Bi

Kembali ke era ENIAC, komputer lebih bersifat analog dan menggunakan sangat sedikit IC digital. Hari ini komputer Joe rata-rata berfungsi dengan pelbagai tahap voltan, orang yang telah melihat SMPS CPU akan menyedari bahawa komputer anda memerlukan ± 12V, + 5V dan + 3.3V untuk beroperasi. Tahap voltan ini sangat penting untuk komputer; voltan tertentu menentukan keadaan isyarat (tinggi atau rendah). Keadaan tinggi ini diterima oleh komputer sebagai binari 1 dan keadaan rendah sebagai binari 0. Bergantung pada keadaan 0 dan 1 komputer menghasilkan data, kod, dan arahan untuk memberikan output yang diperlukan.

Tahap voltan logik moden banyak berbeza dari 1.8V hingga 5V. Voltan logik standard ialah 5V, 3.3V, 1.8V, dll. Tetapi, bagaimana sistem atau pengawal yang berfungsi dengan tahap logik 5V (Contoh Arduino) berkomunikasi dengan sistem lain yang berfungsi dengan 3.3V (Contoh ESP8266) atau voltan lain yang berbeza tahap? Senario ini sering berlaku dalam banyak reka bentuk, di mana terdapat banyak pengawal mikro atau sensor yang digunakan dan penyelesaiannya di sini adalah dengan menggunakan Logic Level Converter atau Logic Level Shifter. Dalam artikel ini kita akan mempelajari lebih lanjut mengenai Logic Level Converter dan kita juga akan membina litar penukar Logic Level dua arah sederhana menggunakan MOSFET yang akan sangat berguna untuk reka bentuk litar anda.

Voltan Input Aras Tinggi dan Rendah

Walau bagaimanapun, dari sisi mikropemproses atau mikrokontroler, nilai tahap voltan logik tidak tetap; ia mempunyai toleransi dengannya. Sebagai contoh, Logik Tinggi yang diterima (logik 1) untuk mikrokontroler tahap logik adalah minimum 2.0V (Minimum Voltage Input High Level) hingga maksimum 5.1V (Maksimum Voltan Input Aras Tinggi). Begitu juga, untuk logik rendah (logik 0) nilai voltan yang diterima adalah dari 0V (Voltan Input Tahap Rendah Minimum) hingga maksimum 8V (Voltan Input Tahap Rendah Maksimum).

Contoh di atas adalah benar untuk mikrokontroler tahap logik 5V tetapi mikrokontroler tahap logik 3.3V dan 1.8V juga tersedia. Dalam jenis mikrokontroler, julat voltan tahap logik akan berbeza-beza. Anda boleh mendapatkan maklumat yang berkaitan dari lembar data IC pengawal tertentu. Semasa menggunakan penukar tahap voltan, berhati-hati bahawa nilai voltan tinggi dan nilai voltan rendah berada dalam had parameter ini.

Penukar Tahap Logik Dua Hala

Bergantung pada aplikasi dan pembinaan teknikal, tersedia dua jenis pemindah level, Penukar Tahap Logik Unidirectional dan Penukar Tahap Logik Dua arah. Dalam penukar tahap searah, pin input dikhaskan untuk satu domain voltan dan pin output dikhaskan untuk domain voltan yang lain, tetapi ini tidak berlaku untuk penukar tahap dua arah, ia dapat menukar isyarat logik ke dua arah. Untuk penukar tahap dua arah, setiap domain voltan tidak hanya mempunyai pin input tetapi juga mempunyai pin output. Contohnya, jika anda menyediakan 5.5V ke sisi input, ia akan menukarnya menjadi 3.3V di sisi output, sama seperti jika anda menyediakan 3.3V ke sisi output, ia akan mengubahnya menjadi 5V di sisi input.

Dalam tutorial ini, kami akan membina penukar tahap dua arah yang mudah dan akan mengujinya untuk penukaran Tinggi ke Rendah dan penukaran Rendah ke Tinggi.

Penukar Tahap Logik Dua Hala Sederhana

Litar penukar logik dua arah sederhana ditunjukkan dalam gambar di bawah.

Litar menggunakan MOSFET saluran n untuk menukar tahap logik voltan rendah ke tahap logik voltan tinggi. Penukar tahap logik yang sederhana juga boleh dibina dengan menggunakan pembahagi voltan resistif tetapi ia akan menyebabkan kehilangan voltan. Penukar tahap logik berasaskan MOSFET atau transistor adalah profesional, boleh dipercayai, dan lebih selamat untuk disatukan.

Litar ini juga menggunakan dua komponen tambahan, R1 dan R2. Itu adalah perintang tarik. Kerana jumlah bahagian yang paling rendah, ia juga merupakan penyelesaian yang menjimatkan. Bergantung pada litar di atas, penukar logik dwi arah 3.3V hingga 5V akan dibina.

