цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Схемы сдвига уровня напряжения: виды, принцип работы, использование


Схемы сдвига уровня напряжения: виды, принцип работы, использование

Автор: Mike(admin) от 15-04-2022, 03:55

Схема сдвига логических уровней напряжения


Схемы сдвига логического уровня или преобразователь уровня напряжения используется для перевода сигналов с одного логического уровня в другой. В настоящее время большая часть системы работает от напряжения 3,3 В или 5 В. Логический уровень – это просто ВЫСОКИЙ (HIGH) и НИЗКИЙ (LOW) уровень напряжения для определенной платы или микросхемы. Зачастую для создания связи между процессорами, датчиками или платами с разными уровнями напряжения необходима схема сдвига логического уровня.


Давайте рассмотрим пример. Если вы хотите соединить модуль ESP8266, работающий от 3,3 В, с платой Arduino UNO, которая представляет собой плату с напряжением 5 В, вам понадобится схема сдвига уровня для преобразования сигналов 5 В в 3,3 В и наоборот. В противном случае вы можете повредить микросхему ESP.


Стандартные логические уровни и где они используются


В настоящее время тремя наиболее распространенными логическими уровнями являются 1,8 В, 3,3 В и 5 В. Зачем нужны данные стандарты? Простая причина этого заключается в том, что это напряжения, необходимые для активации транзисторной логики платы или микросхемы. Для логики с одним транзистором, такой как вентиль НЕ, нам нужно подать напряжение более 0,7 В на базу этого транзистора, чтобы активировать его. Таким образом, для логики с одним транзистором напряжение больше 0,7 В соответствует логической единице, а все, что меньше – логическому нулю.


Теперь, когда транзистор используется для управления другим транзистором, нам нужно удвоить напряжение по сравнению с напряжением одного транзистора. Так вот, пороговое напряжение будет 1,4В. Другой пример – ДТЛ (диодно-транзисторная логика). Диод имеет прямое падение напряжения 0,7 В, поэтому нам нужно 1,4 В, чтобы активировать схему. Хороший запас повышает безопасность, поэтому 1,8 В было выбрано в качестве стандарта для этих схем. Для выполнения задачи несколькими транзисторами требуется более высокий уровень напряжения 3 В или 5 В. Таким образом, процессоры или платы имеют разные уровни напряжения, и все эти платы, процессоры или датчики должны сосуществовать для различных приложений, и это делается путем формирования схемы сдвига логического уровня.


Почти все новые семейства плат и датчиков работают с логическим уровнем 3,3 В. Если они должны быть подключены к плате 5 В, такой как Arduino UNO, необходимо преобразование напряжения. Однако есть определенные случаи, когда нам не нужны какие-либо схемы преобразования для сопряжения двух плат с разными уровнями напряжения. Мы все знаем из базовой электроники, что в большинстве случаев уровень напряжения выше 2 В соответствует логической единице для большинства плат, а уровень напряжения менее 0,8 В соответствует логическому нулю. Таким образом, мы можем легко подавать сигналы 3,3 В на процессор/плату 5 В без дополнительной схемы. Но, конечно, необходимо сверяться с документацией на используемую микросхему на предмет порогового уровня напряжения. Для обратных условий, когда мы хотим подать сигналы 5 В на плату 3,3 В, некоторые платы состоят из фиксирующих диодов для защиты кремния от высокого напряжения. В этом случае достаточно большого последовательно включенного резистора. Но все зависит от платы, которую вы используете. Теперь давайте рассмотрим некоторые схемы сдвига уровня напряжения.


Схема преобразования 5 В в 3,3 В


Самый простой способ преобразовать сигналы 5 В в сигналы 3,3 В – сделать делитель напряжения. Эту задачу может выполнить делитель напряжения, состоящий из резисторов 1 кОм и 2 кОм. Выходное напряжение делителя напряжения можно рассчитать по следующему уравнению:


Схемы сдвига уровня напряжения: виды, принцип работы, использование

Схемы сдвига уровня напряжения: виды, принцип работы, использование

Rx будет резистором, на котором мы измеряем выходное напряжение. В данном конкретном случае это будет резистор 2 кОм. Например, когда вам нужно соединить устройство SPI 3,3 В с платой 5 В, вам просто нужно соединить выводы MOSI, CLK и CS с делителем напряжения и оставить вывод MISO неподключенным.


Схема преобразования 3,3 В в 5 В


Для обратного преобразования нужна двухтранзисторная логика. Мы соединяем две инвертирующие конфигурации транзистора последовательно, чтобы получить неинвертирующий выход +5В. Когда мы подаем 3,3 В на первый транзистор, он насыщается и подает инвертирующий сигнал на второй транзистор, который снова инвертирует уровень и дает на выходе сигнал +5 В. Кроме того, нам необходимо учитывать падение напряжения на резисторе R2 и понимать, что использование N-канального МОП-транзистора вместо NPN-транзистора на Q2 обеспечит низкое падение напряжения на выходе, близкое к +5 В.


Схемы сдвига уровня напряжения: виды, принцип работы, использование

Сдвиг логического уровня для нескольких линий ввода/вывода


В случае нескольких линий ввода/вывода лучше использовать микросхему триггера Шмитта. Шестиканальный неинвертирующий триггер Шмитта IC 74HC4050 представляет собой хороший вариант для этой задачи. Триггер Шмитта на самом деле является схемой компаратора, которая преобразует аналоговый вход в цифровые сигналы. Короче говоря, он фиксирует сигналы.


Однако устройства I2C не могут быть сопряжены с использованием этих методов преобразования, поэтому для данной задачи нам нужен двунаправленный переключатель логического уровня. Для этого можно использовать микросхему 74LCX245, низковольтный двунаправленный переключатель логического уровня. Вы можете подать уровень напряжения 3,3 В с помощью микросхемы LM317 на микросхему транслятора. Очень важно отметить пороговые уровни напряжения и задержки, связанные с этими микросхемами. Техническая документация обеих микросхем содержит простую в использовании таблицу значений задержек и уровней напряжения. Мы рекомендуем ознакомиться с ними, чтобы проверить, подходят ли эти микросхемы для ваших приложений.


Схемы сдвига уровня напряжения: виды, принцип работы, использование

Схемы сдвига уровня напряжения: виды, принцип работы, использование

Схемы сдвига уровня напряжения: виды, принцип работы, использование

Двунаправленная схема сдвига логического уровня


Простая двунаправленная схема сдвига логического уровня собрана на одном транзисторе и, поскольку скорость переключения не имеет значения, представляет собой очень удобную схему.


Схемы сдвига уровня напряжения: виды, принцип работы, использование

Когда напряжение HIGH (вывода) равно логической 1 (т. е. 5 В на этом выводе), сток и исток МОП-транзистора (MOSFET) подключаются к высокому уровню. В этом случае напряжение затвора будет ниже напряжения истока, поэтому полевой МОП-транзистор находится в области отсечки (т. е. неактивен). Таким образом, на вывод LOW подается напряжение 3,3 В, поскольку ток через затвор не протекает. Когда напряжение на HIGH равно логическому 0, напряжение затвора больше, чем напряжение истока, что приведет к понижению напряжения выхода LOW. Точно так же, когда напряжение на LOW равно логической 1, тогда Vgs (напряжение затвор-исток) будет равно 0, и поэтому транзистор будет неактивен, подтягивая вывод HIGH к +5 В. Когда напряжение на LOW равно логическому 0, напряжение затвора снова выше, чем напряжение истока, и напряжение вывода HIGH переходит в низкий уровень.




© digitrode.ru


Теги: сдвиг уровня напряжения, триггер Шмитта




Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий