Лекция
Привет, сегодня поговорим про схемотехника обслуживающих элементов, обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое схемотехника обслуживающих элементов, сопряжение цифровых микросхем, подтягивающий резистор, подтягивающие резисторы, стягивающие резисторы, pull-up resistor, pull-down resistor , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров.
Кроме аналоговых и цифровых блоков устройства могут содержать и дискретные компоненты и сигналы, типа переключателей, клавиатуры, выходов компараторов, индикаторные лампы, реле и т.п. Для сопряжения с ними нет необходимости использовать АЦП и ЦАП, а достаточно более простых цепей, выполняющих обслуживающие функции.
Среди ролей, которые может выполнять резистор в схеме можно выделить следующие:
Мы хотим, чтобы когда кнопка не нажата (цепь разомкнута), вход фиксировал отсутствие напряжения. Но в данном случае вход находится в «никаком» состоянии. Он может срабатывать и не срабатывать хаотично, непредсказуемым образом. Причина тому — шумы, образующиеся вокруг: провода действуют как маленькие антенны и производят электричество из электромагнитных волн среды. Чтобы гарантировать отсутствие напряжения при разомкнутой цепи, рядом с входом ставится стягивающий резистор:
Теперь нежелательный ток будет уходить через резистор в землю. Для стягивания используются резисторы больших сопротивлений (10 кОм и более). В моменты, когда цепь замкнута, большое сопротивление резистора не дает большей части тока идти в землю: сигнал пойдет к входному контакту. Если бы сопротивление резистора было мало (единицы Ом), при замкнутой цепи произошло бы короткое замыкание.
Аналогично, подтягивающий резистор удерживает вход в состоянии логической единицы, пока внешняя цепь разомкнута:
То же самое: используются резисторы больших номиналов (10 кОм и более), чтобы минимизировать потери энергии при замкнутой цепи и предотвратить короткое замыкание при разомкнутой.
Цифровые микросхемы, изготовленные по разным технологиям, отличаются кроме прочих параметров по уровням питающих и сигнальных напряжений, по токам потребления и выдачи, по быстродействию и крутизне фронтов. Эти же различия обуславливают ненадежную работу устройств, собранных на микросхемах разных технологий , из-за различий в уровнях рабочих параметров и уровнях чувствительности по помехам. Поэтому желательно изготавливать устройства на микросхемах, изготовленных только по одной технологии. Если же это не удается, то необходимо предпринять дополнительные меры по повышению помехоустойчивости работы устройства: увеличению сечения шин питания и земли, дополнительные фильтры на шинах питания, гальваническая развязка субблоков и т.п.
При передаче сигналов от ТТЛ ( ТТЛШ) логики на КМОП с напряжением питания у обоих типов микросхем +5 В обычно достаточно подключить подтягивающие резисторы между выходами ТТЛ логики и шиной питания ( рис.11.1а). Об этом говорит сайт https://intellect.icu . При различных напряжениях питания необходимо использовать выходы ТТЛ логики с открытым коллектором, которые через резистор подключены к шине питания КМОП микросхем (рис.11.1б). Если при этом получающиеся фронты сигналов имеют слишком большую длительность, то сигналы в КМОП часть схемы должны приниматься триггерами Шмидта, а затем только поступать в остальную часть схемы.
Рис.11.1 Сопряжение ТТЛ и КМОП логики: а) одинаковое напряжение питания, б) разное напряжение питания
При передаче сигналов от КМОП логики на ТТЛ в зависимости от нагрузочной способности КМОП выхода и входного тока ТТЛ входов возможно использование в самом простом случае резистивного делителя напряжения или ключа, подключенного через резистор к шине питания ТТЛ. Более общим подходом является использование преобразователей уровня (рис.11.2) как для перехода от ТТЛ логики к КМОП, так и в обратном направлении.
Рис.11.2. Использование преобразователей уровня
В качестве примера можно привести широко распространенные преобразователи уровней СD40109 и HS3374RH ( производства фирм TEXAS INSTRUMENTS и INTERSIL).
К этому же классу обслуживающих микросхем относятся преобразователи уровня для работы с различными интерфейсами. Так, например, для работы последовательного интерфейса RS232 уровень логической 1 должен быть порядка +5…+15 В, а уровень логического 0 –
-5…-15 В. Для двухстороннего согласования уровней ТТЛ и RS232 выпускается большое количество специализированных микросхем, наиболее популярной из которых является MAX232 производства фирмы MAXIM, которая кроме самих преобразователей уровней содержит и преобразователь питания +5 В в ±10 В.
Подтягивающий к питанию резистор
Подтягивающий к земле резистор
Подтягивающий резистор — резистор, включенный между проводником, по которому распространяется электрический сигнал, и питанием (pull-up resistor — подтягивающий вверх резистор), либо между проводником и землей ( pull-down resistor — подтягивающий вниз резистор).
Подтягивающий резистор нужен, чтобы гарантировать на логическом входе, с которым соединен проводник, высокий (в первом случае) либо низкий (во втором случае) уровень в случаях:
Цепь с подтягивающим резистором можно сравнить с делителем напряжения из двух резисторов — большого подтягивающего и очень маленького на месте кнопки или открытого стока.
Любой логический вход имеет емкость относительно земли. Если сигнал формируется на открытом выводе ключевого элемента, то чем больше сопротивление подтягивающего резистора, тем больше время нарастания или спада сигнала при размыкании ключевого элемента. Если подтяжка к питанию, то надо учитывать время нарастания сигнала. Если подтяжка к земле, то — время спада сигнала. Время спада или нарастания — это время между размыканием ключа и достижением сигнала порогового напряжения.
Пороговое напряжение — это напряжение, при достижении которого логическим входом фиксируется изменение логического состояния.
