9.7. Практикум: разбираем схемы

Затвор постоянно на +3,3 В. Обе стороны в «1»: исток подтянут к 3,3 В, $U_{\text{ЗИ}}=0$, транзистор закрыт, каждая сторона держит свою «1» своей подтяжкой. Низковольтная сторона тянет вниз: исток опускается, $U_{\text{ЗИ}}$ становится больше порога, транзистор открывается и опускает линию 5 В. Высоковольтная сторона тянет вниз: сначала открывается встроенный диод сток–исток и опускает исток примерно до 0,6 В, после чего открывается и сам канал. Так «0» передаётся в обе стороны, а «1» каждая сторона получает от своего резистора.

Это ровно логика шин с открытым стокомОткрытый сток — КМОП-аналог открытого коллектора: выходной n-МОП на землю без верхнего транзистора. — I²C, 1-Wire: устройства только тянут линию к нулю. Быстрому двухтактному сигналу схема не подходит: фронт вверх формирует резистор 10 кОм вместе с ёмкостью линии (при 50 пФ — около 0,5 мкс), так что потолок — сотни килогерц.

Каждое звено 10 кОм · 1 мкФ имеет срез $1/(2\pi \cdot 10^{-2})\approx 16$ Гц. Первая гармоника ШИМШиротно-импульсная модуляция: частота постоянна, а сигнал ошибки меняет длительность импульса (коэффициент заполнения). 1 кГц ослабляется одним звеном примерно в 63 раза, двумя — почти в 4000 раз (второе звено слегка нагружает первое, но порядок сохраняется). Размах пульсаций меандра 3,3 В в худшем случае (заполнение 50 %) — порядка $3,3\cdot (4/\pi )/4000\approx 1$ мВ на входе усилителя и 3 мВ на выходе, меньше МЗР 8-разрядной шкалы (39 мВ на выходе). Одно звено с тем же подавлением потребовало бы среза около 0,25 Гц и установления в секунды; два звена дают установление до ½ МЗР примерно за 0,1–0,2 с. Неинвертирующий усилитель ×3 не нагружает фильтр и даёт 0…9,9 В — стандартный вход «0–10 В» частотного привода или диммера. Точность шкалы определяется питанием 3,3 В микроконтроллера: если она важна, питайте выходной буферБуфер — повторитель с $K=1$: огромное входное и малое выходное сопротивление, развязывает источник и нагрузку. ШИМ от точного эталона.

Оптрон разрывает гальваническую связь: земля датчика (длинный кабель в цеху, помехи от двигателей, иной потенциал) не соединена с землёй микроконтроллера, и импульсы помех, даже в сотни вольт синфазноСинфазный сигнал — одинаковое изменение обоих входов дифференциального усилителя (обычно помеха); хороший усилитель его почти не усиливает., до логики не доходят. Резистор 4,7 кОм задаёт ток светодиода около 5 мА, обратный диод защищает его (у светодиодов допустимое обратное напряжение всего около 5 В). При сработавшем датчике (24 В) светодиод горит, фототранзистор открыт — на входе МК «0»; схема инвертирует, это учитывают в программе. Скорость ограничивает фототранзистор: с подтяжкой 10 кОм фронты занимают десятки микросекунд — для концевых выключателей и датчиков присутствия более чем достаточно, а для быстрых энкодеров берут оптроны с логическим выходом.

100 Ом: затвор — это конденсатор в сотни-тысячи пикофарад; без резистора каждое переключение даёт короткий бросок тока из вывода МК, а индуктивность проводов вместе с ёмкостью затвора может звенеть. 100 кОм: пока микроконтроллер в сбросе или прошивается, его вывод — вход в высокоимпедансном состоянии; висящий затвор может зарядиться наводкой, и вентилятор самопроизвольно включится (или транзистор застрянет в полуоткрытом состоянии и перегреется). Диод: двигатель — индуктивность; при выключении ключа ток стремится продолжаться, и без диода напряжение на стоке подскочит выше допустимого. «Логический» транзистор нормирован по сопротивлению канала при $U_{\text{ЗИ}}$ = 2,5–4,5 В; обычному мощному МОП нужно 10 В, а при 3,3 В он открыт лишь частично и греется.

Это логометрия: код АЦП $N=2^n{U}_{\text{вх}}/U_{\text{REF}}=2^n{R}_t/(R_t+10\text{ кОм})$, и напряжение шины из ответа выпадает. Стабилизатор на 3,3 В может быть дешёвым и неточным.

Конденсатор нужен вовсе не для «медленной температуры». Внутри АЦП последовательного приближения — конденсатор выборки (единицы–десятки пикофарад), который в момент отсчёта подключается ко входу и должен зарядиться до точности ½ МЗР за доли микросекунды. Через выходное сопротивление делителя (около 5 кОм) он не успеет — получится ошибка, зависящая от предыдущего канала. 100 нФ — резервуар заряда: при подключении конденсатора выборки напряжение на нём почти не меняется (деление ёмкостей 10 000 : 1). Заодно он подавляет помехи; постоянная времениПостоянная времени $\tau =RC$ (или $L/R$) — за неё экспонента проходит 63% пути к новому значению; за $5\tau$ — 99%. 0,5 мс термометру не мешает.

ОУ подбирает ток базы так, чтобы на $R_{\text{д}}$ было входное напряжение: ток эмиттера $I=U_{\text{ЦАП}}/100$ Ом, 0,4…2 В → 4…20 мА; ток коллектора меньше на ток базы (доли процента при β ≥ 100, а с МОП-транзистором вместо биполярного — ноль). Ток в последовательной цепи одинаков везде: сопротивление проводов и падения на контактах не влияют на сигнал, пока хватает напряжения, а наводки на длинной линииДлинная линия — соединение, время пробега сигнала по которому сравнимо со временем фронта или больше; тогда важны волновое сопротивление и отражения., нагруженной малым сопротивлением приёмника, малы. «Живой ноль» 4 мА позволяет отличить нулевое значение от оборванного провода (0 мА) и питать сам датчик от петли. Бюджет напряжения при 20 мА: приёмник 250 Ом — 5 В, $R_{\text{д}}$ — 2 В, транзистор в активном режимеАктивный режим — переход база–эмиттер открыт, коллектор выше эмиттера хотя бы на несколько десятых вольта; только в нём $I_{К}=\beta I_{Б}$. — хотя бы 2 В, провода — ещё сколько-то; 24 В хватает с запасом на сотни метров кабеля.

Витая пара — длинная линия с волновым сопротивлениемВолновое сопротивление $Z_0=\sqrt{L/C}$ (погонные индуктивность и ёмкость) — отношение напряжения к току бегущей по линии волны; у коаксиала 50–75 Ом, у витой пары ~100 Ом. около 120 Ом (раздел 9.2). При 1 Мбит/с бит длится 1 мкс, а задержка 300 м кабеля — около 1,5 мкс: без согласования отражённая от конца волна приходит обратно в следующий бит и искажает его. Резистор на дальнем конце поглощает волну; на ближнем — нужен потому, что в RS-485RS-422/RS-485 — дифференциальные стандарты: пара проводов, приёмник различает разность ≥ 0,2 В; до 1200 м и до 10 Мбит/с; у RS-485 — много передатчиков на одной линии. передавать могут оба конца по очереди. Смещение: когда все передатчики отключены (шина «молчит»), дифференциальное напряжение между A и B равно нулю, и приёмник выдаёт случайный шум, который UART принимает за стартовые биты. Резисторы смещения (здесь 560 Ом к +5 В и к земле, вместе с двумя 120 Ом дают около 0,25 В) держат определённое «молчащее» состояние, соответствующее логической «1».

У КМОП серии HC порог «1» — 70 % питания, т. е. 3,5 В при 5 В. Выход 3,3 В (а под нагрузкой и того меньше) до гарантированной «1» не дотягивает: схема может работать на конкретном экземпляре при комнатной температуре и отказать на другом. Вдобавок вход в промежуточной области открывает оба транзистора входного каскада и потребляет сквозной токСквозной ток (ток класса А) КМОП — импульс тока от питания на землю, пока вход проходит середину диапазона и открыты оба транзистора.. Лечение: микросхема серии HCT (порог «1» — 2,0 В, совместима с выходами 3,3 В), специальный преобразователь уровней (например, 74LVC1T45) или схема на МОП-транзисторе из первой части практикума.

