آموزش الکترونیکالکترونیک

مبدل سطح منطقی دو جهته با ماسفت

کامپیوتر شما برای کار به 12± ولت، 5+ ولت و 3.3+ ولت نیاز دارد. این سطوح ولتاژ برای یک کامپیوتر بسیار مهم است. یک ولتاژ خاص، وضعیت سیگنال را تعیین می کند (کم یا زیاد). این حالت بالا توسط کامپیوتر به عنوان باینری 1 و حالت کم به صورت باینری 0 پذیرفته می شود. بسته به شرایط 0 و 1 کامپیوتر داده ها، کدها و دستورالعمل ها را برای تأمین خروجی مورد نیاز تولید می کند.

سطح ولتاژ منطقی مدرن تا حد زیادی از 1.8 ولت تا 5 ولت متغیر است. ولتاژهای منطقی استاندارد 5 ولت، 3.3 ولت، 1.8 ولت و غیره هستند. اما، چگونه یک سیستم یا کنترل کننده با سطح منطقی 5 ولت (مثل آردوینو) با سیستم دیگری که با 3.3 ولت کار می کند (مثل ESP8266) یا هر سطح ولتاژ متفاوت دیگری ارتباط برقرار می کند؟

این شرایط اغلب در بسیاری از طراحی ها رخ می دهد، جایی که از چندین میکروکنترلر یا سنسور استفاده می شود و راه حل آن اینجا استفاده از مبدل سطح منطقی یا تعویض کننده سطح منطقی است. در این مقاله ما بیشتر با مبدل سطح منطقی آشنا خواهیم شد و همچنین یک مدار مبدل ساده سطح منطقی دو جهته با استفاده از ماسفت خواهیم ساخت که برای طراحی مدارهای شما مفید خواهد بود.

پیشنهاد میکنم قبل از خواندن این مطلب، مقاله ماسفت چیست را بخوانید.

ولتاژ ورودی سطح پایین و سطح بالا

با این حال، از ریزپردازنده یا طرف میکروکنترلر، مقدار سطح ولتاژ منطقی ثابت نیست، مقداری تلرانس دارد. به عنوان مثال، میکروکنترلر های سطح منطقی 5 ولت پذیرفته شده منطق بالا (منطق 1)، حداقل 2.0 ولت (حداقل ولتاژ ورودی سطح بالا) تا حداکثر 5.1 ولت (حداکثر ولتاژ ورودی سطح بالا) است. به همین ترتیب، برای منطق کم (منطق 0) مقدار ولتاژ پذیرفته شده از 0 ولت (حداقل ولتاژ ورودی سطح پایین) تا حداکثر 8 ولت (ولتاژ ورودی حداکثر سطح پایین) است.

برای یادگیری کامل آردوینو ، روی دوره آموزش آردوینو و برای یادگیری کامل الکترونیک، روی دوره آموزش الکترونیک کلیک کنید.

مثال بالا برای میکروکنترلر های سطح منطقی 5 ولت درست است اما میکروکنترلرهای سطح منطقی 3.3 ولت و 1.8 ولت نیز وجود دارند. در چنین نوع میکروکنترلرها، دامنه ولتاژ سطح منطقی متفاوت خواهد بود. می توانید اطلاعات مربوطه را از صفحه داده مربوط به IC کنترل کننده خاص دریافت کنید. هنگام استفاده از مبدل سطح ولتاژ، باید توجه داشت که مقدار ولتاژ بالا و مقدار ولتاژ پایین در حد این پارامترها باشد.

مبدل سطح منطقی دو جهته

بسته به نوع کاربرد و ساخت فنی، دو نوع تعویض کننده سطح وجود دارد، مبدل سطح منطق یک جهته و مبدل سطح منطق دو جهته. در مبدل های سطح یک جهته، پین های ورودی برای یک دامنه ولتاژ و پین های خروجی برای دامنه ولتاژ دیگری اختصاص داده شده اند، اما این مورد برای مبدل های سطح دو جهته وجود ندارد و می تواند سیگنال های منطقی را در هر دو جهت تبدیل کند. برای مبدل های سطح دو جهته، هر دامنه ولتاژ نه تنها دارای پین های ورودی است بلکه دارای پین خروجی نیز می باشد. به عنوان مثال اگر 5.5 ولت را به طرف ورودی فراهم کنید، آن را به سمت خروجی 3.3 ولت تبدیل می کند، به همین ترتیب اگر 3.3 ولت را به سمت خروجی ارائه دهید، آن را به 5 ولت در سمت ورودی تبدیل می کند.

مطلب پیشنهادی:  اسیلاتور هارتلی چیست؟ آموزش مدار نوسانگر هارتلی

در این آموزش، ما یک مبدل سطح دو جهته ساده خواهیم ساخت و آن را برای تبدیل زیاد به کم و تبدیل کم به زیاد آزمایش خواهیم کرد.