Время спада или нарастания — это произведение сопротивления, емкости и коэффициента, который учитывает пороговое напряжение.
При проектировании логических схем приходится рассчитывать сопротивление подтягивающего резистора, при этом известны емкость входа и пороговое напряжение. Время спада или нарастания пропорционально сопротивлению подтягивающего резистора, то есть, например, при увеличении сопротивления вдвое время спада или нарастания увеличится вдвое.
При вводе сигнала от механических ключей, которыми могут быть как обыкновенные кнопки, так и контакты реле, контакты различных датчиков и т.п., возникает дребезг контактов, который может вызывать нежелательные переключения элементов ( например, электронная схема будет воспринимать многократное нажатие кнопки вместо однократного). Типовым решением является использование асинхронного RS-триггера, входы которого через резисторы подключены к шинам питания (рис.11.3).
Рис.11.3. Схема устранения дребезга контактов
При первом же соприкосновении контактов триггер перейдет в соответствующее состояние и в дальнейшем не будет реагировать на последующие соприкосновения с этим же контактом ( однополюсный ключ не может совершать колебания от одного контакта до другого, только ”есть соприкосновение” – ”нет соприкосновения” с тем же контактом).
При проектировании электронной схемы на ПЛИС имеется большое количество логических элементов, но нет резисторов. В таких схемах для устранения дребезга используют схемы подавления импульсных помех, настроенные на длительность дребезга. Для простейшего случая схема приема сигнала приведена на рис.11.4.
Рис.11.4. Схема устранения дребезга и подавления коротких импульсных помех в положительном сигнале
В этой схеме на входы схемы совпадения поступает положительный уровень сигнала ( единичный уровень) и он же, только задержанный. Если время задержки больше длительности сигнала, то на выход схемы совпадения такой сигнал не пройдет. Для устранения дребезга контактов величину задержки устанавливают больше времени наличия дребезга.
В качестве нагрузки электронной схемы могут быть лампы, светодиоды, электромеханические реле, мощные контакторы и пускатели. Если речь идет об устройствах небольшой мощности, то они могут управляться непосредственно от типовых логических выходов, выходов с повышенной нагрузочной способностью, либо с выходов с открытым коллектором (рис.11.5).
Рис.11.5. Непосредственное управление от типовых логических выходов
Если речь идет об управлении мощными устройствами, питающимися от цепи постоянного или переменного тока, то необходимо произвести гальваническую развязку цепей и реализовать ступенчатое управление
( например, логический выход управляет маломощным реле по схеме 11.5б, это реле, в свою очередь, управляет более мощным реле и т.д.). Гальваническая развязка осуществляется с помощью реле (рис.11.5б) или с помощью оптронов (рис.11.6).
Рис.11.6. Гальваническая развязка с помощью оптронов
Наилучшим способом передачи цифровых сигналов на малые и большие расстояния является использование передачи световых сигналов по оптокабелю. Электрический сигнал преобразуется в световой с помощью светодиода или лазера, передается по оптокабелю и принимается фотодиодом. При этом естественным образом осуществляется гальваническая развязка и ликвидируется воздействие различного рода электромагнитных помех на длинную линию передачи. Однако в ряде случаев, если имеют место небольшие помехи, используются и более простые решения. Например, на рис.8.7а приведена схема, когда передача сигнала в линию осуществляется выходом с открытым коллектором, а принимается сигнал триггером Шмидта, восстанавливающим фронты сигнала. Для подавления небольшой помехи может быть использован RC фильтр, как это показано на рис.11.7б.
Рис.11.7. Передача сигнала непосредственно с выхода ТТЛ
Более высокую помехоустойчивость можно получить, передавая по витой паре дифференциальный сигнал, который принимает дифференциальный приемник (рис.8.8).
Рис.11.8. Передача дифференциального сигнала по витой паре
На входе линии связи формируется прямой и инверсный сигналы, которые передаются по ней на дифференциальный приемник, который воспринимает разность напряжений между входами, которая равна 2Uсигн и не содержит напряжение синфазных помех. В качестве дифференциального приемника в таком применении наилучшие результаты дает использование инструментальных усилителей, которые специально разработаны для этого.
Для обеспечения электробезопасности аппаратуры и борьбы с помехами можно использовать гальваническую развязку (рис.11.9).
Рис.11.9. Линия связи с гальванической развязкой
На практике кроме передачи по скрученной паре используют еще передачу по коаксиальному кабелю (рис.11.10). Особенностью использования коаксиального кабеля является необходимость согласования с его волновым сопротивлением ( резистор 51 Ом на рис.11.10, при волновом сопротивлении кабеля 50 Ом) и специальные формирующие элементы ( например, 8Т23 и 8Т24 ).
Рис.11.10. Прием и передача по 50 – Омному коаксиальному кабелю.
1. Принципы сопряжение ТТЛ и КМОП логики.
2. Использование преобразователей уровня.
3. Схема устранения дребезга контактов.
4. Непосредственное управление от типовых логических выходов.
5. Гальваническая развязка с помощью оптронов.
6. Передача сигнала непосредственно с выхода ТТЛ.
7. Передача дифференциального сигнала по витой паре.
8. Линия связи с гальванической развязкой.
9. Прием и передача по 50 – Омному коаксиальному кабелю.
Надеюсь, эта статья про схемотехника обслуживающих элементов, была вам полезна, счастья и удачи в ваших начинаниях! Надеюсь, что теперь ты понял что такое схемотехника обслуживающих элементов, сопряжение цифровых микросхем, подтягивающий резистор, подтягивающие резисторы, стягивающие резисторы, pull-up resistor, pull-down resistor и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров
Термины: Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров