Medición de la frecuencia de una señal por encima de 5V con un microcontrolador

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 5 V y 250 uA a 15 V. Esto se puede reducir a 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 de 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 obtener resultados ligeramente mejores, pero la solución de un transistor debería ser totalmente adecuada.

• NUNCA permita que el diodo de sujeción/protección del IC lleve corriente durante el funcionamiento normal. Está invitando a la falta de fiabilidad y al funcionamiento inesperado y posiblemente imperceptible durante todos los días de la vida útil de su producto. Hacer esto durante la operación normal siempre viola las condiciones de la hoja de datos.

  • PUEDE salirse con la suya con unos pocos uA o incluso unos pocos 10 de uA y puede PENSAR que se ha salido con la suya usándolos para llevar 100 de uA. CADA aplicación que utiliza los diodos de protección para transportar más de la mitad de una bocanada de 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 la recomiendan suelen ser poco profesionales.
    Consulte la sección al final de esta respuesta.

Solución de transistor único:

La entrada se muestra como 5-15 V, pero cualquier cosa por encima de 4 V funcionará.
Cuando vin = 4V Vbase = R2/(R1+r2) x 4V = 0.6V.
En teoría, esto es adecuado, pero a 5 V tiene un impulso más que suficiente.

Los valores de R1 y R2 que se muestran son sugerencias.
Se podrían usar valores de, por ejemplo, 100k y 560k si se usara un 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 convenga.

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

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

¡¡¡Un dato sumamente valioso a saber sobre los divisores resistivos!!!

Un hecho poco apreciado es que la relación entre dos valores de resistencia N lugares separados en una escala de resistencia estándar es casi constante.
Esto está implícito en la forma en que se eligen los valores de la escala.
Los valores de la 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 de 10x 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 9 lugares y obtendrá 5.6
CUALQUIER dos valores separados por 9 tienen la misma proporción (dentro de la tolerancia de la escala) y pueden usarse para formar un divisor aproximadamente equivalente.
por ejemplo, cualquiera de 56k/10k, 68k/12k, 82k/15k 100k/18k, etc.

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

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 superior a Vdd + 0,3 V MÁXIMO ABSOLUTO (incluso si no funciona correctamente) y, en la práctica, cualquier valor superior a Vdd sería arriesgado.

ADVERTENCIA:

La recomendación de Curd de usar una abrazadera de diodo para Vdd es una práctica común pero muy arriesgada ya que inyectará corriente en el IC en lugares no previstos 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 sigue siendo desaconsejable y viola incluso las especificaciones máximas absolutas del fabricante.

Pinza zener:

Este simple circuito bien puede ser suficiente.

Lo importante es asegurarse de que Vout cumpla con sus especificaciones en todo momento. Muchas personas usan un diodo zener de xx voltios y asumen que obtendrán XX voltios. A corrientes bajas, esto suele estar lejos de ser cierto. Las siguientes curvas muestran voltaje zener con corriente para zeners típicos. Tenga en cuenta que el zener 4V7 requiere aproximadamente 1 mA de corriente para llevarlo 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 = (5 V - 4,2)/0,002 A = 0,8/0,002 = 400 ohmios.
Digamos 390 ohmios = valor de resistencia E12 estándar.

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 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 = 500 mW de resistencia.

Curvas de tensión corriente Zener V02 x2.jpg

Ejemplo de hoja de datos zener

DIODOS DE PROTECCIÓN:

Muchas personas desconocen o simplemente ignoran la distinción de la hoja de datos entre las clasificaciones "máximas absolutas" y las condiciones de funcionamiento recomendadas.

Las clasificaciones máximas absolutas son aquellas en las que se garantiza que el dispositivo sobrevivirá sin daños. No se garantiza el funcionamiento correcto.

El PIC en cuestión permite Vdd + 0.3V en sus pines como una clasificación máxima absoluta. No se garantiza el funcionamiento durante esta condición.

La mayoría de las hojas de datos especifican claramente que durante el funcionamiento 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 varios 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 han arrepentido del día en que pensaron eso y la mayoría probablemente haya vivido para arrepentirse o no :-).

Tenga en cuenta que la nota de la 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: figuras 10-1 10-2 al menos tiene la gracia de decir "... los diodos de sujeción deben mantenerse pequeños (en el rango de microamperios). Si la corriente a través de los diodos de sujeción es demasiado grande, corre el riesgo de que la pieza se enganche". Atmels cientos de uA NO están "en el rango de microamperios".

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

El problema con las corrientes de diodo del cuerpo es cuando NO obtienes una ruina 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 elevas Vin > Vdd, la corriente fluye efectivamente fuera del ICV propiamente dicho hacia un país de hadas fantasma que el iC desconoce y que el diseñador no diseñó y generalmente no puede diseñar. Una vez allí, tiene pequeñas potencias configuradas que normalmente nunca están allí y la corriente puede fluir de regreso a los modos de circuito adyacentes, de nodos no muy adyacentes o incluso a ubicaciones 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 en absoluto y es esencialmente imposible de diseñar. Un efecto es inyectar corrientes en nodos flotantes que no tienen una ruta de salida formal. Estos pueden actuar como puertas para los FET, formales o accidentales, que encienden o apagan partes semialeatorias de su circuito. Qué partes ? ¿Cuándo? ¿Con qué frecuencia? ¿Cuánto tiempo? ¿Qué tan difícil? Respuesta: quién puede decirlo / nadie puede decirlo, no está diseñado ni se puede designar.

P: ¿Esto realmente sucede? R: ¡Oh, sí! P: ¿Lo he visto suceder? R: Sí.

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 por él.
Tenía un circuito serial asíncrono relativamente simple que me causó un sinfín de conflictos. El funcionamiento del procesador era intermitente o semialeatorio. Código fallado a veces y no otras veces. Nada era estable. ¿El problema? Conducción de diodo corporal, por supuesto. Había copiado 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 haces con cuidado, inteligencia y diseño, es posible que no te muerda. Pero puede.
Esto es similar a cruzar la línea central hacia el tráfico en curso para adelantar, hecho con cuidado y no con demasiada frecuencia y dejando lo que pueden ser márgenes lo suficientemente buenos para que generalmente no muera. Si lo hace, probablemente no se sorprenda :-). Lo mismo ocurre con la conducción de diodos corporales. El "rango de microamperios" de los microchips puede estar bien. El 1 megaohmio de Atmel fuera de la red eléctrica es un accidente a punto de ocurrir.

Simplemente use un inversor hecho de un solo transistor y un par de resistencias. Dado que 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 normal y agregar la resistencia base (aproximadamente 10K) afuera (la que está entre la base y el emisor no es obligatoria, pero también puede agregarla) . Usé este circuito para convertir el voltaje de 25 V superior a 5 V superior 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 es muy 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 ordinario.

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 circuitos integrados:

Pastilla:

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

Muchos fabricantes protegen sus pines de E/S para que no excedan la especificación de voltaje máximo permitido 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 debe observar la corriente a través del diodo de sujeción. La corriente a través de los diodos de abrazadera debe mantenerse pequeña (en el rango de microamperios). Si la corriente a través de los diodos de sujeción es demasiado grande, corre el riesgo de que la pieza se enganche.

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 operativo del AVR (vea la Figura 2). Cualquier voltaje superior a VCC + 0,5 V se reducirá a VCC + 0,5 V (0,5 V es la caída de voltaje sobre el diodo) y cualquier voltaje por debajo de GND - 0,5 V se reducirá a GND - 0,5 V.
Al agregar una gran resistencia en serie, estos diodos se pueden usar para convertir una señal sinusoidal de alto voltaje en una señal de onda cuadrada de bajo voltaje, con una amplitud dentro del voltaje operativo del AVR de ± 0,5 V. Por lo tanto, 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 para elegir una resistencia adecuada para el circuito de entrada. Los valores de resistencia de 1 kΩ a 10 kΩ suelen ser apropiados. En la práctica, por lo general es adecuado usar solo una resistencia de alto valor, sin diodos adicionales.

e incluso para circuitos integrados analógicos,
Analog Devices propone

EDch 11 sobretensiones y emi.pdf

Para aquellos amplificadores donde claramente se requiere protección externa contra el abuso de sobrevoltaje 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 los suministros, como se muestra en Figura 11.7. La resistencia en serie de entrada externa, Rs, será proporcionada por el fabricante del amplificador, o determinada empíricamente por el usuario con el método mostrado anteriormente 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 del voltaje de salida, además de limitar 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 tienen que decir
Horowitz/Hill "The Art of Electronis" 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 parece un par de diodos de sujeción al suministro positivo y la tierra. Las corrientes momentáneas superiores a aproximadamente 10 mA a través de estos diodos es todo lo que se necesita para poner muchos dispositivos CMOS en latchup SCR (...; los diseños más nuevos soportan corrientes más altas y tienden a ser resistentes o inmunes a esta enfermedad; por ejemplo, el HC y HCT las familias se pueden conducir 1.5V más allá de los rieles de suministro sin fallas ni daños).

EDIT2:
Supongo que lo que le preocupa tanto a Russel es 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 1+ 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.

EDIT4
Encontré otra nota de aplicación de Microchip dedicada exclusivamente al problema "Uso de diodos parásitos ESD en microcontroladores de señal mixta" .

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 cualquier sobretensión en los pines de E/S del microcontrolador. Esto se puede hacer agregando diodos Schottky a VDD y de VSS en cada pin que pueda ver un alto voltaje. Esto sujetará los voltajes a VDD + 0.3V

...tal como sugerí desde el principio.

El documento también aclara que no es cierto que la sobretensión aplicada a la entrada de un controlador de Microchip produzca corrientes en el sustrato (como se afirma en los comentarios). Esto solo puede ocurrir con subtensión (= por debajo de Vss; consulte el párrafo "Subtensión"), que no es el tema de esta pregunta.

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

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

Entonces, a 5V tendrás nuevamente una salida de 5V, y lo mismo a 15V 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 de +/- 25 V máx.) y algunos voltajes incluso más altos, además, puede obtener unos con 100 % de aislamiento para proteger su circuito de bucles de tierra y otros problemas eléctricos malos.

Aunque se supone que RS232 tiene voltajes +/-, 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 una señal positiva 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 obtenga se invertirán, pero esto no debería ser motivo de preocupación porque está midiendo la frecuencia.

+/-50 V aislado, 3,0 V a 5,5 V, 250 kbps, 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

Las personas con problemas especiales con los diodos del cuerpo o los diodos de sujeción probablemente no tenían un capacitor lo suficientemente grande en la fuente de alimentación cerca del IC.

El diodo está desviando la corriente al suministro +. Si no hay un capacitor lo suficientemente grande para absorber esto, causará problemas. Es solo que el riel de suministro se está disparando. Porque está usando un condensador ridículamente 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 la cantidad de corriente que esté pasando a través de los diodos del cuerpo.

10mA está bien. es un diodo

No uso diodos de protección externos. Yo uso resistencias de 2k7. Puede conectar 12 voltios a la entrada de una pieza de 5V, sin problemas. Sin preocupaciones. Trate de entender lo que realmente está sucediendo antes de comenzar a hablar sobre fetos flotantes e inyectar corrientes en la tierra de las hadas.