Стивен Барретт - Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С

Рис. 5.3. Неудачная схема подключения светодиода к логическому элементу

Светодиоды видимого спектра излучения в настоящее время доступны во множестве цветовых решений. Они могут светиться красным, желтым, зеленым, синим, белым и оранжевым цветами. Светодиодные индикаторы характеризуются относительно малой мощностью потребления в сочетании с большим сроком службы. Светодиод имеет два вывода: анод и катод. Во время излучения напряжение между анодом и катодом должно быть положительным.

Светодиоды характеризуются двумя основными параметрами: рабочим током и напряжением прямого смещения. Типичные значения рабочих токов светодиодов лежат в диапазоне от 10 до 15 мА, при этом прямое падение напряжения составляет 1,5 В. Для того, чтобы светодиод излучал, необходимо подключить его к источнику напряжения более 1,5 В и при этом обеспечить протекание прямого рабочего тока 10…15 мА.

Посмотрим, как эти условия выполняются в приведенной схеме (рис. 5.3)? Если на выходе МК формируется напряжение логической 1, то протекание тока через светодиод в требуемом направлении возможно. Величина выходного напряжения логической единицы VOH превышает 1,5 В, поэтому условие по прямому напряжению в этой схеме выполнено. А как насчет тока? Можно рассчитать величину сопротивления R, при которой в цепи светодиода будет протекать ток 10…15 мА, и светодиод будет светиться. Но тогда понизится выходное напряжение VOH, и его величина может стать меньше, чем входное напряжение логической 1 VIH. Тогда подключение к такому выходу других логических схем невозможно, поскольку их надежная работа не гарантируется. Они просто могут не распознать наличие на выходе сигнала высокого логического уровня, и защитные исполнительные устройства не сработают.

Как выйти из сложившейся ситуации? Мы расскажем, как правильно подключать к МК светодиоды в разделе 5.3.1. А сейчас займемся грамотным сопряжением МК и цифровых ИС.

5.1.3. Входные и выходные характеристики логических элементов

В этом параграфе мы рассмотрим, как правильно подключить логический элемент одной серии к элементу другой серии. Электрические характеристики логических элементов, принадлежащих к разным сериям, отличаются друг от друга. Для того, чтобы ответить на вопрос о возможности соединения некоторого количества элементов разных серий, необходимо проделать следующие шаги:

• Убедиться, что выходные напряжения логической 1 и логического 0 элемента — источника сигнала совместимы со входными напряжениями 1 и 0 подключаемого элемента.

• Убедиться, что выходные токи элемента — источника сигнала превышают входные токи подключаемого элемента. Необходимо проанализировать как состояние логического 0, так и логической 1.

• Определить, сколько логических элементов будет подсоединяться к одному выходу элемента — источника сигнала.

Давайте покажем анализ совместимости электрических характеристик логических элементов на примере.

Пример 1. Необходимо проанализировать совместимость логических элементов двух серий DP1 и SB2. Входные и выходные параметры элементов приведены ниже:

DP1:

VIH = 2,0 В, VIL = 0,8 В, IOH = –0,4 мА, IOL = 16 мА

VOH = 3,4 В, VOL = 0,2 В, IIH = 40 мкА, IIL = –1,6 мА

SB2:

VIH = 2,0 В, VIL = 0,8 В, IOH = –0,4 мА, IOL = 8 мА

VOH = 2,7 В, VOL = 0,4 В, IIH = 20 мкА, IIL = –0,4 мА

Могут ли логические элементы серии SB2 быть подключены к элементам серии DP1? Если да, то в каком количестве? Иными словами, чему равен коэффициент разветвления DP1 для SB2?

Решение. Для ответа на вопрос необходимо сравнить уровни входных и выходных напряжений элементов этих серий, оценить нагрузочную способность элементов серии DP1 по отношению к элементам SB2. Коэффициент разветвления должен быть вычислен как для состояния логического 0, так и для состояния логической 1. Далее следует выбрать наихудший вариант сочетания параметров, и по нему необходимо дать заключение.

• Сравним напряжения при высоком уровне выходного сигнала. Минимальная величина выходного напряжения логической 1 для серии DP1 составляет VOH=3,4 В. Минимальный уровень входного напряжения логической 1 для серии SB2 — VIH=2,0 В. Сравнивая эти числа, можно сделать вывод, что по напряжению высокого логического уровня эти элементы совместимы. Если элемент серии DP1 сгенерирует на выходе наименьшее возможное напряжение VOH, его величина обязательно превысит минимально необходимый уровень входного напряжения элемента серии SB2. В результате, ошибка распознавания единичного выходного уровня при исправных элементах невозможна.

• Далее сравним напряжения элементов при низком уровне выходного сигнала. Максимальное значение выходного напряжения логического 0 для элементов серии DP1 составляет VOL=0,2 В. Элементы серии SB2 распознают как уровень логического 0 сигналы с напряжением ниже VOL=0,8 В. Поскольку VOL(DP1)<VIL(SB2), ошибки распознавания низкого логического уровня также невозможна. Следовательно, элементы совместимы по уровням, подключение элемента серии SB2 к выходу элемента серии DP1 не вызовет нарушения передачи логического сигнала.

• Коэффициент разветвления в состоянии логической 1 равен:

K1 = IOH(DP1)/IIH(SB2) = 400мкА/20мкА = 20

• Коэффициент разветвления в состоянии логического 0 равен:

K0 = IOL(DP1)/IIL(SB2) = 16мА/0,4мА = 40

• Для заключительного вывода выбираем меньшее из двух полученных чисел. Коэффициент разветвления DP1?SB2 равен 20. Таким образом, к выходу элемента серии DP1 можно подключить 20 элементов серии SB2.

Пример 2. Определим, чему равен коэффициент разветвления элементов серии HC? То есть, сколько элементов серии HC можно подключить к выходу такого же элемента? Напомним входные и выходные параметры серии HC:

VIH = 3,5 В, VIL = 1,0 В, IOH = –0,8 мА, IOL = 1,6 мА

VOH = 4,2 В, VOL = 0,4 В, IIH = 10 мкА, IIL = –10 мкА

Решение. Ход рассуждений при решении этой задачи аналогичен предыдущей.

• Сравним напряжения при высоком уровне выходного сигнала. Минимальная величина выходного напряжения логической 1 серии HC составляет VOH=4,2 В. Минимальный уровень входного напряжения логической 1 этих же элементов — VIH=3,5 В. Сравнивая эти числа, можно сделать вывод, что по напряжению высокого логического уровня элементы серии HC выполнены совместимыми, в чем и требовалось убедиться. Иного результата быть не  может, иначе из элементов одной серии невозможно было бы создать схему.

• Максимальное значение выходного напряжения логического 0 для элементов серии HC составляет VOL=0,4 В. В то время как входное напряжение логического 0 сигналы для этих же элементов не должно быть ниже VOL=1,0 В. Поскольку VOL<VIL, ошибки распознавания низкого логического уровня быть не может. Следовательно, элементы серии HC совместимы сами с собой и по низкому логическому уровню также.

• Коэффициент разветвления в состоянии логической 1 равен:

K1 = IOH/IIH = 0,8 мА/10 мкА = 80

• Коэффициент разветвления в состоянии логического 0 равен:

K0 = IOL/IIL = 1,6 мА/10 мкА = 160

• Делаем вывод, что коэффициент разветвления серии элементов HC равен 80.

Итак, мы научились оценивать входные и выходные электрические характеристики логических элементов. На основе этих характеристик делать выводы о возможности подключения элементов различных серий друг к другу при составлении схемы какого-либо управляющего устройства. Далее мы рассмотрим различные интерфейсные компоненты, которые достаточно часто работают совместно с МК в микропроцессорных системах управления.

5.2. Устройства дискретного ввода: кнопки, переключатели, клавиатуры

Любая встраиваемая микропроцессорная система принимает данные из «внешнего мира», преобразует эти данные в управляющие воздействия, а затем «выдает» эти воздействия во внешний мир. Ни одна микропроцессорная система управления не обходится без механических переключателей, которые активируются пользователем, а также без различного рода устройств индикации, которые информируют пользователя о режимах работы самой системы и о состоянии объекта управления. В данном параграфе мы рассмотрим, как подключить к МК различные типы переключателей и простейшие светодиодные индикаторы. Несколько позже, в параграфе 5.6, мы подробно остановимся на вопросах сопряжения МК с жидкокристаллическим дисплеем (далее ЖК индикатор или ЖК дисплей).