Mesure de la fréquence d'un signal supérieur à 5V avec un microcontrôleur

Je veux mesurer la fréquence (jusqu'à 300 Hz) d'un signal rectangulaire, qui varie entre 0V et Vtop, où Vtop est quelque chose entre 5V et 15V. Comme je ne peux pas appliquer plus de 5 V au microcontrôleur ( PIC16F1827 ), je dois en quelque sorte limiter la tension.

Ma première idée a été d'utiliser un diviseur de tension. Mais alors le signal d'entrée 5V serait trop bas.

La deuxième approche utilise un opamp ( TS914 ). Lorsque je l'alimente à 5V, la sortie ne dépasse pas 5V. J'ai déjà cet ampli op dans ma conception, pour filtrer une autre mesure de tension. Mais quand je regarde dans la fiche technique, il est dit (dans la section "Absolute Maximum Ratings"):

L'amplitude des tensions d'entrée et de sortie ne doit jamais dépasser VCC + + 0,3V.

Dois-je ajouter un autre opamp, par exemple LM324 ? La fiche technique indique (Plage de tension en mode commun d'entrée (note 10)):

La tension d'entrée en mode commun de l'une ou l'autre tension du signal d'entrée ne doit pas devenir négative de plus de 0,3 V (à 25 ° C). L'extrémité supérieure de la plage de tension en mode commun est V + - 1,5 V (à 25 ° C), mais l'une ou les deux entrées peuvent aller à + 32 V sans dommage (+ 26 V pour LM2902), indépendamment de l'amplitude de V +.

Le LM324 ne serait donc pas endommagé, mais cela fonctionnerait-il dans ma conception (sortie d'un signal rectangulaire 5V)?

La dernière idée que j'ai eue, c'est d'utiliser des diodes zener. Est-ce que cela fonctionnerait?

Que feriez-vous pour résoudre ce problème? Y a-t-il une autre possibilité à laquelle je n'ai pas pensé?

Solution résumée:

• Un seul transistor et 3 résistances prendront un signal 0V \ "5V ou plus" et produiront une sortie 5V / 0V. Avec un exemple de valeur de résistance, la charge sur le signal est d'environ 80 uA à 5 V et 250 uA à 15 V. Cela peut être réduit à 8 uA / 25 uA si désiré et même plus bas si nécessaire. (Version plus grande du diagramme ci-dessous).

• Une résistance de 390 ohms et un zener 4V7 feront ce que vous voulez à condition que vous puissiez tolérer une charge de courant d'entrée de 25 mA.

• L'utilisation d'un ampli op permet des résultats légèrement meilleurs mais la solution à un transistor devrait être tout à fait adéquate.

• NE JAMAIS laisser la diode de serrage / protection du CI transporter du courant pendant le fonctionnement normal. Vous invitez à un manque de fiabilité et à un fonctionnement inattendu et peut-être inapparent tous les jours de la vie de votre produit. Faire cela pendant le fonctionnement normal viole toujours les conditions de la fiche technique.

  • Vous POUVEZ vous en sortir avec quelques uA ou même quelques 10 uA et vous PENSEZ que vous vous en sortez en les utilisant pour transporter 100 uA. CHAQUE application qui utilise les diodes de protection pour transporter plus de la moitié d'une bouffée de courant en fonctionnement normal enfreint les spécifications de la fiche technique et invite Murphy à déjeuner.
    Les résultats sont imprévisibles.
    Aucun design professionnel ne ferait cela .
    Les notes d'application qui le recommandent ne sont généralement pas professionnelles.
    Voir la section à la fin de cette réponse.

Solution à transistor unique:

L'entrée est indiquée comme 5-15V mais tout ce qui est supérieur à 4V fonctionnera.
Lorsque vin = 4V Vbase = R2 / (R1 + r2) x 4V = 0,6V.
C'est théoriquement suffisant, mais à 5 V, vous avez plus qu'assez de disque.

Les valeurs R1 et R2 indiquées sont des suggestions.
Par exemple, des valeurs de 100 k et 560 k pourraient être utilisées si un transistor R3 approprié et un bêta élevé étaient utilisés.

La sortie est inverse de l'entrée. c'est-à-dire que Vout est faible lorsque Vin est élevé.

R3 peut être 10k ou quoi que ce soit.

Q1 pour convenir. J'utiliserais un BC337 ou un équivalent SMD (BC817?)

Si un courant d'entrée très faible est souhaité, R1 et R2 peuvent être considérablement augmentés avec un certain soin. par exemple, avec R1 = 1 mégohm, le courant d'entrée est d'environ 15 uA à 15 V et 5 uA à 5 Volt. Si le transistor Q1 a un gain de courant de 100 (très sûr, par exemple pour BC337-40), alors Icollector = 500 uA, donc pour un swing 5V R3> = 10k, disons que 22k up est OK.

Un fait extrêmement précieux à savoir sur les séparateurs résistifs !!!

Un fait peu apprécié est que le rapport entre deux valeurs de résistance N écartées sur une échelle de résistance standard est à peu près constant.
Cela est implicite dans la façon dont les valeurs d'échelle sont choisies.
Les valeurs de résistance E12 sont

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 valeurs, puis la série répète une échelle 10 fois plus élevée.

Donc - les valeurs 56k et 10k que j'ai montrées pour R2 et R1 sont séparées de 8 valeurs. c'est-à-dire commencer à la valeur 1 ci-dessus et compter jusqu'à 9 places et vous obtenez 5,6
TOUTES les deux valeurs à 9 ont le même rapport (dans la tolérance de l'échelle) et peuvent être utilisées pour former un diviseur à peu près équivalent.
par exemple, 56k / 10k, 68k / 12k, 82k / 15k 100k / 18k etc.

Une diode zener + une résistance feront ce que vous voulez tant que la charge sur le circuit d'entrée est acceptable. Si vous souhaitez réduire la charge, une conception basée sur un ampli op serait préférable.

La page 350 de la fiche technique donne des niveaux de tension d'entrée élevés et faibles. Le niveau qui convient dépend de la broche d'entrée que vous utilisez, mais la valeur la plus sûre est> = 0,8 x Vdd ou à Vdd = 5V, Vinhi> = 4V.
La fiche technique note également que Vin ne doit pas être supérieur à Vdd + 0,3 V ABSOLU MAXIMUM (même s'il ne fonctionne pas correctement) et en pratique, tout ce qui dépasse Vdd serait risqué.

ATTENTION:

La recommandation de Curd d'utiliser une pince à diode pour Vdd est une pratique courante mais très risquée car elle injectera du courant dans le circuit intégré à des endroits non voulus par le fabricant pendant le fonctionnement normal. Les résultats varieront et seront imprévisibles. L'utilisation d'un Shottky plutôt que d'une diode au silicium rend cela moins risqué mais toujours mal avisé et il viole même les spécifications maximales absolues du fabricant.

Pince Zener:

Ce simple circuit pourrait bien suffire.

L'important est de s'assurer que Vout répond à vos spécifications à tout moment. Beaucoup de gens utilisent une diode zener xx Volt et supposent qu'ils obtiendront XX Volts. Aux faibles courants, cela est souvent loin d'être vrai. Les courbes ci-dessous montrent la tension zener avec le courant pour les zeners typiques. Notez que le zener 4V7 nécessite environ 1 mA de courant pour le conduire au-dessus de 4V. Si nous concevons pour 2 mA minimum, tout devrait bien se passer. Cela produit un résultat peut-être inattendu.
5V in. I = 2 mA. Vzener attendu = 4V2.
R = (5V - 4,2) /0,002 A = 0,8 / 0,002 = 400 ohms.
Disons 390 ohms = valeur de résistance E12 standard.

À 15 V, nous nous attendons à ce que le courant soit ENVIRON (15-5) / 400 = 25 mA.

25 mA peut être plus que ce que vous souhaitez autoriser.

Une plage inférieure de Vin permettra une plage Imin-Imax inférieure et Vin min quelques volts au-dessus de 5V serait également très utile.

Puissance en résistance = V x I = (15-5) x 25 mA = 250 mW = résistance 500 mW.

Courbes de tension de courant Zener V02 x2.jpg

Exemple de fiche technique zener

DIODES DE PROTECTION:

Beaucoup de gens ignorent ou ignorent simplement la distinction de la fiche technique entre les cotes «maximum absolu» et les conditions de fonctionnement recommandées.

Les valeurs maximales absolues sont celles auxquelles l'appareil est garanti pour survivre sans dommage. Le bon fonctionnement n'est pas garanti.

Le PIC concerné autorise Vdd + 0,3 V sur ses broches en tant que valeur maximale absolue. Le fonctionnement n'est pas garanti dans cette condition.

La plupart des fiches techniques précisent clairement que pendant le fonctionnement normal, les tensions d'entrée ne doivent pas dépasser la masse à la plage Vdd. Cette fiche technique peut ou ne peut pas le faire dans ses plusieurs centaines de pages. Il est toujours faux de le faire.

Beaucoup de gens ont pensé que les préoccupations concernant les courants de diode de protection sont sans fondement. Seuls certains d'entre eux ont sévi le jour où ils le pensaient et la plupart ont probablement vécu ou non :-).

Notez que la (mauvaise) note d'application Atmel utilise ici une résistance de 1 mégohm (connectée au secteur!) Et la note d'application Microchip ici - les figures 10-1 10-2 ont au moins la grâce de dire "... Le courant traversant les diodes de serrage doivent rester petites (dans la plage des micro-amplis). Si le courant traversant les diodes de serrage devient trop important, vous risquez de verrouiller la pièce. " Atmels des centaines d'UA n'est PAS "dans la plage de microampères".

MAIS le verrouillage est le moindre de vos problèmes. SI vous accrochez la pièce (action SCR déclenchée par des courants dans le substrat du circuit intégré), le circuit intégré se transforme souvent en une ruine fumante et vous vous rendez compte que quelque chose peut éventuellement ne pas fonctionner.

Le problème avec les courants de diode corporelle est lorsque vous n'obtenez PAS une ruine immédiate de fumer. Ce qui se passe, c'est que le CI n'a jamais été conçu pour accepter le courant entre la broche d'entrée et le substrat - le chapeau de couche sur lequel le CI est posé. Lorsque vous augmentez Vin> Vdd, l'effet actuel s'échappe de l'ICV proprement dit dans un pays féerique fantôme que l'iC ignore et que le concepteur n'a pas conçu et ne peut généralement pas concevoir. Une fois là-bas, vous avez un petit potentiel installé qui n'est jamais normalement là et le courant peut refluer dans des modes de circuit adjacents, des nœuds pas tout à fait adjacents ou même dans des emplacements éloignés en fonction de la taille des courants et des tensions établies. La raison pour laquelle cela est difficile à décrire et à cerner est qu'il est totalement non conçu et essentiellement indesignable. Un effet est d'injecter des courants dans des nœuds flottants qui n'ont pas de chemin de sortie formel. Ceux-ci peuvent agir comme des portes pour les transistors FET - formels ou accidentels, qui permettent d'activer ou de désactiver des parties semi-aléatoires de votre circuit. Quelles parties? Quand? À quelle fréquence? Combien de temps? Quelle difficulté? Réponse - qui peut dire / personne ne peut dire - c'est indesignable et non signable.

Q: Cela se produit-il réellement? R: Oh oui! Q: L'ai-je vu arriver? R: Oui.

J'ai commencé ce qui s'est avéré être une croisade de plus d'une décennie pour sensibiliser les gens à cela (même si j'aurais dû bien le savoir) après avoir été très gravement mordu par cela.
J'avais un circuit série asynchrone relativement simple qui ne m'a pas causé de conflits. Le fonctionnement du processeur était intermittent ou semi-aléatoire. Le code a parfois fait défaut et pas d'autres fois. Rien n'était stable. Le problème? La conduction des diodes corporelles, bien sûr. J'avais copié un simple circuit à partir d'une note d'application fournie avec un produit et nous sommes partis.

Si vous faites cela sans soin, cela vous mordra.
Si vous le faites avec soin, intelligence et design, cela risque de ne pas vous mordre. Mais peut.
Cela revient à tirer sur la ligne médiane dans la circulation en cours pour dépasser - fait avec soin et pas trop souvent et en laissant ce qui peut être des marges suffisamment bonnes, vous ne mourrez généralement pas. Si vous le faites, vous ne serez probablement pas surpris :-). Il en va de même pour la conduction des diodes corporelles. La plage de microampères de Microchips "est peut-être OK. Le 1 mégohm hors tension d'Atmel est un accident qui attend de se produire.

Utilisez simplement un onduleur composé d'un seul transistor et de deux résistances. Puisque vous mesurez la fréquence, peu importe si le signal est inversé ou non - la fréquence est la même. Vous pouvez utiliser un "transistor numérique" qui a les résistances à l'intérieur ou vous pouvez utiliser presque n'importe quel transistor ordinaire et ajouter la résistance de base (10K ou plus) à l'extérieur (celle entre la base et l'émetteur n'est pas obligatoire, mais vous pouvez l'ajouter aussi) . J'ai utilisé ce circuit pour convertir la tension de 25Vtop à 5Vtop pour mesurer la fréquence de la ligne AC.

Le moyen le plus simple est de bloquer le signal d'entrée sur Vcc (+ 5V):

La valeur de la résistance n'est pas critique, mais elle ne doit pas être trop petite; peut-être dans la gamme 10-100 kOhms.