Penukar Tahap 5V hingga 3.3V menggunakan MOSFET

The 5V ke 3.3V dua arah tahap logik penukar litar boleh dilihat dalam gambar di bawah -

Seperti yang anda lihat, kita harus memberikan voltan tetap 5V dan 3.3V kepada perintang R1 dan R2. Pin Low_side_Logic_Input dan High_Side_Logic_Input boleh ditukar ganti sebagai pin Input dan Output.

Komponen yang digunakan dalam litar di atas adalah

R1 - 4.7k

R2 - 4.7k

S1 - BS170 (saluran N MOSFET).

Kedua-dua perintang bertoleransi 1%. Perintang dengan toleransi 5% juga akan berfungsi. Pinout BS170 MOSFET dapat dilihat pada gambar di bawah yang berada dalam urutan Drain, Gate dan Source.

Pembinaan litar terdiri daripada dua perintang tarik 4.7k setiap satu. Saliran dan pin sumber MOSFET ditarik ke tahap voltan yang diingini (dalam kes ini 5V dan 3.3V) untuk penukaran logik rendah ke tinggi atau tinggi ke rendah. Anda juga boleh menggunakan nilai antara 1k hingga 10k untuk R1 dan R2 kerana ia hanya berfungsi sebagai perintang penarik.

Untuk keadaan kerja yang sempurna, terdapat dua syarat yang perlu dipenuhi semasa membina litar. Syarat pertama ialah, voltan logik tahap rendah (3.3V dalam kes ini) perlu disambungkan dengan sumber MOSFET dan voltan logik tahap tinggi (5V dalam kes ini) mesti disambungkan ke pin saliran MOSFET. Syarat kedua ialah, pintu MOSFET perlu disambungkan ke bekalan voltan rendah (3.3V dalam kes ini).

Simulasi Penukar Tahap Logik Dua Hala

Kerja lengkap litar shifter tahap logik boleh difahami dengan menggunakan keputusan simulasi. Seperti yang anda lihat dalam gambar GIF di bawah ini, semasa penukaran logik tahap tinggi ke tahap rendah, pin input Logik dialihkan antara 5V dan 0V (ground) dan output logik diperoleh sebagai 3.3V dan 0V.

Begitu juga semasa penukaran tahap rendah ke tahap tinggi input Logik antara 3.3V dan 0V ditukar menjadi output Logik 5V dan 0V seperti yang ditunjukkan dalam gambar GIF di bawah.

Litar Penukar Tahap Logik Berfungsi

Setelah memenuhi kedua-dua syarat tersebut, litar berfungsi di tiga keadaan. Negeri-negeri dinyatakan di bawah.

1. Apabila sisi rendah berada dalam logik 1 atau keadaan tinggi (3.3V).
2. Apabila sisi rendah berada dalam logik 0 atau keadaan rendah (0V).
3. Apabila sisi Tinggi mengubah keadaan dari 1 hingga 0 atau tinggi ke rendah (5V hingga 0V)

Apabila sisi rendah tinggi, itu bermaksud voltan sumber MOSFET adalah 3.3V, MOSFET tidak berfungsi kerana titik ambang Vgs MOSFET tidak tercapai. Pada ketika ini pintu MOSFET adalah 3.3V dan sumber MOSFET juga 3.3V. Oleh itu, Vgs adalah 0V. MOSFET dimatikan. Logik 1 atau keadaan tinggi dari input sisi rendah mencerminkan bahagian longkang MOSFET sebagai output 5V melalui penarik tarik R2.

Dalam keadaan ini, jika bahagian bawah MOSFET berubah keadaan dari tinggi ke rendah, MOSFET mula berfungsi. Sumbernya berada dalam logik 0, oleh itu sisi tinggi juga menjadi 0.

Kedua-dua keadaan di atas berjaya menukar keadaan logik voltan rendah ke keadaan logik voltan tinggi.

Keadaan lain yang berfungsi adalah apabila bahagian tinggi MOSFET mengubah keadaannya dari tinggi ke rendah. Ini adalah masa ketika diod substrat saliran mula berfungsi. Bahagian rendah MOSFET ditarik ke tahap voltan rendah sehingga Vgs melintasi titik ambang. Jalur bas kedua-dua bahagian voltan rendah dan tinggi menjadi rendah pada tahap voltan yang sama.

Menukar kelajuan Penukar

Parameter penting lain yang perlu dipertimbangkan semasa merancang penukar tahap logik adalah kelajuan Transisi. Oleh kerana kebanyakan penukar logik akan digunakan antara bas komunikasi seperti USART, I2C dan lain-lain, adalah penting bagi penukar logik untuk beralih cukup pantas (kelajuan peralihan) agar sesuai dengan kadar baud dari saluran komunikasi.

Kelajuan peralihan adalah sama dengan kelajuan beralih MOSFET. Oleh itu, dalam kes kami mengikut lembaran data BS170, waktu giliran MOSFET dan waktu tutup MOSFET dinyatakan di bawah. Oleh itu, penting untuk memilih MOSFET yang sesuai untuk reka bentuk penukar tahap logik anda.

