, тъй като те действат само като издърпващи резистори.

За перфектното работно състояние има две условия, които трябва да бъдат изпълнени при конструирането на веригата. Първото условие е, че логическото напрежение на ниско ниво (в този случай 3.3V) трябва да бъде свързано с източника на MOSFET, а логическото напрежение на високо ниво (5V в този случай) трябва да бъде свързано към източващия щифт на MOSFET. Второто условие е, портата на MOSFET трябва да бъде свързана към захранването с ниско напрежение (в този случай 3.3V).

Симулация на двупосочен преобразувател на логически нива

Пълната работа на веригата за превключване на логическо ниво може да се разбере чрез използване на резултати от симулация. Както можете да видите на GIF изображението по-долу, по време на логическо преобразуване от високо ниво към ниско нивото на логическия входен щифт се измества между 5V и 0V (земя) и логическият изход се получава като 3.3V и 0V.

По същия начин по време на преобразуване от ниско до високо ниво логическият вход е между 3.3V и 0V се преобразува в логически изход от 5V и 0V, както е показано на GIF изображението по-долу.

Логическа верига на преобразувател на нива работи

След като изпълни тези две условия, веригата работи в три състояния. Състоянията са описани по-долу.

Когато долната страна е в логика 1 или високо състояние (3.3V).
Когато долната страна е в логическо 0 или ниско състояние (0V).
Когато високата страна променя състоянието от 1 на 0 или високо на ниско (5V на 0V)

Когато ниската страна е висока, това означава, че напрежението на източника на MOSFET е 3.3V, MOSFET не провежда поради Vgs праговата точка на MOSFET не е постигната. В този момент портата на MOSFET е 3.3V, а източникът на MOSFET също е 3.3V. Следователно Vgs е 0V. MOSFET е изключен. Логика 1 или високо състояние на входа на ниската страна се отразява на източващата страна на MOSFET като 5V изход чрез издърпващия резистор R2.

В тази ситуация, ако долната страна на MOSFET промени състоянието си от високо на ниско, MOSFET започва да провежда. Източникът е в логиката 0, следователно високата страна също стана 0.

Тези по-горе две условия успешно преобразуват логическо състояние на ниско напрежение в логическо състояние на високо напрежение.

Друго работно състояние е, когато горната страна на MOSFET променя състоянието си от високо на ниско. Това е времето, когато диодът на субстрата за източване започва да провежда. Ниската страна на MOSFET се издърпва до ниско ниво на напрежение, докато Vgs прекоси праговата точка. Линията на шината както на участъка с ниско, така и на високо напрежение стана ниска при едно и също ниво на напрежение.

Скорост на превключване на конвертора

Друг важен параметър, който трябва да се има предвид при проектирането на преобразувател на логическо ниво, е скоростта на прехода. Тъй като повечето логически преобразуватели ще се използват между комуникационни шини като USART, I2C и т.н., е важно логическият преобразувател да превключва достатъчно бързо (скорост на преход), за да съответства на скоростта на предаване на комуникационните линии.

Скоростта на преминаване е същата като скоростта на превключване на MOSFET. Следователно в нашия случай според таблицата с данни BS170 времето за включване на MOSFET и времето за изключване на MOSFET е посочено по-долу. Следователно е важно да изберете правилния MOSFET за вашия дизайн на преобразувател на логическо ниво.

Така че нашият MOSFET тук изисква 10nS за включване и 10nS за изключване, което означава, че може да се включи и изключи 10,00,000 пъти за една секунда. Ако приемем, че нашата комуникационна линия работи със скорост (скорост на предаване) 115200 бита в секунда, тогава това означава, че тя се изключва и изключва само 1,15,200 за една секунда. Така че можем много добре да използваме нашето устройство и за комуникация с висока скорост на предаване.

Тестване на вашия Logic Converter

Следните компоненти и инструменти са необходими за тестване на веригата -

Захранване с два различни изхода на напрежение.
Два мултиметра.
Два тактилни превключвателя.
Малко проводници за връзка.

Схемата е модифицирана, за да тества веригата.

В горната схема са въведени два допълнителни тактилни превключвателя. Също така е приложен мултицет за проверка на логическия преход. Чрез натискане на SW1, долната страна на MOSFET променя състоянието си от високо на ниско и преобразувателят на логическо ниво работи като преобразувател на логическо ниво от ниско напрежение към високо напрежение.

От друга страна, чрез натискане на SW2, високата страна на MOSFET променя състоянието си от високо на ниско и преобразувателят на логическо ниво работи като преобразувател на логическо ниво на високо напрежение в ниско напрежение.

Веригата е конструирана в макет и тествана.

Горната снимка показва логическото състояние от двете страни на MOSFET. И двамата са в състояние Logic 1.

Пълното работещо видео може да се види в видеото по-долу.

Ограничения на Logic Level Converter

Веригата със сигурност има някои ограничения. Ограниченията силно зависят от избора на MOSFET. На напрежението максимум и изтичане на ток може да се използва в тази верига зависи от спецификацията на MOSFET на. Също така, минималното логическо напрежение е 1,8V. По-малко от 1,8 V логическо напрежение няма да работи правилно поради ограничението Vgs на MOSFET. За по-ниско напрежение от 1,8 V могат да се използват специални преобразуватели на логическо ниво.

Значение и приложения

Както беше обсъдено в уводната част, несъвместимото ниво на напрежение в цифровата електроника е проблем за взаимодействието и предаването на данни. Следователно се изисква преобразувател на ниво или нивелир, за да се преодолеят грешките, свързани с нивото на напрежението в схемата.

Поради наличието на вериги за логически нива с широк обхват на пазара на електроника, както и за различните микроконтролери на ниво напрежение, превключвателят на логическо ниво има невероятен случай на употреба. Няколко периферни устройства и стари устройства, които работят на базата на I2C, UART или аудио кодек, се нуждаят от преобразуватели на нива за комуникационни цели с микроконтролер.

Би