5.1.2. Что произойдет, если Вы должным образом не учтете электрические характеристики периферийных ис?

Давайте рассмотрим очень простой пример. Мой близкий друг, доктор Jim Rasmussen (J.R.) работал инженером-электронщиком в течение 20 лет. В свое время, возвратясь из рядов вооруженных сил, он поступил на работу по контракту в одну известную фирму. Его первым заданием было спроектировать панель аварийных состояний. Эта панель должна была иметь несколько логических выходов, состояние которых отображалось светодиодными индикаторами. Одна из возможных схем подключения светодиода к выходу логической ИС показана на рис. 5.3. Давайте предположим, что вместо этой логической схемы используется выход МК семейства 68HC12. Видите ли Вы какие-либо проблемы в этой схеме? Для ее обсуждения давайте сначала более подробно остановимся на электрических характеристиках индикаторных светодиодов.

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 V_OH 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 V_OH , и его величина может стать меньше, чем входное напряжение логической 1 V_IH . 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:

V_IH = 2,0 В, V_IL = 0,8 В, I_OH = –0,4 мА, I_OL = 16 мА

V_OH = 3,4 В, V_OL = 0,2 В, I_IH = 40 мкА, I_IL = –1,6 мА

SB2:

V_IH = 2,0 В, V_IL = 0,8 В, I_OH = –0,4 мА, I_OL = 8 мА

V_OH = 2,7 В, V_OL = 0,4 В, I_IH = 20 мкА, I_IL = –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 V_OH =3,4 В. Минимальный уровень входного напряжения логической 1 для серии SB2 — V_IH =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 V_OH , 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 V_OL =0,2 В. Элементы серии SB2 распознают как уровень логического 0 сигналы с напряжением ниже V_OL =0,8 В. Поскольку V_OL (DP1)<V_IL (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 = I_OH (DP1)/I_IH (SB2) = 400мкА/20мкА = 20

• Коэффициент разветвления в состоянии логического 0 равен:

K0 = I_OL (DP1)/I_IL (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:

V_IH = 3,5 В, V_IL = 1,0 В, I_OH = –0,8 мА, I_OL = 1,6 мА

V_OH = 4,2 В, V_OL = 0,4 В, I_IH = 10 мкА, I_IL = –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 V_OH =4,2 В. Минимальный уровень входного напряжения логической 1 этих же элементов — V_IH =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 V_OL =0,4 В. В то время как входное напряжение логического 0 сигналы для этих же элементов не должно быть ниже V_OL =1,0 В. Поскольку V_OL <V_IL , 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 = I_OH /I_IH = 0,8 мА/10 мкА = 80

• Коэффициент разветвления в состоянии логического 0 равен:

K0 = I_OL /I_IL = 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.