Oleh itu, MOSFET kami di sini memerlukan 10nS untuk dihidupkan dan 10nS untuk dimatikan, yang bermaksud ia dapat menghidupkan dan mematikan 10,00,000 kali dalam satu saat. Dengan andaian bahawa talian komunikasi kita beroperasi pada kelajuan (baud rate) 115200 bit sesaat, maka itu bermaksud ia mematikan dan mematikan hanya 1,15,200 dalam satu saat. Oleh itu, kita juga boleh menggunakan peranti kita untuk komunikasi kadar baud yang tinggi.

Menguji Logic Converter anda

Komponen dan alat berikut diperlukan untuk menguji litar -

1. Bekalan kuasa dengan dua output voltan berbeza.
2. Dua multimeter.
3. Dua suis taktil.
4. Beberapa wayar untuk sambungan.

Skema diubah untuk menguji litar.

Dalam skema di atas, dua suis taktil tambahan diperkenalkan. Juga, multimeter dilampirkan untuk memeriksa peralihan logik. Dengan menekan SW1, sisi rendah MOSFET mengubah keadaannya dari tinggi ke rendah dan penukar tahap logik berfungsi sebagai penukar tahap logik voltan rendah ke voltan tinggi.

Sebaliknya, dengan menekan SW2, sisi tinggi MOSFET mengubah keadaannya dari tinggi ke rendah dan penukar tahap logik berfungsi sebagai penukar tahap logik voltan tinggi ke voltan rendah.

Litar dibina di papan roti dan diuji.

Gambar di atas menunjukkan keadaan logik di kedua-dua sisi MOSFET. Kedua-duanya berada dalam keadaan Logik 1.

Video yang berfungsi penuh dapat dilihat dalam video di bawah.

Batasan Penukar Tahap Logik

Litar ini pasti mempunyai beberapa batasan. Batasannya sangat bergantung pada pemilihan MOSFET. The voltan maksimum dan longkang semasa boleh digunakan dalam litar ini adalah bergantung kepada spesifikasi MOSFET ini. Juga, voltan logik minimum ialah 1.8V. Voltan logik kurang dari 1.8V tidak akan berfungsi dengan betul kerana had VGs MOSFET. Untuk voltan yang lebih rendah daripada 1.8V, penukar tahap logik khusus boleh digunakan.

Kepentingan dan Aplikasi

Seperti yang dibincangkan di bahagian pendahuluan, tahap voltan yang tidak serasi dalam elektronik digital adalah masalah untuk antaramuka dan penghantaran data. Oleh itu, penukar aras atau pengubah aras diperlukan untuk mengatasi kesalahan berkaitan tahap voltan dalam litar.

Oleh kerana terdapat rangkaian litar tahap logik yang luas di pasaran elektronik dan juga untuk mikrokontroler tahap voltan yang berbeza, pergeseran tahap logik mempunyai kes penggunaan yang luar biasa. Beberapa peranti periferal dan warisan yang berfungsi berdasarkan I2C, UART, atau codec audio, memerlukan penukar tahap untuk tujuan komunikasi dengan mikrokontroler.

IC Penukar Tahap Logik yang popular

Terdapat banyak pengeluar yang menyediakan penyelesaian bersepadu untuk penukaran tahap logik. Salah satu IC yang popular ialah MAX232. Ini adalah salah satu IC penukar tahap logik yang paling biasa yang menukar voltan logik mikrokontroler 5V hingga 12V. Port RS232 digunakan untuk berkomunikasi antara komputer dengan mikrokontroler dan memerlukan +/- 12V. Kami telah menggunakan MAX232 dengan PIC dan beberapa mikrokontroler lain sebelumnya untuk menghubungkan mikrokontroler dengan komputer.

Terdapat keperluan yang berbeza juga bergantung pada penukaran tahap voltan yang sangat rendah, kelajuan penukaran, ruang, kos, dll.

SN74AX juga merupakan siri penukar tahap voltan dua arah yang popular oleh Texas Instruments. Terdapat banyak IC di segmen ini yang menawarkan peralihan bas bekalan satu hingga 4 bit bersama dengan ciri tambahan.

IC penukar tahap logik dua arah yang popular ialah MAX3394E dari Maxim Integrated. Ia menggunakan topologi penukaran yang sama menggunakan MOSFET. Gambar rajah pin dapat dilihat pada gambar di bawah. Penukar menyokong pin aktif berasingan yang dapat dikendalikan menggunakan mikrokontroler yang merupakan ciri tambahan.

Pembinaan dalaman di atas menunjukkan topologi MOSFET yang sama tetapi dengan konfigurasi saluran-P. Ia mempunyai banyak ciri tambahan seperti perlindungan ESD 15kV pada saluran I / O dan VCC. Skema tipikal dapat dilihat pada gambar di bawah.

Skema di atas menunjukkan litar yang menukar tahap logik 1.8V ke tahap logik 3.3V dan sebaliknya. Pengawal sistem yang boleh menjadi unit mikrokontroler juga mengawal pin EN.

Jadi, ini semua mengenai litar penukaran tahap logik Bi-directional dan berfungsi.