Пять вольт превышают допустимое напряжение входа (обычно $U_{\text{пит}}+0,3$ В). Ток пойдёт через защитный диод входа в шину 3,3 В: в лучшем случае он ограничен выходным сопротивлением передатчика и лишь «подпитывает» шину (а если микроконтроллер выключен, то питает его через вход — он полувключается и ведёт себя непредсказуемо), в худшем — диод выгорает. Лечение: делитель (например, 1,8 кОм / 3,3 кОм — 5 В превращаются в 3,2 В), последовательный резистор 1–10 кОм, если вход заведомо «5-вольтово-толерантный» (это написано в паспорте), или буфер серии LVC, входы которой допускают 5 В при питании 3,3 В.

Две ошибки. Первая — ток: вывод микроконтроллера отдаёт обычно 10–20 мА, а 70 мА его перегрузят, напряжение на выходе просядет, и реле может не сработать (а вывод — выйти из строя). Вторая — индуктивность: при выключении ток обмотки не может прерваться мгновенно, и на выводе возникнет выброс в десятки вольт обратной полярности. Лечение: транзисторный ключ (NPN с резистором в базе около 1 кОм или логический МОП-транзистор), диод параллельно обмотке катодом к плюсу и, если нужно, питание обмотки от отдельной шины 5 или 12 В.

Выходы I²C — с открытым стоком: они умеют только тянуть линию к нулю, а «1» должна создавать подтяжка. Без резисторов линии висят и в «1» не поднимаются никогда (или поднимаются слабыми внутренними подтяжками микроконтроллера в десятки килоом — так медленно, что связь на 100–400 кГц идёт со сбоями или не идёт вовсе). Лечение: по резистору на каждую линию к шине питания — 4,7 кОм для 100 кГц, 2,2 кОм для 400 кГц; ровно по одному набору на шину, а не на каждое устройство.

Выходное сопротивление такого делителя — около 180 кОм. Конденсатор выборки АЦП (единицы–десятки пикофарад) за отведённые на выборку доли микросекунды через 180 кОм зарядиться не успевает: показания занижены, «помнят» предыдущий канал и зависят от частоты опроса. Паспорт АЦП обычно прямо ограничивает сопротивление источника — например, не более 10 кОм. Лечение: конденсатор 0,1–1 мкФ прямо на вход АЦП (тогда делитель лишь медленно подзаряжает его, а выборка берёт заряд из конденсатора), удлинённое время выборки в настройках АЦП или повторитель на ОУ с малым входным током. Экономия энергии сохраняется — ток делителя около 10 мкА.

Когда кнопка отпущена, вход ни к чему не подключён: он «висит» и подхватывает наводки десятиметрового провода — от сети, двигателей, сварки. Микроконтроллер увидит множество ложных нажатий. Лечение: подтягивающий резистор 1–4,7 кОм к питанию (внутренние подтяжки в десятки килоом для длинного кабеля слабоваты), RC-фильтр (например, 1 кОм и 100 нФ) у входа, вход с триггеромЭлемент памяти на один бит с двумя устойчивыми состояниями (бистабильный мультивибратор). Шмитта, а для подавления дребезга — программная задержка. Для по-настоящему «грязных» цехов — питание кнопки от 24 В и вход через оптрон, как в схеме в выше.

Свободный КМОП-вход — это крошечный конденсатор, который заряжается утечками и наводками до случайного напряжения, часто — около середины питания. Тогда оба транзистора входного каскада приоткрыты: течёт сквозной ток (единицы миллиампер вместо микроампер — заметно в устройстве на батарейке), а элемент может генерировать и переключаться с наводками, создавая помехи соседям по корпусу. Лечение: входы всех неиспользуемых элементов подключить к земле или к питанию (у И-НЕВентиль И-НЕ: на выходе низкий уровень, только когда все входы высокие. В КМОП — n-канальные ключи последовательно, p-канальные параллельно. удобно к питанию), выходы оставить свободными.

Когда один выход выдаёт «1», а другой «0», выходной p-канальный транзистор первого и n-канальный второго соединяют питание с землёй через сопротивление в десятки ом: ток в десятки миллиампер, нагрев, просадка питания, а уровень на линии — где-то посередине, неопределённый. Лечение: либо выходы с открытым стоком (коллектором) и один подтягивающий резистор — получается монтажное И (линия в «1», только если все готовы), либо обычный логический элемент И (ИЛИ), собирающий сигналы двух модулей.