マイクロコントローラーで5Vを超える信号の周波数を測定


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0VとVtopの間で変化する長方形信号の周波数(最大300 Hz)を測定したいのですが、Vtopは5Vから15Vの間です。マイコン(PIC16F1827)に5V以上はかけられないので、なんとかして電圧を制限する必要があります。

私の最初のアイデアは、分圧器を使用することでした。ただし、5Vの入力信号は低くなります。

2番目のアプローチは、オペアンプ(TS914)を使用することです。5Vで電力を供給しているとき、出力は5Vを超えません。別の電圧測定をフィルタリングするために、このオペアンプを設計にすでに組み込んでいます。しかし、データシートを見ると、次のように書かれています(「絶対最大定格」セクション)。

入力電圧と出力電圧の大きさは、VCC + + 0.3Vを超えてはなりません。

LM324などの別のオペアンプを追加する必要がありますか?データシートには、(コモンモード入力電圧範囲(Note 10))と記載されています。

どちらかの入力信号電圧の入力コモンモード電圧が0.3Vを超えて負になることを許可しないでください(25˚C)。コモンモード電圧範囲の上限はV + − 1.5V(25°C時)ですが、V +の大きさに関係なく、どちらかまたは両方の入力が損傷することなく+ 32V(LM2902の場合は+ 26V)に到達できます。

LM324は破損していませんが、デザインで動作しますか(5Vの長方形信号を出力します)?

私が持っていた最後のアイデアは、ツェナーダイオードを使用しています。これはうまくいくでしょうか?

この問題を解決するにはどうしますか?私が考えなかった別の可能性はありますか?


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@Curdが言及したドキュメント-TI-ラッチアップ、ESDおよびその他の現象はすばらしいものであり、すべての回路設計者にとって読む必要があります。もつとも 3章で、彼は外部保護ダイオードとの直列入力抵抗についての彼らが作るのコメントを引用しているところというのメモを行い、コンテキストと対象が一時静電気放電である-高電圧が、明確に定義された最大のエネルギー、信号を継続的に外部からの信号を適用していません。セクション4では、これまで言及してきた寄生トランジスタについて説明します。
ラッセルマクマホン

回答:


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要約されたソリューション:

  • 単一のトランジスタと3つの抵抗が0V \ "5V以上"の信号を受け取り、5V / 0V出力を生成します。抵抗値の例では、信号の負荷は5Vで約80uA、15Vで250uAです。これは、必要に応じて8 uA / 25 uAに削減でき、必要に応じてさらに低くできます。(下の図の大きいバージョン)。

ここに画像の説明を入力してください

  • 25 mAの入力電流負荷に耐えることができれば、390オームの抵抗器と4V7ツェナーで必要なことを実行できます。

  • オペアンプを使用すると、わずかに良い結果が得られますが、1つのトランジスタソリューションで十分です。

  • NEVER ICのクランプ/保護ダイオードは、通常動作時の電流を流すために許しません。あなたは、製品の寿命のすべての日において、信頼性が低く、予期せぬ、おそらくは見かけのない操作を招いています。通常の操作中にこれを行うと、常にデータシートの条件に違反します。

    • あなたはAFEWマイクロアンペアで逃げるまたはUAというの10にもいくつかの、あなたは可能性がありTHINKあなたはマイクロアンペアの100個のを運ぶためにそれらを使用して逃げる持っています。保護ダイオードを使用して通常動作で半分以上の電流を流すすべてのアプリケーションは、データシートの仕様に違反しており、マーフィーを昼食に招待しています。
      結果は予測できません。
      プロのデザインではこれはできません
      それを推奨するアプリノートは、通常、専門家ではありません。
      この回答の最後のセクションを参照してください。

単一トランジスタソリューション:

入力は5〜15Vと表示されていますが、約4V以上であれば何でも機能します。
vin = 4Vの場合Vbase = R2 /(R1 + r2)x 4V = 0.6V。
これは概念的には十分ですが、5Vで十分なドライブが得られます。

示されているR1およびR2の値は推奨値です。
適切なR3および高ベータトランジスタが使用された場合、たとえば100kおよび560 kの値を使用できます。

出力は入力の逆です。つまり、Vinが高い場合、Voutは低くなります。

ここに画像の説明を入力してください

R3は10kか、どんなスーツでもかまいません。

Q1に合う。BC337または同等のSMDを使用します(BC817?)

非常に低い入力電流が必要な場合は、R1とR2を注意して大幅に増やすことができます。たとえば、R1 = 1メガオームの場合、入力電流は15 Vで約15 uA、5ボルトで5 uAです。トランジスタQ1の電流利得が100(たとえばBC337-40の場合は非常に安全)の場合、Icollector = 500 uAなので、5 VのスイングではR3> = 10kなので、22kを上に上げても問題ありません。

抵抗分割器について知っておくべき非常に貴重な事実!!!

少し高く評価された事実は、標準の抵抗器スケールで離れた2つの抵抗器の値Nの比率がほぼ一定であることです。
これは、スケール値が選択される方法において暗黙的です。
E12抵抗値は

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の値の場合、系列は10倍高いスケールを繰り返します。

つまり、R2とR1で示した56kと10kの値は、8つの値が離れています。つまりは、上記1つの値で開始し、9ヶ所をカウントアップして、あなたは5.6取得
ANY 9は離れて(スケールの許容範囲内で)同じ比率を有し、約同等の分圧器を形成するために使用することができる2つの値を。
例:56k / 10k、68k / 12k、82k / 15k 100k / 18kなど

入力回路の負荷が許容範囲内である限り、ツェナーダイオード+抵抗は、希望どおりの動作をします。負荷を軽減したい場合は、オペアンプベースの設計の方が適しています。

データシートの 350ページでは、入力電圧レベルの高低を示しています。どのレベルが適しているかは、使用している入力ピンによって異なりますが、最も安全な値は> = 0.8 x VddまたはVdd = 5V、Vinhi> = 4Vです。
また、データシートには、VinがVdd + 0.3V絶対最大値(正しく動作していなくても)を超えてはならず、実際にはVddを超えるものは危険であると記載されています。


警告:

Vddにダイオードクランプを使用するというカードの推奨事項は一般的な方法ですが、通常の動作中にメーカーが意図しない場所に電流をICに注入するため、非常に危険です。結果は変化し、予測できません。シリコンダイオードではなくShottkyを使用すると、リスクが低くなりますが、それでもお勧めできず、絶対最大製造元の仕様にも違反します。


ツェナークランプ:

この単純な回路で十分かもしれません。

ここに画像の説明を入力してください

重要なことは、Voutが常に仕様に適合することを保証することです。多くの人がxxボルトのツェナーダイオードを使用しており、XXボルトが得られると想定しています。低電流では、これはしばしば真実とはかけ離れています。以下の曲線は、一般的なツェナーのツェナー電圧と電流を示しています。4V7ツェナーを4V以上に駆動するには、約1mAの電流が必要であることに注意してください。最小2 mAで設計した場合、すべてが順調です。これはおそらく予期しない結果をもたらします。
5V in。i = 2 mA。予想されるVzener = 4V2。
R =(5V-4.2)/0.002 A = 0.8 / 0.002 = 400オーム。
390オーム=標準のE12抵抗値と言います。

15 Vでは、電流は約(15-5)/ 400 = 25 mAになると予想されます。

25 mAは許容範囲を超える場合があります。

Vinの範囲を低くすると、Imin- Imaxの範囲が低くなり、Vin minが5Vを数ボルト上回れば、さらに効果的です。

抵抗の電力= V x I =(15-5)x 25 mA = 250 mW = 500 mW抵抗。

ここに画像の説明を入力してください

ツェナー電流電圧曲線V02 x2.jpg

ツェナーデータシートの例


保護ダイオード:

多くの人々は、「絶対最大」定格と推奨動作条件の間のデータシートの違いに気づいていないか、単に無視しています。

絶対最大定格は、デバイスが損傷することなく存続することが保証されている定格です。正常な動作を保証するものではありません。

関係するPICは、絶対最大定格としてピンのVdd + 0.3Vを許可します。この状態での動作は保証されません。

ほとんどのデータシートには、通常の動作中に入力電圧がグランドからVddの範囲を超えてはならないことが明記されています。このデータシートは、数百のページでそうである場合とそうでない場合があります。そうすることはまだ間違っています。

多くの人々は、保護ダイオード電流に関する懸念は根拠がないと考えています。彼らの一部だけが彼らがそう思った日を破った、そして大部分は恐らくそれを破るために生きてきた:-)。

(悪)アトメルアプリケーションノートという注意ここでは、 1メガオーム抵抗使用し、マイクロチップ社のアプリケーションノート(AC電源に接続されている!)をここに-イチジク10-1 10-2は、少なくとも、「言うべき恵みを持っている...貫通電流をクランプダイオードは小さく保つ必要があります(マイクロアンペアの範囲内)。クランプダイオードを流れる電流が大きくなりすぎると、部品がラッチアップする危険があります。」Atmelsの何百ものuAは「マイクロアンペアの範囲内」ではありません。

しかし、ラッチアップはあなたの問題の最小です。部品をラッチアップすると(IC基板への電流によってトリガーされるSCRアクション)、ICはしばしば喫煙の破滅に変わり、何かが間違っている可能性があることに気付きます。

ボディダイオード電流の問題は、すぐに喫煙の影響を受けない場合です。何が起こるかというと、ICは入力ピンと基板の間の電流を受け入れるように設計されていなかったということです-ICが置かれる層。Vin> Vddを上げると、現在の効果はICV本体からiCが認識しておらず、通常は設計できなかったファントムフェアランドに流れ込みます。いったん小さなポテンショが設定されると、通常はそこに決して設定されず、電流は隣接する回路モードに流れたり、まったく隣接していないノードや、電流の大きさや設定されている電圧に応じて、離れた場所に流れたりすることがあります。これを記述してピン留めするのが難しい理由は、完全に設計されておらず、本質的に設計できないためです。1つの効果は、正式な出力パスを持たないフローティングノードに電流を注入することです。これらは、FETのゲートとして機能する可能性があります。これは、回路の半ランダムな部分をオンまたはオフにする、正式または偶発的なものです。どの部分?いつ?どのくらいの頻度で?どのぐらいの間?どれくらい難しい?答え-誰が言うことができる/誰も言うことができない-その設計されていない署名できない。

Q:これは実際に起こりますか? A:はい。 Q:それが起こるのを見ましたか? A:はい。

非常にひどく噛まれた後、人々にこれを知ってもらうために、1年以上前の十字軍であることが証明されたものを始めました(たとえ私はそれをよく知っていなければなりませんが)。
私は比較的単純な非同期シリアル回路を持っていたので、私には争いの終わりはありませんでした。プロセッサの動作が断続的または半ランダムでした。コードに時々障害が発生し、他の場合には障害が発生しませんでした。何も安定していませんでした。問題?もちろんボディダイオード導通。製品に付属のアプリケーションノートから簡単な回路をコピーしていたので、先に進みました。

十分な注意を払わずにこれを行うと、噛まれてしまいます。
あなたが注意と知性とデザインでそれをするならば、それはあなたを噛まないかもしれません。しかし可能性があります。
これは、追い越しのために中心線を進行中のトラフィックに引き込むのと同じです-頻繁にではなく慎重に行われ、通常は死ぬことのない十分なマージンを残します。あなたがそうするなら、あなたはおそらく驚かないでしょう:-)。したがって、ボディダイオードの伝導が原因です。マイクロチップの「マイクロアンペア範囲」は大丈夫かもしれません。Atmelの1メガオームオフの電源は、起こるのを待っている事故です。


ラッセル、あなたの懸念は根拠がないと思います。私が提案しているのは一般的な方法だけでなく、メーカーのアプリケーションノートで推奨されています。私の投稿でアドオンを参照してください。
カード

ラッセル、かなりの出版物または再現可能な独自の実験データによって警告をバックアップしてください。そうでなければ、あなたはただ難解主義をしているだけです。
カード

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@カード-あなたの応答は私の更新後30分以上だったので、あなたはそれを読んでいないか、理解していないか、または無視することを選択したと思います。私が言ったように(1)これが起こった(2)定義により、グロスの場合を除いて正確に再現することはできません。(3)自分で簡単に行うことができます。私は、「当業者」=クランプとして機能するボディダイオードを使用した非同期シリアル受信のために、十分に私の実験セットアップを説明しました。結果=騒乱。(4)難解さは素晴らしい言葉ですが、設計されていない、設計できない側面を理解しましたか。それを行うには、スペックシートに違反する必要がありますか?
ラッセルマクマホン

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最初、私はこのテキストの壁に驚かされましたが、それを通り抜けた後、私は本当にあなたの答えが好きです。役立つ背景情報も含まれています。ありがとうございました!
PetPaulsen 2012年

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+1これは、@ Curdからの不正解とは対照的に、特にトップに浮上する必要があります。
Olin Lathrop、2012年

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1つのトランジスタと2、3の抵抗からなるインバータを使用するだけです。周波数を測定しているので、信号が反転しているかどうかは関係ありません-周波数は同じです。抵抗が内部にある「デジタルトランジスタ」を使用するか、ほとんどすべての通常のトランジスタを使用して外部に(10K程度)ベース抵抗を追加できます(ベースとエミッタの間の抵抗は必須ではありませんが、追加することもできます)。 。この回路を使用して、電圧を25Vtopから5Vtopに変換し、ACライン周波数を測定しました。

シングルトランジスタインバータ


5

最も簡単な方法は、入力信号をVcc(+ 5V)にクランプすることです。

Vccにクランプ

抵抗値は重要ではありませんが、小さすぎてはいけません。多分10-100 kOhmsの範囲です。

Vcc + 0.3Vの要件について本当にうるさい場合は、ショットキーダイオードを使用する必要があります。しかし、通常の1N4148を使用しても、µCが損傷を受けることはないと思います。

編集:(
コメントで言及された懸念とは対照的に)この回路を使用することは完全に節約であるという私の意見をサポートするには、このトピックに関する以下の出版物を参照してください。主にICメーカーから:

マイクロチップ:

第8章.pdf、ヒント#10、図10-1および10-2

多くのメーカーは、クランプダイオードを使用して、I / Oピンを最大許容電圧仕様を超えないように保護しています。これらのクランプダイオードは、ピンがVSSを下回るダイオードドロップおよびVDDを上回るダイオードドロップを超えることを防ぎます。クランプダイオードを使用して入力を保護するには、クランプダイオードを流れる電流を確認する必要があります。クランプダイオードを流れる電流は(マイクロアンペアの範囲で)小さく保つ必要があります。クランプダイオードを流れる電流が大きくなりすぎると、部品がラッチアップする危険があります。

マイクロチップ-Fig10

Atmel:

doc2508.pdf、図1

VCCを超えGND未満の電圧からデバイスを保護するために、AVRにはI / Oピンに内部クランプダイオードがあります(図1を参照)。ダイオードはピンからVCCおよびGNDに接続され、すべての入力信号をAVRの動作電圧内に保ちます(図2を参照)。VCC + 0.5Vより高い電圧は、VCC + 0.5V(0.5Vはダイオードでの電圧降下)に強制され、GND-0.5V未満の電圧は、GND-0.5Vに強制されます。
大きな抵抗を直列に追加することにより、これらのダイオードを使用して、AVRの動作電圧±0.5V以内の振幅で、高電圧の正弦波信号を低電圧の方形波信号に変換できます。したがって、ダイオードは高電圧信号をAVRの動作電圧にクランプします。

Atmel-Fig1

テキサス・インスツルメンツ

slya014a.pdf「3.7外部保護回路」、図13

通常、入力回路に適切な抵抗を選択することは難しくありません。通常、1kΩ〜10kΩの抵抗値が適切です。実際には、通常、ダイオードを追加せずに大きな値の抵抗のみを使用するのが適切です。

TI-Fig13

アナログICについても、アナログ
デバイス

EDch 11過電圧およびemi.pdf

過電圧の乱用と出力位相の反転の両方に対して外部保護が明らかに必要なアンプの場合、一般的な手法は、直列抵抗Rsを使用して故障電流を制限し、ショットキーダイオードを使用して入力信号を電源にクランプして、図11.7。外部入力直列抵抗Rsは、アンプの製造元によって提供されるか、図11.2および式1に示した方法でユーザーが経験的に決定します。11.1 多くの場合、この抵抗の値は、出力電圧の位相反転に対して十分な保護を提供し、ショットキーダイオードを流れる故障電流を制限します。

AnalogDevices-Fig11.2

AnalogDevices-図11.7

マキシム

高感度アンプアプリケーション向けの過電圧保護(OVP)

業界の経験則では、IC入力に流れる電流が5mA以下になるようにRLIMITを選択します。

MaximFig01

最後に、
ホロウィッツ/ヒルの "The Art of Electronis"がこのトピックについて何を言っているかを見てみましょう。

CMOS入力は、グラウンドと電源電圧の間の入力電圧に対して電流(...)を引き出しません。電源範囲を超える電圧の場合、入力は正の電源とグランドに対して1対のクランプダイオードのように見えます。これらのダイオードを流れる約10mAを超える瞬時電流は、多くのCMOSデバイスをSCRラッチアップに入れるために必要なすべてです(...;新しい設計は高電流に耐え、この疾患に対して耐性または免疫力がある傾向があります; HCやHCTなど)ファミリは、誤動作や損傷なしに電源レールを1.5 V超えて駆動できます。

EDIT2:
ラッセルが非常に心配しているのはラッチアップ効果であると思います。それは、現代のICが初期と同様にはるかに耐性があることです。多分それは彼の「10年以上の十字軍」をどういうわけか説明しています。

EDIT3:
PIC16F1827データシート(「30.0電気的仕様」)には、クランプ電流Ikの絶対最大定格は20mAと記載されています。これが、チップを損傷する電流です。アプリケーションノートでは、µA範囲の電流を提案しています。

EDIT4
私は、「ミックスドシグナルマイクロコントローラーでのESD寄生ダイオードの使用」という問題のみに特化したMicrochipによる別のアプリケーションノートを見つけました 。

アナログ入力として使用できるピンに適用すると、過電圧(Vdd + 0.3V以上)が問題を引き起こす可能性があると言われています。

最初の解決策は、マイクロコントローラのI / Oピンに過電圧が発生しないようにすることです。これは、高電圧が発生する可能性のある各ピンのVDDとVSSにショットキーダイオードを追加することで実行できます。これにより、電圧がVDD + 0.3Vにクランプされます

...最初から提案したとおり。

このドキュメントでは、Microchipコントローラの入力に過電圧が印加された結果、基板に電流が流れることは事実ではないことも明記されています(コメントで主張されているとおり)。これは低電圧(= Vss未満、「低電圧」の段落を参照)でのみ発生する可能性があり、この質問のトピックではありません。

(基板へのこれらの電流は、基板のドーピングに依存するため、過電圧および不足電圧では発生しません。同時にドープされるのではなく、pドープまたはnドープされます。)


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上記は「攻撃」を意味するものではありません。私は自分の提案を批判することはしばしば楽しいことではありません。| あなたは良い仲間です:-)-多くの人がこの種のことをし、頑固に練習を守っています。実際、データシートの仕様に違反しており、未知の隠れた問題を引き起こす可能性があります。何時間、何週間、何ヶ月、何年も問題なく動作する可能性があります。そして、それは可能また、現在進行中の未知の追跡不可能な問題を引き起こします。それは「疫病のように回避されなければならない」。| 私の人生の目標の一つは、この特定の問題に人類を教育することです:-) :-) :-)
ラッセル・マクマホン

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@ラッセル・マクマホン:懐疑的な意見をありがとうございましたが、いくつかの実質的な正当化(たとえば、問題に関する出版物へのリンクまたは再現可能な独自の実験へのリンク)を提供していただければ幸いです。
カード

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@カード:ラッセルは正しいです。あなたの回路はおそらくほとんどの場合機能しますが、それは良い考えではありません。少なくとも、この問題を指摘せずに推奨することはできません。単純な修正は、出力を5.7Vから5.0Vに下げる分圧器で追跡することです。
Olin Lathrop、2012年

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@OlinとRussell:あなたが言っていることに実質的な正当化を提供しなかった-言うまでもなく、製造業者(たとえば、Mircochip、Atmel)は、私が提案したものを正確にアプリケーションノートで推奨している。議論を続ける前にそれらを読んでください。
カード

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アプリノートであらゆる種類の悪いデザインを見てきました。データシートにある実際の仕様を確認してください。動作中の最大ピン電圧を見ると、Vddを超える1つのダイオードの降下が高すぎることがわかります。私はあなたが示すように、ダイオードクランプからの問題を個人的に見ました。正確なPICは覚えていませんが、電流が別のピンのハイサイド保護ダイオードに流れたときに、A / Dの読み取り値がめちゃくちゃになりました。これは本物です。
Olin Lathrop、2012年

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少なくとも3倍のゲインで5Vで電力供給される分周器と非反転アンプを使用するだけです。

したがって、5Vで再び5V出力が得られ、飽和するため15Vでも同じです。レールツーレールソリューションを使用する方がよい場合もありますが、エッジを検出するだけの場合は完全に必要というわけではありません。


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RS232トランシーバーやレシーバーなど、既成のものを検討することをお勧めします。ほとんどは、最大25V(RS232仕様は最大+/- 25Vであるため)およびさらに高い電圧を処理します。さらに、100%絶縁されたものを入手して、グラウンドループやその他の電気的問題から回路を保護できます。

RS232は+/-電圧であると想定されていますが、ほとんどの最新のRS232チップは、グラウンドより少し上が負の信号のしきい値であると見なしているため、入力はそれらで動作するはずです。これがRS232チップで機能する必要がある理由は、粗雑なRS232出力の多くが+/-を出力せず、代わりに正の信号またはグラウンドであるため、最新のRS232チップはこれらのタイプの信号で機能する必要があるためです。各データシートでしきい値を確認してください。

出力されるロジックレベルの信号は反転されますが、周波数を測定しているため、これは問題になりません。

+/- 50V絶縁型、3.0V〜5.5V、250kbps、2 Tx / 2 Rx、RS-232トランシーバー:http : //www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/3368

その他のさまざまなRS232チップ:http : //www.maxim-ic.com/products/protection/esd/rs232.cfm


回路内に未使用のRS232トランシーバーがすでにある場合を除いて、これは非常にコスト効率がよくありません。高電圧入力は、購入するシリコンのごく一部です。 Pentium100の回答は、はるかに安価で小型の等価回路について説明しています。
ケヴィンフェルメール

-1

ボディダイオードまたはクランプダイオードで特別な問題を抱えている人々は、おそらくICの近くの電源の両端に十分な大きさのコンデンサを持っていなかったでしょう。

ダイオードは電流を+電源にシャントしています。これを吸収するのに十分な大きさのコンデンサがない場合、問題が発生します。供給レールが急上昇しているだけです。非常に小さいコンデンサ(0.1uF?)を使用しているため

シリコン内部の謎とは何の関係もありません。

ボディダイオードに流す電流に応じて、チップの近くにまともな(10uF)キャップがあることを確認してください。

10mAで結構です。ダイオードです。

外付けの保護ダイオードは使用していません。2k7抵抗を使用しています。12ボルトを5Vパーツの入力に接続できますが、問題はありません。心配ない。フローティングフェットについて話し、妖精の土地に流れを注入する前に、実際に何が起こっているのかを理解してください。

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