Frecuencia de medición de una señal por encima de 5V con un microcontrolador

Quiero medir la frecuencia (hasta 300 Hz) de una señal rectangular, que varía entre 0V y Vtop, donde Vtop es cualquier cosa entre 5V y 15V. Como no puedo aplicar más de 5 V al microcontrolador ( PIC16F1827 ), necesito limitar el voltaje de alguna manera.

Mi primera idea fue usar un divisor de voltaje. Pero entonces la señal de entrada de 5V sería baja.

El segundo enfoque es usar un opamp ( TS914 ). Cuando lo estoy alimentando a 5V, la salida no excedería los 5V. Ya tengo este opamp en mi diseño, para filtrar otra medición de voltaje. Pero cuando miro en la hoja de datos que dice (en la sección "Calificaciones máximas absolutas"):

La magnitud de los voltajes de entrada y salida nunca debe exceder VCC + + 0.3V.

¿Debo agregar otro opamp, por ejemplo, LM324 ? La hoja de datos dice (Rango de voltaje de modo común de entrada (Nota 10)):

No se debe permitir que el voltaje de modo común de entrada del voltaje de la señal de entrada sea negativo en más de 0.3 V (a 25 ° C). El extremo superior del rango de voltaje de modo común es V + - 1.5V (a 25˚C), pero una o ambas entradas pueden ir a + 32V sin daños (+ 26V para LM2902), independientemente de la magnitud de V +.

Entonces, el LM324 no se dañaría, pero ¿funcionaría en mi diseño (emitiendo una señal rectangular de 5V)?

La última idea que tuve fue usar diodos zener. ¿Funcionaría esto?

¿Qué harías para resolver este problema? ¿Hay otra posibilidad en la que no pensé?

Solución resumida:

• Un solo transistor y 3 resistencias tomarán una señal de 0V \ "5V o más" y producirán una salida de 5V / 0V. Con un valor de resistencia de ejemplo, la carga en la señal es de aproximadamente 80 uA a 5V y 250 uA a 15V. Esto se puede reducir para decir 8 uA / 25 uA si se desea e incluso más bajo si es necesario. (Versión más grande del diagrama a continuación).

• Una resistencia de 390 ohmios y un zener 4V7 harán lo que desee, siempre que pueda tolerar una carga de corriente de entrada de 25 mA.

• El uso de un amplificador operacional permite resultados ligeramente mejores, pero la solución de un transistor debería ser completamente adecuada.

• NUNCA permita que el diodo de sujeción / protección del CI lleve corriente durante el funcionamiento normal. Invita a la falta de confiabilidad y a la operación inesperada y posiblemente inaparente todos los días de la vida de su producto. Hacer esto durante el funcionamiento normal siempre viola las condiciones de la hoja de datos.

  • PUEDE salirse con la suya o incluso unos 10's de uA y PUEDE PENSAR que se ha salido con la suya para transportar 100's de uA. CADA aplicación que utiliza los diodos de protección para transportar más de la mitad de una corriente en funcionamiento normal está violando las especificaciones de la hoja de datos e invitando a Murphy a almorzar.
    Los resultados son impredecibles.
    Ningún diseño profesional haría esto .
    Las notas de la aplicación que lo recomiendan generalmente no son profesionales.
    Vea la sección al final de esta respuesta.

Solución de transistor único:

La entrada se muestra como 5-15V pero cualquier cosa por encima de aproximadamente 4V funcionará.
Cuando vin = 4V Vbase = R2 / (R1 + r2) x 4V = 0.6V.
Esto es teóricamente adecuado, pero a 5V tiene una unidad más que suficiente.

Los valores R1 y R2 mostrados son sugerencias.
Se podrían usar valores de, por ejemplo, 100k y 560 k si se usara R3 apropiado y un transistor beta alto.

La salida es inversa a la entrada. es decir, Vout es bajo cuando Vin es alto.

R3 puede ser 10k o lo que sea adecuado.

Q1 a su medida. Usaría un BC337 o SMD equivalente (¿BC817?)

Si se desea una corriente de entrada muy baja, R1 y R2 se pueden aumentar mucho con cuidado. Por ejemplo, con R1 = 1 megaohmio, la corriente de entrada es de aproximadamente 15 uA a 15V y 5uA a 5 voltios. Si el transistor Q1 tiene una ganancia de corriente de 100 (muy segura, por ejemplo, para BC337-40), entonces Icollector = 500 uA, por lo que para un swing de 5V R3> = 10k, digamos que 22k arriba está bien.

¡Un hecho extremadamente valioso para saber sobre los divisores resistivos!

Un hecho poco apreciado es que la relación entre dos valores de resistencia N separados en una escala de resistencia estándar es casi constante.
Esto está implícito en la forma en que se eligen los valores de escala.
Los valores de resistencia E12 son

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 valores y luego la serie repite una escala 10 veces mayor.

Entonces, los valores de 56k y 10k que he mostrado para R2 y R1 están separados por 8 valores. es decir, comience en el valor 1 anterior y cuente hasta 9 lugares y obtendrá 5.6
CUALQUIERA dos valores separados por 9 tienen la misma relación (dentro de la tolerancia de la escala) y pueden usarse para formar un divisor equivalente.
por ejemplo, cualquiera de 56k / 10k, 68k / 12k, 82k / 15k 100k / 18k, etc.

Un diodo zener + una resistencia hará lo que desee siempre que la carga en el circuito de entrada sea aceptable. Si desea reducir la carga, un diseño basado en opamp sería mejor.

En la página 350 de la hoja de datos , proporciona niveles de voltaje de entrada altos y bajos. El nivel adecuado depende del pin de entrada que esté utilizando, pero el valor más seguro es> = 0.8 x Vdd o en Vdd = 5V, Vinhi> = 4V.
La hoja de datos también señala que Vin no debe ser mayor que Vdd + 0.3V ABSOLUTE MAXIMUM (incluso si no funciona correctamente) y en la práctica cualquier cosa por encima de Vdd sería arriesgado.

ADVERTENCIA:

La recomendación de Curd de usar una pinza de diodo para Vdd es una práctica común pero muy arriesgada, ya que inyectará corriente en el CI en lugares no intencionados por el fabricante durante el funcionamiento normal. Los resultados variarán y serán impredecibles. El uso de un Shottky en lugar de un diodo de silicio hace que esto sea menos riesgoso, pero aún así es desaconsejable, y viola incluso las especificaciones máximas absolutas del fabricante.

Abrazadera Zener:

Este circuito simple bien puede ser suficiente.

Lo importante es asegurarse de que Vout cumpla con sus especificaciones en todo momento. Muchas personas usan un diodo zener xx Volt y suponen que obtendrán XX voltios. A bajas corrientes, esto a menudo está lejos de ser cierto. Las curvas a continuación muestran el voltaje zener con corriente para los zeners típicos. Tenga en cuenta que el Zener 4V7 requiere aproximadamente 1 mA de corriente para conducirlo a más de 4V. Si diseñamos para un mínimo de 2 mA, todo debería estar bien. Esto produce un resultado quizás inesperado.
5V pulg. I = 2 mA. Vzener esperado = 4V2.
R = (5V - 4.2) /0.002 A = 0.8 / 0.002 = 400 ohmios.
Digamos 390 ohmios = valor estándar de resistencia E12.

A 15 V esperamos que la corriente sea aproximadamente (15-5) / 400 = 25 mA.

25 mA puede ser más de lo que desea permitir.

Un rango más bajo de Vin permitirá un rango más bajo de Imin-Imax y Vin min a unos pocos voltios por encima de 5V también sería de gran ayuda.

Potencia en resistencia = V x I = (15-5) x 25 mA = 250 mW = resistencia de 500 mW.

Curvas de voltaje de corriente Zener V02 x2.jpg

Ejemplo de hoja de datos zener

DIODOS DE PROTECCION:

Muchas personas desconocen o simplemente ignoran la distinción de la hoja de datos entre las calificaciones de "Máximo absoluto" y las condiciones de operación recomendadas.

Las clasificaciones máximas absolutas son aquellas en las que se garantiza que el dispositivo sobrevivirá sin daños. El funcionamiento correcto no está garantizado.

El PIC en cuestión permite Vdd + 0.3V en sus pines como una clasificación máxima absoluta. La operación no está garantizada durante esta condición.

La mayoría de las hojas de datos especifican claramente que durante la operación normal los voltajes de entrada no deben exceder el rango de tierra a Vdd. Esta hoja de datos puede o no ser así en sus cientos de páginas. Todavía está mal hacerlo.

Muchas personas han pensado que las preocupaciones sobre las corrientes de diodos de protección no tienen fundamento. Solo algunos de ellos se lamentaron el día que pensaron eso y la mayoría probablemente vivieron para lamentarse o no :-).

Tenga en cuenta que la nota de aplicación Atmel (malvada) aquí usa una resistencia de 1 megaohmio (¡conectada a la red eléctrica de CA!) Y la nota de la aplicación Microchip aquí: las figuras 10-1 10-2 al menos tienen la gracia de decir "... La corriente a través de los diodos de sujeción deben mantenerse pequeños (en el rango de micro amplificadores). Si la corriente a través de los diodos de sujeción es demasiado grande, corre el riesgo de que la parte se bloquee ". Atiende cientos de uA NO es "dentro del rango de microamperios".

PERO engancharse es el menor de tus problemas. SI bloquea la parte (acción SCR desencadenada por las corrientes en el sustrato IC), el IC a menudo se convierte en una ruina humeante y se da cuenta de que algo puede estar mal.

El problema con las corrientes de diodos corporales es cuando NO obtienes una ruina humeante inmediata. Lo que sucede es que el IC nunca fue diseñado para aceptar corriente entre el pin de entrada y el sustrato, la capa sobre la que se coloca el IC. Cuando subes Vin> Vdd, la corriente fluye eficazmente del ICV propiamente dicho hacia un país de las hadas fantasma del que el iC no es consciente y para el que el diseñador no ha diseñado y por lo general no puede diseñar. Una vez allí, tiene pequeñas potencias configuradas que normalmente nunca están allí y la corriente puede regresar a los modos de circuito adyacentes, a nodos no muy adyacentes o incluso a lugares a cierta distancia, dependiendo de qué tan grandes sean las corrientes y qué voltajes estén configurados. La razón por la que esto es difícil de describir y precisar es porque no está diseñado y es esencialmente irrelevante. Un efecto es inyectar corrientes en nodos flotantes que no tienen una ruta de salida formal. Éstos pueden actuar como puertas para los FET, formales o accidentales, que activan o desactivan partes semirraatorias de su circuito. Qué partes ? ¿Cuando? ¿Con qué frecuencia? ¿Cuánto tiempo? Que duro Respuesta: quién puede decir / nadie puede decirlo: no está diseñado y no se puede firmar.

P: ¿Esto realmente sucede? A: Oh si! P: ¿Lo he visto suceder? A: si.

Comencé lo que ahora ha resultado ser una cruzada de más de una década para que la gente se dé cuenta de esto (aunque debería haberlo sabido) después de haber sido muy mordido.
Tenía un circuito en serie asíncrono relativamente simple que no me causó ningún conflicto. La operación del procesador fue intermitente o semi aleatoria. Código falló a veces y no otras veces. Nada fue estable. ¿El problema? Conducción de diodos corporales, por supuesto. Copié un circuito simple de una nota de aplicación suministrada con un producto y nos fuimos.

Si haces esto sin el debido cuidado, te morderá.
Si lo hace con cuidado, inteligencia y diseño, es probable que no lo muerda. Pero puede.
Esto es similar a pasar la línea central hacia el tráfico continuo para adelantar, hecho con cuidado y no con demasiada frecuencia y dejando lo que pueden ser márgenes lo suficientemente buenos, por lo general, no morirá. Si lo haces, probablemente no te sorprendas :-). Así sucede con la conducción del diodo corporal. "El rango de microamperios de Microchips" puede estar bien. El 1 megaohmio de Atmel fuera de la red eléctrica es un accidente esperando a suceder.

Simplemente use un inversor hecho de un solo transistor y un par de resistencias. Como está midiendo la frecuencia, no importa si la señal está invertida o no, la frecuencia es la misma. Puede usar un "transistor digital" que tenga las resistencias adentro o puede usar casi cualquier transistor regular y agregar la resistencia base (aproximadamente 10K) afuera (la que está entre la base y el emisor no es obligatoria, pero también puede agregarla) . Utilicé este circuito para convertir el voltaje de 25Vtop a 5Vtop para medir la frecuencia de la línea de CA.

La forma más fácil es sujetar la señal de entrada a Vcc (+ 5V):

El valor de la resistencia no es crítico, pero no debería ser demasiado pequeño; tal vez en el rango de 10-100 kOhms.

Si realmente es exigente con el requisito de Vcc + 0.3V, debe usar un diodo Schottky; pero creo que su µC no se dañará si usa un 1N4148 normal.

EDITAR:
Para respaldar mi opinión de que es completamente seguro usar este circuito (en contraste con las preocupaciones mencionadas en los comentarios), consulte las siguientes publicaciones sobre este tema; principalmente de fabricantes de CI:

Pastilla:

Capítulo 8.pdf , Consejo # 10, Figuras 10-1 y 10-2

Muchos fabricantes protegen sus pines de E / S de exceder la especificación de voltaje máxima permitida mediante el uso de diodos de sujeción. Estos diodos de sujeción evitan que el pin pase más de una caída de diodo por debajo de VSS y una caída de diodo por encima de VDD. Para usar el diodo de sujeción para proteger la entrada, aún necesita mirar la corriente a través del diodo de sujeción. La corriente a través de los diodos de sujeción debe mantenerse pequeña (en el rango de micro amplificador). Si la corriente a través de los diodos de sujeción es demasiado grande, corre el riesgo de que la pieza se bloquee.

Atmel

doc2508.pdf , Figura 1

Para proteger el dispositivo de voltajes por encima de VCC y por debajo de GND, el AVR tiene diodos de sujeción internos en los pines de E / S (consulte la Figura 1). Los diodos están conectados desde los pines a VCC y GND y mantienen todas las señales de entrada dentro del voltaje de funcionamiento del AVR (consulte la Figura 2). Cualquier voltaje superior a VCC + 0.5V será forzado a VCC + 0.5V (0.5V es la caída de voltaje sobre el diodo) y cualquier voltaje por debajo de GND - 0.5V será forzado hasta GND - 0.5V.
Al agregar una resistencia grande en serie, estos diodos se pueden usar para convertir una señal sinusal de alto voltaje en una señal de onda cuadrada de bajo voltaje, con una amplitud dentro del voltaje de funcionamiento del AVR ± 0.5V. Los diodos sujetarán la señal de alto voltaje al voltaje de funcionamiento del AVR.

Instrumentos Texas

slya014a.pdf "3.7 Circuitos de protección externa", Fig. 13

Por lo general, no hay dificultad en elegir una resistencia adecuada para el circuito de entrada. Los valores de resistencia de 1 kΩ a 10 kΩ generalmente son apropiados. En la práctica, generalmente es adecuado usar solo una resistencia de alto valor, sin diodos adicionales.

e incluso para circuitos integrados analógicos,
Analog Devices propone

EDch 11 sobretensión y emi.pdf

Para aquellos amplificadores donde se requiere protección externa contra el abuso de sobretensión y la inversión de fase de salida, una técnica común es usar una resistencia en serie, Rs, para limitar la corriente de falla y diodos Schottky para sujetar la señal de entrada a las fuentes, como se muestra en Figura 11.7. La resistencia de la serie de entrada externa, Rs, será proporcionada por el fabricante del amplificador, o determinada empíricamente por el usuario con el método mostrado previamente en la Figura 11.2 y la Ec. 11.1 La mayoría de las veces, el valor de esta resistencia proporcionará suficiente protección contra la inversión de fase de voltaje de salida, así como también limitará la corriente de falla a través de los diodos Schottky.

Máxima

Protección contra sobretensiones (OVP) para aplicaciones de amplificadores sensibles

Una regla general de la industria es seleccionar RLIMIT para que no fluyan más de 5 mA a través de la entrada IC.

Finalmente, veamos qué dice
Horowitz / Hill "El arte de los electrones" sobre este tema:

Una entrada CMOS no consume corriente (...) para los voltajes de entrada entre tierra y los voltajes de suministro. Para voltajes más allá del rango de suministro, la entrada se parece a un par de diodos de sujeción al suministro positivo y a tierra. Corrientes momentáneas mayores de aproximadamente 10 mA a través de estos diodos es todo lo que se necesita para colocar muchos dispositivos CMOS en el latchup SCR (...; los diseños más nuevos soportan corrientes más altas y tienden a ser resistentes o inmunes a esta enfermedad; por ejemplo, HC y HCT las familias pueden ser conducidas 1.5V más allá de los rieles de suministro sin mal funcionamiento o daño).

EDIT2:
Creo que a Russel le preocupa tanto el efecto Latch-up, que los circuitos integrados modernos son mucho más resistentes que en los primeros días. Tal vez eso explica de alguna manera su "cruzada de más de una década".

EDIT3:
La hoja de datos PIC16F1827 ("30.0 ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS") dice que las clasificaciones máximas absolutas para la corriente de abrazadera Ik son 20 mA. Esa es la corriente que dañaría el chip. La nota de la aplicación propone una corriente en el rango µA.

EDITAR4
Encontré otra nota de aplicación de Microchip dedicada exclusivamente al tema "Uso de diodos parásitos ESD en microcontroladores de señal mixta" .

Se dice que la sobretensión (más de Vdd + 0.3V) puede causar problemas si se aplica a los pines que se pueden usar como entradas analógicas.

La primera solución es evitar que aparezca una sobretensión en los pines de E / S del microcontrolador. Esto se puede hacer agregando diodos Schottky a VDD y desde VSS en cada pin que pueda ver un alto voltaje. Esto sujetará los voltajes a VDD + 0.3V

... tal como lo sugerí desde el principio.

El documento también deja en claro que no es cierto que la sobretensión aplicada a una entrada del controlador Microchip provoque corrientes en el sustrato (como se afirma en los comentarios). Esto solo puede ocurrir en subtensión (= debajo de Vss; vea el párrafo " Subtensión "), que no es el tema de esta pregunta.

(Esas corrientes en el sustrato no pueden ocurrir en sobrevoltaje y subvoltaje porque depende del dopaje del sustrato. Está dopado p o n, no ambos al mismo tiempo)

Solo use un divisor y un amplificador no inversor alimentado a 5V con al menos 3x de ganancia.

Entonces, a 5 V tendrá nuevamente una salida de 5 V, y lo mismo a 15 V porque se saturará. Tal vez sea mejor usar una solución de riel a riel, pero no es completamente necesario si solo desea detectar bordes.

Es posible que desee considerar algo listo para usar, como un transceptor o receptor RS232. La mayoría manejará hasta 25 V (ya que la especificación RS232 es +/- 25 V máx.) Y algunos voltajes aún más altos, además puede obtener unos con un aislamiento del 100% para proteger su circuito de bucles de tierra y otros problemas eléctricos defectuosos.

Aunque se supone que RS232 tiene un voltaje de +/-, la mayoría de los chips RS232 modernos consideran que un poco por encima del suelo es el umbral para una señal negativa, por lo que su entrada debería funcionar con ellos. La razón por la que esto debe funcionar en los chips RS232 es que muchas salidas RS232 bastardas no emiten +/-, sino que son señales positivas o tierra, por lo que los chips RS232 modernos deben funcionar con ese tipo de señales. Verifique cada hoja de datos para el umbral.

Las señales de nivel lógico que salga se invertirán, pero esto no debería ser motivo de preocupación porque está midiendo la frecuencia.

+/- 50V aislado, 3.0V a 5.5V, 250kbps, 2 Tx / 2 Rx, Transceptor RS-232: http://www.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/3368

Varios otros chips RS232: http://www.maxim-ic.com/products/protection/esd/rs232.cfm

Ustedes, personas con problemas especiales con diodos corporales o diodos de sujeción, probablemente no tenían un condensador lo suficientemente grande en la fuente de alimentación cerca del circuito integrado.

El diodo está desviando la corriente al suministro +. Si no hay un condensador lo suficientemente grande como para absorber esto, causará problemas. Es solo que el raíl de suministro se está disparando. Debido a que está utilizando un condensador rediulosamente pequeño (0.1uF?)

No tiene nada que ver con ningún misterio dentro del silicio.

Solo asegúrese de tener una tapa decente (10uF) cerca del chip Dependiendo de cuánta corriente está poniendo a través del diodo / s del cuerpo.

10mA está bien. Es un diodo.

No uso diodos de protección externos. Yo uso resistencias 2k7. Puede conectar 12 voltios a la entrada de una parte de 5V, sin problemas. Sin preocupaciones. Trata de entender lo que realmente está sucediendo antes de comenzar a hablar sobre los pies flotantes y la inyección de corrientes en tierras de hadas.