ثنائية

في عصر ENIAC ، كانت أجهزة الكمبيوتر أكثر تناظرية بطبيعتها وتستخدم عددًا قليلاً جدًا من الدوائر المتكاملة الرقمية. اليوم ، يعمل كمبيوتر Joe العادي بمستويات جهد متعددة ، فإن الأشخاص الذين شاهدوا SMPS لوحدة المعالجة المركزية قد لاحظوا أن جهاز الكمبيوتر الخاص بك يتطلب ± 12V و + 5V و + 3.3V للعمل. تعد مستويات الجهد هذه مهمة جدًا لجهاز الكمبيوتر ؛ يحدد الجهد المحدد حالة الإشارة (عالية أو منخفضة). يتم قبول هذه الحالة العالية من قبل الكمبيوتر على أنها ثنائية 1 والحالة المنخفضة كـ 0 ثنائي. اعتمادًا على الشرط 0 و 1 ، ينتج الكمبيوتر البيانات والأكواد والتعليمات لتوفير الإخراج المطلوب.

تختلف مستويات الجهد المنطقي الحديث إلى حد كبير من 1.8 فولت إلى 5 فولت. الفولتية المنطقية القياسية هي 5 فولت ، 3.3 فولت ، 1.8 فولت ، وما إلى ذلك ، ولكن كيف يتواصل نظام أو وحدة تحكم تعمل بمستوى منطقي 5 فولت (مثال أردوينو) مع نظام آخر يعمل مع 3.3 فولت (مثال ESP8266) أو أي جهد آخر مختلف مستوى؟ غالبًا ما يحدث هذا السيناريو في العديد من التصميمات ، حيث يتم استخدام العديد من وحدات التحكم الدقيقة أو أجهزة الاستشعار ، والحل هنا هو استخدام محول المستوى المنطقي أو ناقل المستوى المنطقي. في هذه المقالة سوف نتعلم المزيد عن محولات المستوى المنطقي وسنقوم أيضًا ببناء دائرة محول مستوى منطقي ثنائي الاتجاه بسيطة باستخدام MOSFET والتي ستكون مفيدة لتصميمات الدوائر الخاصة بك.

جهد الإدخال عالي المستوى ومنخفض المستوى

ومع ذلك ، من المعالج الدقيق أو من جانب وحدة التحكم الدقيقة ، فإن قيمة مستوى الجهد المنطقي ليست ثابتة ؛ لديه بعض التسامح معها. على سبيل المثال ، المنطق العالي المقبول (المنطق 1) لوحدات التحكم الدقيقة ذات المستوى المنطقي 5 فولت هو 2.0 فولت كحد أدنى (الحد الأدنى لجهد الإدخال عالي المستوى) إلى 5.1 فولت كحد أقصى (أقصى جهد إدخال عالي المستوى). وبالمثل ، بالنسبة للمنطق المنخفض (المنطق 0) ، تكون قيمة الجهد المقبولة من 0V (أدنى مستوى منخفض لجهد الإدخال) إلى الحد الأقصى 8V (أقصى جهد إدخال منخفض المستوى).

المثال الموضح أعلاه صحيح بالنسبة للميكروكنترولر على مستوى المنطق 5 فولت ، ولكن تتوفر أيضًا وحدات التحكم الدقيقة على مستوى المنطق 3.3 فولت و 1.8 فولت. في مثل هذا النوع من الميكروكونترولر ، سيختلف نطاق الجهد المنطقي. يمكنك الحصول على المعلومات ذات الصلة من ورقة البيانات الخاصة بوحدة التحكم IC المحددة. عند استخدام محول مستوى الجهد ، يجب الحرص على أن تكون قيمة الجهد العالي وقيمة الجهد المنخفض ضمن حدود هذه المعلمات.

محول المستوى المنطقي ثنائي الاتجاه

اعتمادا على التطبيق والبناء الفني، نوعين من مستوى المغيرون متاحة، أحادي المنطق تحويل مستوى و ثنائية الاتجاه منطق تحويل مستوى. في محولات المستوى أحادي الاتجاه ، يتم تخصيص دبابيس الإدخال لمجال جهد واحد وتخصص دبابيس الإخراج لمجال الجهد الآخر ، ولكن هذا ليس هو الحال بالنسبة لمحولات المستوى ثنائية الاتجاه ، حيث يمكنها تحويل الإشارات المنطقية في كلا الاتجاهين. بالنسبة لمحولات المستوى ثنائي الاتجاه ، لا يحتوي كل مجال جهد على دبابيس إدخال فحسب ، بل يحتوي أيضًا على دبوس الإخراج. على سبيل المثال ، إذا قمت بتوفير 5.5 فولت لجانب الإدخال ، فسيحوله إلى 3.3 فولت على جانب الإخراج ، وبالمثل إذا قمت بتوفير 3.3 فولت إلى جانب الإخراج ، فسيحوله إلى 5 فولت من جانب الإدخال.

في هذا البرنامج التعليمي ، سنقوم ببناء محول مستوى ثنائي الاتجاه بسيط وسنختبره للتحويل من أعلى إلى منخفض ومن منخفض إلى مرتفع.

بسيط مستوى المنطق ثنائي الاتجاه المحول

تظهر دائرة المحول المنطقي ثنائية الاتجاه البسيطة في الصورة أدناه.

تستخدم الدائرة n-channel MOSFET لتحويل المستوى المنطقي للجهد المنخفض إلى مستوى منطق الجهد العالي. يمكن أيضًا إنشاء محول مستوى منطقي بسيط باستخدام مقسمات جهد مقاوم ولكنه سيؤدي إلى فقد الجهد. تعد محولات المستوى المنطقي القائمة على الترانزستور أو MOSFET احترافية وموثوقة وأكثر أمانًا للتكامل.

تستخدم الدائرة أيضًا مكونين إضافيين ، R1 و R2. هذه مقاومات سحب. نظرًا لأدنى عدد للقطع ، فهو حل فعال من حيث التكلفة أيضًا. اعتمادًا على الدائرة المذكورة أعلاه ، سيتم إنشاء محول منطقي ثنائي الاتجاه بسيط من 3.3 فولت إلى 5 فولت.

5V to 3.3V Level Converter باستخدام MOSFET

و 5V إلى 3.3V ثنائية الاتجاه مستوى منطق تحويل الدائرة يمكن أن ينظر إليه في الصورة أدناه -

كما ترى ، علينا توفير جهد ثابت 5V و 3.3V للمقاومات R1 و R2. يمكن استخدام الدبابيس Low_side_Logic_Input و High_Side_Logic_Input بشكل متبادل كدبابيس إدخال وإخراج.

المكونات المستخدمة في الدائرة أعلاه هي

R1 - 4.7 كيلو

R2 - 4.7 كيلو

Q1 - BS170 (N قناة MOSFET).

كلا المقاومات تتحمل 1٪. المقاومات ذات التسامح 5٪ ستعمل أيضًا. يمكن رؤية دبابيس BS170 MOSFET في الصورة أدناه الموجودة في ترتيب الصرف والبوابة والمصدر.

يتكون بناء الدائرة من مقاومين سحب 4.7 كيلو لكل منهما. يتم سحب الصرف ودبوس المصدر الخاص بـ MOSFET إلى مستوى الجهد المطلوب (في هذه الحالة 5 فولت و 3.3 فولت) للتحويل المنطقي المنخفض إلى العالي أو العالي إلى المنخفض. يمكنك أيضًا استخدام أي قيمة تتراوح بين 1k و 10k لـ R1 و R2 لأنها تعمل فقط كمقاومات سحب.

لحالة العمل المثالية ، هناك شرطان يجب الوفاء بهما أثناء إنشاء الدائرة. الشرط الأول هو أن الجهد المنطقي منخفض المستوى (3.3 فولت في هذه الحالة) يتطلب أن يكون متصلاً بمصدر MOSFET والجهد المنطقي عالي المستوى (5 فولت في هذه الحالة) يجب أن يكون متصلاً بدبوس تصريف MOSFET. الشرط الثاني هو أن بوابة MOSFET يجب أن تكون متصلاً بمصدر الجهد المنخفض (3.3 فولت في هذه الحالة).

محاكاة محول المستوى المنطقي ثنائي الاتجاه

يمكن فهم العمل الكامل لدائرة شيفتر المستوى المنطقي باستخدام نتائج المحاكاة. كما ترى في صورة GIF أدناه ، أثناء التحويل المنطقي من المستوى العالي إلى المستوى المنخفض ، يتم إزاحة دبوس الإدخال المنطقي بين 5V و 0V (الأرض) ويتم الحصول على الإخراج المنطقي على أنه 3.3V و 0V.

وبالمثل أثناء التحويل من المستوى المنخفض إلى المستوى العالي ، يتم تحويل الإدخال المنطقي بين 3.3 فولت و 0 فولت إلى إخراج منطقي من 5 فولت و 0 فولت كما هو موضح في صورة GIF أدناه.

تعمل دائرة المحول المنطقي

بعد استيفاء هذين الشرطين ، تعمل الدائرة في ثلاث حالات. يتم وصف الدول أدناه.

1. عندما يكون الجانب المنخفض في المنطق 1 أو الحالة العالية (3.3 فولت).
2. عندما يكون الجانب المنخفض في منطق 0 أو حالة منخفضة (0V).
3. عندما يغير الجانب العالي الحالة من 1 إلى 0 أو من الأعلى إلى المنخفض (5V إلى 0V)

عندما يكون الجانب المنخفض مرتفعًا ، فهذا يعني أن جهد مصدر MOSFET هو 3.3 فولت ، فإن MOSFET لا يعمل بسبب عدم تحقيق نقطة عتبة Vgs من MOSFET. عند هذه النقطة ، تكون بوابة MOSFET 3.3 فولت ومصدر MOSFET هو أيضًا 3.3 فولت. لذلك ، Vgs هو 0V. MOSFET متوقف. المنطق 1 أو الحالة العالية لمدخل الجانب المنخفض تنعكس على جانب الصرف من MOSFET كإخراج 5 فولت عبر المقاوم للسحب R2.

في هذه الحالة ، إذا غيّر الجانب المنخفض من MOSFET حالته من الأعلى إلى المنخفض ، تبدأ MOSFET في التصرف. المصدر في المنطق 0 ، ومن هنا أصبح الجانب المرتفع أيضًا 0.

هذان الشرطان أعلاه يحولان بنجاح حالة منطق الجهد المنخفض إلى حالة منطقية عالية الجهد.

حالة العمل الأخرى هي عندما يغير الجانب العالي من MOSFET حالته من الأعلى إلى المنخفض. إنه الوقت الذي يبدأ فيه الصمام الثنائي لركيزة التصريف. يتم سحب الجانب المنخفض من MOSFET إلى مستوى جهد منخفض حتى تعبر Vgs نقطة العتبة. أصبح خط الناقل لقسم الجهد المنخفض والعالي منخفضًا عند نفس مستوى الجهد.

سرعة تحويل المحول

معلمة أخرى مهمة يجب مراعاتها عند تصميم محول المستوى المنطقي هي سرعة الانتقال. نظرًا لأنه سيتم استخدام معظم المحولات المنطقية بين حافلات الاتصال مثل USART و I2C وما إلى ذلك ، فمن المهم أن يتحول المحول المنطقي بسرعة كافية (سرعة الانتقال) لتتوافق مع معدل الباود لخطوط الاتصال.

سرعة الانتقال هي نفس سرعة التحويل الخاصة بـ MOSFET. ومن ثم في حالتنا وفقًا لورقة البيانات BS170 ، تم تحديد وقت تشغيل MOSFET ووقت إيقاف تشغيل MOSFET أدناه. ومن ثم فمن المهم تحديد MOSFET المناسب لتصميم محول المستوى المنطقي.

لذا فإن MOSFET الخاص بنا هنا يتطلب تشغيل 10nS وإيقاف تشغيل 10nS ، مما يعني أنه يمكن تشغيله وإيقاف تشغيله 10.000.000 مرة في ثانية واحدة. بافتراض أن خط الاتصال الخاص بنا يعمل بسرعة (معدل الباود) 115200 بت في الثانية ، فهذا يعني أنه ينطفئ وينطفئ فقط 1،15،200 في ثانية واحدة. حتى نتمكن من استخدام أجهزتنا بشكل جيد للاتصال عالي معدل البث بالباود أيضًا.

اختبار محول المنطق الخاص بك

المكونات والأدوات التالية مطلوبة لاختبار الدائرة -

1. مزود الطاقة بإخراج جهد مختلف.
2. مالتيمتران.
3. مفتاحان لمسيان.
4. عدد قليل من الأسلاك للاتصال.

تم تعديل التخطيطي لاختبار الدائرة.

في المخطط أعلاه ، يتم إدخال مفتاحين إضافيين عن طريق اللمس. أيضًا ، يتم توصيل مقياس متعدد للتحقق من انتقال المنطق. بالضغط على SW1 ، يغير الجانب المنخفض من MOSFET حالته من مرتفع إلى منخفض ويعمل محول المستوى المنطقي كجهد منخفض إلى محول مستوى منطقي عالي الجهد.