مبدل سطح منطقی دو جهته ساده

یک مدار مبدل سطح منطقی دو جهته ساده در تصویر زیر نشان داده شده است.

مبدل سطح منطقی دو جهته ساده

این مدار با استفاده از کانال ماسفت n، سطح منطقی ولتاژ پایین را به سطح منطقی ولتاژ بالا تبدیل می کند. یک مبدل سطح منطقی ساده نیز می تواند با استفاده از تقسیم کننده های ولتاژ مقاومتی ساخته شود اما باعث افت ولتاژ می شود. مبدل های سطح منطقی ماسفت یا ترانزیستور حرفه ای، قابل اعتماد و ایمن تر هستند.

این مدار همچنین از دو جز اضافی R1 و R2 استفاده می کند. اینها مقاومت های کششی هستند. به دلیل کم بودن تعداد قطعات، یک راه حلی مقرون به صرفه نیز هست. بسته به مدار فوق، یک مبدل منطقی جهت دار 3.3 ولت تا 5 ولت ساده ساخته می شود.

مبدل سطح 5 ولت به 3.3 ولت با ماسفت

مدار مبدل سطح منطقی جهت دار 5 ولت به 3.3 ولت را می توانید در تصویر زیر مشاهده کنید.

مبدل سطح 5 ولت به 3.3 ولت با ماسفت

همانطور که می بینید ما باید ولتاژ ثابت 5 ولت و 3.3 ولت را به مقاومت های R1 و R2 ارائه دهیم. پین های Low_side_Logic_Input و High_Side_Logic_Input می توانند به جای یکدیگر به عنوان پایه های ورودی و خروجی استفاده شوند.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

اجزای استفاده شده در مدار فوق عبارتند از:

  1. R1 – 4.7k
  2. R2 – 4.7k
  3. Q1 – BS170 (N کانال ماسفت)

مقاومت هر دو مقاومت 1٪ است. مقاومت هایی با تحمل 5٪ نیز عمل خواهند کرد. پین اوت ماسفت BS170 را می توانید در تصویر زیر مشاهده کنید که به ترتیب تخلیه، گیت و منبع است.

BS170 ماسفت

ساختار مدار از دو مقاومت کششی 4.7k تشکیل شده است. تخلیه و پایه منبع ماسفت برای تبدیل منطقی کم به زیاد یا زیاد به کم به سطح ولتاژ مورد نظر (در این حالت 5 ولت و 3.3 ولت) کشیده می شوند. همچنین می توانید از مقادیر بین 1k تا 10k برای R1 و R2 استفاده کنید زیرا آنها فقط به عنوان مقاومت های کششی عمل می کنند.

برای حالت کامل کار، دو شرط وجود دارد که باید هنگام ساخت مدار رعایت شود. شرط اول این است که ولتاژ منطقی سطح پایین (3.3 ولت در این حالت) نیاز به اتصال به منبع ماسفت دارد و ولتاژ منطقی سطح بالا (5 ولت در این حالت) باید به پایه تخلیه ماسفت متصل شود. شرط دوم این است که، گیت ماسفت باید به منبع تغذیه ولتاژ پایین متصل شود (در این حالت 3.3 ولت).

شبیه سازی مبدل سطح منطقی دو طرفه

با استفاده از نتایج شبیه سازی، می توان کار کامل مدار تغییر سطح منطقی را درک کرد. همانطور که در تصویر GIF زیر مشاهده می کنید، هنگام تبدیل منطق سطح بالا به سطح پایین، پین ورودی منطقی بین 5 ولت و 0 ولت (زمین) جابجا می شود و خروجی منطق به صورت 3.3 ولت و 0 ولت بدست می آید.

شبیه سازی مبدل سطح منطقی دو طرفه

به طور مشابه در هنگام تبدیل سطح پایین به سطح بالا، ورودی منطق بین 3.3 ولت است و 0 ولت به خروجی منطقی 5 ولت و 0 ولت تبدیل می شود همانطور که در تصویر GIF زیر نشان داده شده است.

مطلب پیشنهادی:  تفاوت الکتریک و الکترونیک (تفاوت وسایل الکترونیکی و الکتریکی)

تبدیل ولتاژ کم به زیاد

کار مدار مبدل سطح منطقی

پس از تحقق این دو شرط، مدار در سه حالت کار می کند. این حالات در زیر شرح داده شده است.

  1. وقتی طرف پایین در حالت منطقی 1 یا زیاد باشد (3.3 ولت).
  2. وقتی سمت پایین در حالت منطقی 0 یا کم باشد (0 ولت).
  3. وقتی سمت بالا، حالت را از 1 به 0 یا زیاد به کم (5 ولت به 0 ولت) تغییر می دهد.

هنگامی که سمت پایین زیاد باشد، این بدان معنی است که ولتاژ منبع ماسفت 3.3 ولت است، ماسفت به دلیل عدم رسیدن نقطه آستانه Vgs ماسفت، هدایت نمی کند. در این مرحله گیت ماسفت 3.3 ولت و منبع ماسفت نیز 3.3 ولت است. بنابراین، Vgs 0V است. ماسفت خاموش است. منطق 1 یا حالت زیاد ورودی سمت پایین، در سمت تخلیه ماسفت به عنوان یک خروجی 5 ولتی از طریق مقاومت کششی R2 منعکس می شود.

در این شرایط، اگر سمت پایین ماسفت حالت خود را از بالا به پایین تغییر دهد، ماسفت شروع به هدایت می کند. منبع در منطق 0 است، از این رو سمت بالا نیز 0 می شود.

مدار های بالا که دارای دو شرط هستند، با موفقیت حالت منطق ولتاژ پایین را به حالت منطقی ولتاژ بالا تبدیل می کنند.

وضعیت کار دیگر وقتی است که قسمت بالای ماسفت حالت خود را از بالا به پایین تغییر دهد. زمانی است که دیود بستر تخلیه شروع به هدایت می کند. سمت پایین ماسفت تا سطح ولتاژ پایین، پایین کشیده می شود تا Vgs از نقطه آستانه عبور کند. خط گذرگاه هر دو بخش ولتاژ پایین و بالا، در همان سطح ولتاژ کم می شود.

سرعت سوئیچینگ مبدل

پارامتر مهم دیگری که هنگام طراحی مبدل سطح منطقی باید در نظر گرفت، سرعت انتقال است. از آنجا که بیشتر مبدل های منطقی بین گذرگاه های ارتباطی مانند USART، I2C و غیره مورد استفاده قرار می گیرند، مهم است که مبدل منطقی به اندازه کافی سریع (سرعت انتقال) تغییر کند تا با تعداد بایت های در ثانیه خطوط ارتباطی مطابقت داشته باشد.

سرعت انتقال همان سرعت سوئیچینگ ماسفت است. از این رو در مورد ما طبق صفحه داده BS170، زمان روشن شدن ماسفت و زمان خاموش شدن ماسفت در زیر بیان شده است. از این رو مهم است که ماسفت مناسبی برای طراحی مبدل سطح منطقی خود انتخاب کنید.

سرعت سوئیچینگ مبدل

بنابراین ماسفت ما در اینجا به 10nS برای روشن و 10nS برای خاموش شدن نیاز دارد، به این معنی که می تواند 10،00،000 بار در یک ثانیه روشن و خاموش شود. با فرض اینکه خط ارتباطی ما با سرعت (نرخ باود) 115200 بیت در ثانیه در حال کار است، پس به این معنی است که در یک ثانیه فقط 1،15،200 را خاموش و روشن می کند. بنابراین به خوبی می توانیم از دستگاه خود برای ارتباط با نرخ بالا نیز استفاده کنیم.

اگر در مورد ارتباط سریال کنجکاو هستید، مقاله ارتباط سریال چیست؟ را بخوانید.

 آزمایش مبدل منطق

برای آزمایش مدار، اجزا و ابزارهای زیر لازم است :

  1. منبع تغذیه با دو ولتاژ متفاوت
  2. دو مولتی متر
  3. دو سوئیچ لمسی
  4. تعداد کمی سیم برای اتصال

شماتیک برای آزمایش مدار اصلاح می شود.

 آزمایش مبدل منطق 

در شماتیک فوق، دو سوئیچ لمسی اضافی معرفی شده است. همچنین، یک مولتی متر برای بررسی انتقال منطقی متصل شده است. با فشار دادن SW1، سمت پایین ماسفت حالت خود را از بالا به پایین تغییر می دهد و مبدل سطح منطقی به عنوان مبدل سطح منطقی ولتاژ پایین به ولتاژ بالا کار می کند.

از طرف دیگر، با فشار دادن SW2، قسمت بالای ماسفت حالت خود را از بالا به پایین تغییر می دهد و مبدل سطح منطقی به عنوان مبدل سطح منطقی ولتاژ بالا به ولتاژ پایین کار می کند.

مطلب پیشنهادی:  آموزش ساخت بلندگوی بسیار قوی برای کامپیوتر و گوشی

مدار در برد بورد ساخته شده و آزمایش شده است.

تست مبدل دو طرفه با ماسفت

تصویر فوق وضعیت منطقی را در دو طرف ماسفت نشان می دهد. هر دو در حالت منطق 1 هستند.

استفاده از ماسفت برای تغییر سطح منطق مدار

فیلم کامل کار را می توانید در فیلم زیر مشاهده کنید.