Si vous êtes vraiment pointilleux sur l'exigence Vcc + 0,3 V, vous devez utiliser une diode Schottky; mais je pense que votre µC ne sera pas endommagé si vous utilisez un 1N4148 ordinaire.

EDIT:
Pour soutenir mon opinion qu'il est complètement économisé d'utiliser ce circuit (contrairement aux préoccupations mentionnées dans les commentaires) voir les publications suivantes sur ce sujet; principalement des fabricants de circuits intégrés:

Puce électronique:

chapitre 8.pdf , Astuce # 10, Figures 10-1 et 10-2

De nombreux fabricants protègent leurs broches d'E / S contre le dépassement de la spécification de tension maximale admissible en utilisant des diodes de serrage. Ces diodes de serrage empêchent la broche d'aller plus qu'une chute de diode en dessous de VSS et une chute de diode au-dessus de VDD. Pour utiliser la diode de serrage pour protéger l'entrée, vous devez toujours regarder le courant à travers la diode de serrage. Le courant à travers les diodes à pince doit être maintenu faible (dans la gamme des micro-amplis). Si le courant à travers les diodes de serrage devient trop important, vous risquez de verrouiller la pièce.

Atmel:

doc2508.pdf , figure 1

Pour protéger l'appareil contre les tensions supérieures à VCC et inférieures à GND, l'AVR possède des diodes de serrage internes sur les broches d'E / S (voir Figure 1). Les diodes sont connectées des broches à VCC et GND et maintiennent tous les signaux d'entrée dans la tension de fonctionnement de l'AVR (voir figure 2). Toute tension supérieure à VCC + 0,5 V sera forcée à VCC + 0,5 V (0,5 V est la chute de tension sur la diode) et toute tension inférieure à GND - 0,5 V sera forcée à GND - 0,5 V.
En ajoutant une grande résistance en série, ces diodes peuvent être utilisées pour convertir un signal sinusal haute tension en un signal à onde carrée basse tension, avec une amplitude comprise dans la tension de fonctionnement de l'AVR ± 0,5 V. Les diodes bloqueront ainsi le signal haute tension jusqu'à la tension de fonctionnement de l'AVR.

Texas Instruments

slya014a.pdf "3.7 Circuits de protection externes", Fig. 13

Habituellement, il n'est pas difficile de choisir une résistance appropriée pour le circuit d'entrée. Des valeurs de résistance de 1 kΩ à 10 kΩ sont généralement appropriées. En pratique, il suffit généralement de n'utiliser qu'une résistance de haute valeur, sans diodes supplémentaires.

et même pour les CI
analogiques Analog Devices propose

Surtension EDch 11 et emi.pdf

Pour les amplificateurs où une protection externe est clairement requise contre les abus de surtension et les inversions de phase de sortie, une technique courante consiste à utiliser une résistance série, Rs, pour limiter le courant de défaut, et des diodes Schottky pour fixer le signal d'entrée aux alimentations, comme illustré dans Figure 11.7. La résistance série d'entrée externe, Rs, sera fournie par le fabricant de l'amplificateur, ou déterminée empiriquement par l'utilisateur avec la méthode précédemment montrée sur la figure 11.2 et l'équation. 11.1. Plus souvent qu'autrement, la valeur de cette résistance fournira une protection suffisante contre l'inversion de phase de la tension de sortie, ainsi que la limitation du courant de défaut à travers les diodes Schottky.

Maxime

Protection contre les surtensions (OVP) pour les applications d'amplificateurs sensibles

Une règle de base de l'industrie est de sélectionner RLIMIT de manière à ce que pas plus de 5mA ne circulent à travers l'entrée IC.

Voyons enfin ce que
Horowitz / Hill "The Art of Electronis" a à dire sur ce sujet:

Une entrée CMOS ne consomme aucun courant (...) pour les tensions d'entrée entre la masse et les tensions d'alimentation. Pour les tensions au-delà de la plage d'alimentation, l'entrée ressemble à une paire de diodes de serrage à l'alimentation positive et à la masse. Des courants momentanés supérieurs à environ 10 mA à travers ces diodes suffisent pour mettre de nombreux appareils CMOS en verrouillage SCR (...; les nouveaux modèles résistent à des courants plus élevés et ont tendance à être résistants ou immunisés à cette maladie; par exemple, le HC et le HCT les familles peuvent être entraînées à 1,5 V au-delà des rails d'alimentation sans dysfonctionnement ni dommage).

EDIT2:
Je suppose que Russel est si préoccupé par l'effet de verrouillage, que les circuits intégrés modernes sont beaucoup plus résistants que les premiers jours. Peut-être que cela explique en quelque sorte sa "croisade de plus d'une décennie".

EDIT3:
La fiche technique PIC16F1827 ("30.0 SPÉCIFICATIONS ÉLECTRIQUES") indique que les valeurs nominales maximales absolues pour le courant de serrage Ik sont de 20mA. C'est le courant qui endommagerait la puce. La note d'application propose un courant dans la gamme µA.

EDIT4
J'ai trouvé une autre note d'application de Microchip uniquement dédiée au problème "Utilisation des diodes parasites ESD sur des microcontrôleurs à signaux mixtes" .

Est-ce que la surtension (plus de Vdd + 0,3 V) peut causer des problèmes si elle est appliquée aux broches qui peuvent être utilisées comme entrées analogiques.

La première solution est d'empêcher toute surtension d'apparaître sur les broches d'E / S du microcontrôleur. Cela peut être fait en ajoutant des diodes Schottky au VDD et au VSS sur chaque broche qui pourrait voir une haute tension. Cela fixera les tensions à VDD + 0,3 V

... comme je l'ai suggéré depuis le début.

Le document indique également clairement qu'il n'est pas vrai qu'une surtension appliquée à une entrée de contrôleur de micropuce entraîne des courants dans le substrat (comme indiqué dans les commentaires). Cela ne peut se produire qu'en sous-tension (= en dessous de Vss; voir paragraphe "Sous-tension") qui n'est pas le sujet de cette question.

(Ces courants dans le substrat ne peuvent pas se produire en cas de surtension ou de sous - tension car cela dépend du dopage du substrat. Il est dopé p ou n, pas les deux en même temps)

Utilisez simplement un diviseur et un amplificateur non inverseur alimenté en 5V avec un gain d'au moins 3x.

Donc, à 5V, vous aurez à nouveau une sortie 5V, et la même chose à 15V car elle saturera. Il est peut-être préférable d'utiliser une solution rail à rail, mais ce n'est pas tout à fait nécessaire si vous souhaitez simplement détecter les bords.

Vous voudrez peut-être envisager quelque chose de prêt à l'emploi, comme un émetteur-récepteur ou un récepteur RS232. La plupart géreront jusqu'à 25 V (puisque la spécification RS232 est de +/- 25 V max) et certaines tensions encore plus élevées, et vous pouvez en obtenir des avec une isolation à 100% pour protéger votre circuit des boucles de terre et d'autres problèmes électriques.

Bien que RS232 soit supposé être +/- tensions, la plupart des puces RS232 modernes considèrent qu'un peu au-dessus de la terre est le seuil pour un signal négatif, donc votre entrée devrait fonctionner avec elles. La raison pour laquelle cela doit fonctionner sur les puces RS232 est que beaucoup de sorties RS232 bâtardes ne produisent pas +/-, mais sont plutôt un signal positif ou une masse, donc les puces RS232 modernes doivent fonctionner avec ces types de signaux. Vérifiez chaque fiche technique pour le seuil.

Les signaux de niveau logique que vous sortez seront inversés, mais cela ne devrait pas vous inquiéter car vous mesurez la fréquence.

+/- 50 V isolé, 3,0 V à 5,5 V, 250 kbit / s, 2 Tx / 2 Rx, émetteur-récepteur RS-232: http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/3368

Diverses autres puces RS232: http://www.maxim-ic.com/products/protection/esd/rs232.cfm

Vous, les personnes ayant des problèmes particuliers avec les diodes du corps ou les diodes de serrage, ne disposiez probablement pas d'un condensateur suffisamment grand sur l'alimentation près du circuit intégré.

La diode dérive le courant vers l'alimentation +. S'il n'y a pas un condensateur assez grand pour l'absorber, cela causera des problèmes. C'est juste le rail d'alimentation qui monte en flèche. Parce que vous utilisez un condensateur extrêmement petit (0,1 uF?)

Cela n'a rien à voir avec un mystère à l'intérieur du silicium.

Assurez-vous simplement que vous avez un capuchon décent (10uF) près de la puce en fonction de la quantité de courant que vous passez à travers les diodes du corps.

10mA, c'est bien. C'est une diode.

Je n'utilise pas de diodes de protection externes. J'utilise des résistances 2k7. Vous pouvez connecter 12 volts à l'entrée d'une pièce 5V, aucun problème. Pas de soucis. Essayez de comprendre ce qui se passe réellement avant de commencer à parler de fets flottants et d'injecter des courants dans le pays des fées.