من ناحية أخرى ، بالضغط على SW2 ، يغير الجانب العالي من MOSFET حالته من مرتفع إلى منخفض ويعمل محول المستوى المنطقي كجهد عالي إلى محول مستوى منطقي منخفض الجهد.

الدائرة مبنية في لوح تجارب واختبارها.

تُظهر الصورة أعلاه الحالة المنطقية عبر جانبي MOSFET. كلاهما في حالة المنطق 1.

يمكن رؤية فيديو العمل الكامل في الفيديو أدناه.

حدود محول المستوى المنطقي

الدائرة لديها بالتأكيد بعض القيود. تعتمد القيود بشكل كبير على اختيار MOSFET. يمكن استخدام الحد الأقصى للجهد وتيار الصرف في هذه الدائرة يعتمد على مواصفات MOSFET. أيضًا ، الحد الأدنى للجهد المنطقي هو 1.8 فولت. لن يعمل الجهد المنطقي الأقل من 1.8 فولت بشكل صحيح بسبب قيود Vgs في MOSFET. للجهد المنخفض عن 1.8 فولت ، يمكن استخدام محولات المستوى المنطقي المخصصة.

الأهمية والتطبيقات

كما تمت مناقشته في الجزء التمهيدي ، يمثل مستوى الجهد غير المتوافق في الإلكترونيات الرقمية مشكلة في الاتصال ونقل البيانات. لذلك ، يلزم وجود محول مستوى أو محول مستوى للتغلب على الأخطاء المتعلقة بمستوى الجهد في الدائرة.

نظرًا لتوفر دوائر مستوى منطقي واسعة النطاق في سوق الإلكترونيات وأيضًا لمتحكمات مستوى الجهد المختلفة ، فإن ناقل الحركة المنطقي لديه حالة استخدام رائعة. تحتاج العديد من الأجهزة الطرفية والأجهزة القديمة التي تعمل على أساس I2C أو UART أو برنامج ترميز الصوت إلى محولات مستوى لأغراض الاتصال باستخدام متحكم دقيق.

شعبية المرحلية المستوى المنطقي

هناك الكثير من الشركات المصنعة التي تقدم حلولاً متكاملة لتحويل المستوى المنطقي. أحد أشهر IC هو MAX232. إنها واحدة من أكثر محولات المستوى المنطقي شيوعًا والتي تحول الجهد المنطقي للمتحكم من 5 فولت إلى 12 فولت. يستخدم منفذ RS232 للتواصل بين أجهزة الكمبيوتر باستخدام متحكم ويتطلب +/- 12V. لقد استخدمنا بالفعل MAX232 مع PIC وعدد قليل من المتحكمات الدقيقة الأخرى في وقت سابق لربط متحكم دقيق بالكمبيوتر.

توجد أيضًا متطلبات مختلفة اعتمادًا على تحويل مستوى الجهد المنخفض جدًا ، وسرعة التحويل ، والمساحة ، والتكلفة ، إلخ.

SN74AX هي أيضًا سلسلة شائعة من محول مستوى الجهد ثنائي الاتجاه بواسطة Texas Instruments. هناك الكثير من الدوائر المتكاملة في هذا الجزء والتي توفر انتقال ناقل من بت واحد إلى 4 بت إلى جانب ميزات إضافية.

IC محول المستوى المنطقي ثنائي الاتجاه الشائع الآخر هو MAX3394E من Maxim Integrated. يستخدم نفس طوبولوجيا التحويل باستخدام MOSFET. يمكن رؤية مخطط الدبوس في الصورة أدناه. يدعم المحول دبوس تمكين منفصل يمكن التحكم فيه باستخدام ميكروكنترولر وهي ميزة إضافية.

يُظهر البناء الداخلي أعلاه نفس هيكل MOSFET ولكن مع تكوين القناة P. لديها الكثير من الميزات الإضافية الإضافية مثل حماية 15kV ESD على خطوط الإدخال / الإخراج و VCC. يمكن رؤية المخطط النموذجي في الصورة أدناه.

يعرض المخطط أعلاه دائرة تقوم بتحويل المستوى المنطقي 1.8 فولت إلى مستوى المنطق 3.3 فولت والعكس صحيح. تتحكم وحدة تحكم النظام التي يمكن أن تكون أي وحدة متحكم دقيقة أيضًا في دبوس EN.

لذلك ، هذا كل شيء عن دائرة تحويل مستوى المنطق ثنائي الاتجاه والعمل.