Электроника для начинающих

Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый используются резистивные схемы, активированные битами выборки и фильтрами нижних частот для восстановления исходного сигнала. Самыми простыми микросхемами для начинающих являются те, которые используют параллельные входы или выходы: имеются 8 линий, соответствующих преобразованному сигналу. Если число битов возрастает (до 12, 16 или 32), необходимо обязательно использовать последовательные выводы для подачи или принятия битов по одному за раз. 8-битным АЦП – чипом с параллельным выходом является, например, ADC0804. Его соответствующим ЦАП-чипом может быть DAC0800 с 8 параллельными входами и 1 аналоговым выходом.

Работа с различными логическими уровнями

Как мы можем соединить акселерометр или устройство чтения карт памяти SD, работающий на 3,3В, с «Ардуино» или другими микросхемами на 5 В? К счастью, большинство цифровых линий работают в одном направлении: выходы всегда остаются выходами вне зависимости от входов. Инженеры придумали различные решения. Самая простая ситуация, которая работает тогда, когда мы должны перейти от 5 до 3,3 В, это использовать делитель напряжения.

Рис. 8.31. Соединение микросхемы с выводами на 5 В с устройством на 3,3 В при помощи делителя напряжения

Если выходной контакт микроконтроллера находится в высоком уровне, то делитель будет делить 5 В, таким образом снизив значение до 3,3 В. С 5 В мы можем использовать сопротивление на 3,3 кОм и на 6,5 кОм. Общее сопротивление делителя составляет около 10 кОм, а ток составляет 0,5 мА. Когда выходной контакт находится в высоком уровне, на сопротивлении 6,5 кОм мы будем иметь около 3,3 В. Когда выходной контакт находится в низком уровне, то есть при 0 В, ток не будет протекать: также на делителе будет 0 В. Другая проблема делителей – это то, что на их поведение могут повлиять подключаемые нами устройства, отчего могут возникнуть нежелательные поведения.

Очень оригинальным решением является введение в действие МОП-транзистора, такого как 2N7000. Подключив его, как показано на следующей схеме, мы будем иметь двунаправленный интерфейс, который может быть подключен между схемой на 5 В и схемой на 3,3 В. Эта схема является творением Хермана Шютта из Philips Semiconductors Systems Laboratory Eindhoven (https://www.nxp.com/docs/en/application-note/AN10441.pdf).

Рис. 8.32. Двунаправленный интерфейс на 5 В и 3,3 В с МОП-транзистором 2N7000

Если мы подадим на вход слева 3,3 В, он будет в высоком уровне (1), Uзи равно 0, МОП-транзистор выключен, его как будто не существует: на правой стороне мы видим 5 В через резистор R2. Если на стороне на 3,3 В мы имеем низкий уровень, МОП-транзистор «включен», и правая сторона видит 0 В, приложенных к левой стороне.

Когда мы подаем низкий уровень к стороне на 5 В, то МОП-транзистор «включится», и также на левой стороне мы имеем 0 В. При подаче «1» исток МОП-транзистора, то есть его левая сторона, поднимется до 3,3 В, и транзистор выключится.

Если имеется множество линий, которые требуют согласования уровней, вероятно, лучше всего использовать чип, способный обрабатывать несколько сигналов. Две широко используемые микросхемы – это 74НС245 и 74НС4050.

Микросхема 74НС4050 является переключателем уровней. Мы можем питать ее максимальным напряжением в 7 В, но ее входы могут выдержать напряжение до 15 В. Входы не являются двунаправленными! Поэтому мы можем использовать их для подключения «Ардуино», которая работает на 5 В, и SD-карты на 3,3 В, подав на микросхему напряжение 3,3 В. Если вход одного из его буферов достигает 5 В, выходной сигнал будет равен 3,3 В.

Рис. 8.33. Электрическая схема использования микросхемы 74НС4050. Микросхема питается от напряжения 3,3 В, на входе получает сигналы на 5 В, которые уменьшаются до 3,3 В

Глава 9

Микроконтроллеры

За несколько лет количество процессоров превысило население планеты: это бесшумное вторжение. Микроконтроллеры используются повсюду: небольшие компьютеры, способные запускать программы и взаимодействовать с аппаратными средствами. Когда-то было очень трудно их программировать, но сегодня достаточно USB-кабеля для запуска программного обеспечения на небольшой микросхеме размером с монету.