 

محدودیت های مبدل سطح منطق

این مدار قطعاً محدودیت هایی دارد. محدودیت ها بسیار به انتخاب ماسفت بستگی دارند. حداکثر ولتاژ و جریان تخلیه قابل استفاده در این مدار به مشخصات ماسفت بستگی دارد. همچنین حداقل ولتاژ منطقی 1.8 ولت است. ولتاژ منطقی کمتر از 1.8 ولت به دلیل محدودیت Vgs در ماسفت به درستی کار نخواهد کرد. برای ولتاژ کمتر از 1.8 ولت، می توان از مبدل های سطح منطقی اختصاصی استفاده کرد.

اهمیت و کاربرد

همانطور که در قسمت مقدماتی بحث شد، سطح ولتاژ ناسازگار در الکترونیک دیجیتال مشکلی برای رابط و انتقال داده است. بنابراین، برای غلبه بر خطاهای مربوط به سطح ولتاژ در مدار، به یک مبدل سطح یا یک تعویض کننده سطح نیاز است.

با توجه به در دسترس بودن مدارهای سطح منطقی با دامنه وسیع در بازار الکترونیک و همچنین برای میکروکنترلرهای مختلف سطح ولتاژ، تعویض کننده سطح منطقی یک مورد استفاده باورنکردنی دارد. چندین دستگاه جانبی و دستگاه قدیمی که براساس ارتباط I2C، UART یا کدک صوتی کار می کنند، برای برقراری ارتباط با میکروکنترلر به مبدل های سطح نیاز دارند.

IC های محبوب تبدیل سطح منطق

تولیدکنندگان زیادی راه حل های یکپارچه ای برای تبدیل سطح منطق ارائه می دهند. یکی از IC های معروف MAX232 است. این یکی از رایج ترین مبدل های سطح مبدل منطقی است که ولتاژ منطقی میکروکنترلر را 5 ولت به 12 ولت تبدیل می کند. از پورت RS232 برای برقراری ارتباط بین کامپیوترها با میکروکنترلر استفاده می شود و به 12 ولت نیاز دارد. ما قبلاً از MAX232 با PIC و تعداد کمی از میکروکنترلرهای دیگر برای ارتباط میکروکنترلر با کامپیوتر استفاده کرده ایم.

نیازهای مختلفی نیز بسته به تبدیل سطح ولتاژ بسیار پایین، سرعت تبدیل، فضا، هزینه و غیره وجود دارد.

IC های محبوب تبدیل سطح منطق

SN74AX همچنین یک سری محبوب مبدل سطح ولتاژ دو جهته توسط Texas Instruments ( نام کارخانه تولید قطعات الکتریک) است. IC های زیادی در این بخش وجود دارد که انتقال گذرگاه منبع تک بیتی تا 4 بیتی همراه با ویژگی های اضافی را ارائه می دهد.

مبدل سطح ولتاژ SN74AX

IC  یکی دیگر از مبدل سطح منطقی دو جهته محبوب MAX3394E از Maxim Integrated است. با استفاده از ماسفت از همان توپولوژی تبدیل استفاده می کند. نمودار پین در تصویر زیر مشاهده می شود. مبدل از پین فعال کننده جداگانه ای پشتیبانی می کند که می تواند با استفاده از میکروکنترلر ها کنترل شود که یک ویژگی اضافه شده است.

مبدل سطح منطقی MAX3394E

ساختار داخلی فوق، همان توپولوژی ماسفت را نشان می دهد اما با پیکربندی کانال P. این دارای ویژگی های اضافی ای مانند محافظت ESD 15kV در خطوط ورودی / خروجی و VCC است. شماتیک معمولی را می توان در تصویر زیر مشاهده کرد.

شماتیک فوق، مداری را نشان می دهد که سطح منطقی 1.8 ولت را به سطح منطقی 3.3 ولت و بالعکس تبدیل می کند. کنترل کننده سیستم که می تواند هر واحد میکروکنترلری باشد، پین EN را نیز کنترل می کند.

بنابراین، این ها همه در مورد مدار تبدیل سطح منطقی دو جهته و عملکرد است.

میخواهید برنامه نویسی STM32 را یاد بگیرید؟

دوره آموزش STM32

میخواهید الکترونیک را یاد بگیرید؟

دوره آموزش الکترونیک
دوره آموزش آردوینو

میخواهید آردوینو را به صورت پروژه محور یاد بگیرید؟ برای مشاهده توضیحات روی دوره مورد نظر کلیک کنید

برای دریافت مطالب جدید در کانال تلگرام یا پیج اینستاگرام آیرنکس عضو شوید.

محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید) سعی میکنم تمام نظرات را پاسخ دهم.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *