Как сделать логическую микросхему

Обновлено: 05.07.2024

Представим себе его в виде графика изменения звука по частоте во времени – примерно 5 секунд низкий тон около 150 Гц, потом нарастание частоты в течении 2-3 секунд до 500-550 ГЦ, выдержка этого тона в течении 5-6 секунд и снова понижение до 150 Гц… и так далее.

Итак нам понадобится собрать схему из двух генераторов – один управляющий сверхнизкочастотный с изменяемой скважностью и один звуковой частоты. Первый должен выдавать нам сигнал с частотой 0,1 Гц и скважностью около 30 %. То есть низкий уровень 3 секунды и высокий 7 секунд. Второй с частотой от 12-150 до 500-550 Гц. Сначала разберёмся с управляющим. Задумка такая: этот генератор будет включать уровень "0" на время звучания низкого тона (150 Гц) генератора, а "1" на высокий тон (550 Гц).
Но есть одна очень существенная проблема – сделать генератор, вырабатывающий сигнал с частотой 0,1 Гц такой формы, как на графике (сигнал со скважностью 70/30 % очень трудно, я не знаю, как это сделать. Поэтому попробуем изменить принцип работы этой схемы. Мысль такая – оба генератора будут работать на существенно большей частоте, т.к. их легче сделать… Управляющий будет выдавать сигнал нужной формы и согласно его выходному напряжению изменять частоту основного, а уже готовый комбинированный изменяющийся сигнал мы разделим во столько раз, чтобы в итоге он изменялся в диапазоне от 150 до 500 Гц.
Для этого рассмотрим ещё одно устройство на логических элементах, которое называется триггер, а на его основе делитель частоты на два (F/2). Сам по себе триггер – это устройство на двух инверторах, соединённых входами каждого с выходом другого

Его особенностью является два устойчивых состояния – если на выходе Q1 – " ", то на -Q -"1" и наоборот. И это состояние останется таким, пока включено питание элемента. На этой основе создаются устройства памяти. Но нужны дополнительные входы для записи состояния на выходе Q единицы и для сброса триггера в состояние Q – ноль. Для этого триггер делается из двух элементов 2И-НЕ, в которых вторые входы и используются для этой цели. Один назвали S (Set — установить), второй R (Reset — сбросить). Этот вид триггера назвали асинхронный RS-триггер.

Если на входы R и S подать единицу, то она работает точно так же, как схема на инверторах. Но, если на R " ", а на S "1", то на выход Q запишется " ", а на -Q – "1". Если на R "1", а на S " ", то наоборот (Q – "1", -Q -" "). То есть эти входы совершенно одинаковые, только имеют разное название и взаимозаменяемы.
Такой же RS (SR) можно собрать на элементах 2ИЛИ-НЕ. Только управляться он будет противоположными уровнями на входах.

На основе этих триггеров созданы синхронные триггеры. В рассмотренных ранее асинхронных триггерах есть один существенный недостаток – это неопределённое состояние , которое существует после его включения, пока мы принудительно не изменим его состояние подав нужный уровень на один из входов. В синхронном триггере для этого добавлен вход "С". Он разрешает изменение состояния триггера от первоначального или предыдущего. На него подаются тактовые импульсы высокого уровня (1) только тогда, когда когда нужно изменить состояние всего триггера. При " " он хранит записанную ранее информацию. Это его схема

Существует много различных схем триггеров для разного их использования. Описывать все я не буду, этой информации много в сети. Приведу лишь таблицу их условных обозначений

В данной статье мне понадобится другое устройство на основе триггера – делитель частоты. Для этого используется так называемый D-триггер. Это тот же синхронный RS триггер, в котором с помощью инвертора объединены входы установки S и сброса С –

Для того, чтобы получился делитель, достаточно соединить инверсный выход -Q c входом D.

После прохождения первого импульса на вход С, сигнал с инверсного выхода -Q, возвращается на вход D и, с задержкой на время первого импульса, продолжает удерживать высокий уровень сигнала. То же происходит с низким уровнем входного сигнала. С приходом следующего импульса всё повторяется… В итоге длина высокого и низкого уровней импульса увеличивается вдвое, а так же и частота импульсов делится на два. количество таких триггеров в одном корпусе микросхемы может быть любым необходимым для поставленной задачи.
Распространёнными у радиолюбителей являются микросхемы с двумя делителями в одном корпусе, каждый из которых содержит четыре двоичных делителя соединённых последовательно и имеющих по одному выходу на каждый разряд

Два таких блока входит в состав одной микросхемы К561ИЕ10. Каждый имеет два входа импульсов С – прямой и Е -инверсный, сброс R и четыре выхода Q1 -Q4 разрядов 2 -4 – 8 -16, Т.е. делит входной сигнал на 2,4,8 и 16. Если 16-й разряд первого соединить с входом второго блока, получится делитель с восемью разрядами и максимальным делителем на 256. И всё это умещается в одном корпусе с 16-ю "ножками"

Здесь нет ничего необычного. После формирования устойчивого сигнала , я обрезал его верхушку стабилитроном D2 и получилась нужная форма, что видно на осциллограмме. Но, как оказалось, понизить частоту до 400 Гц очень проблематично. Ниже 800 Гц генератор отказывается сам запускаться, его амплитуда падает вместе с частотой… Поэтому было решено действовать цифровыми методами. А использую я для этого сдвигающий регистр на 8 разрядов. Его работу представляет диаграмма в следующей галерее –

Вы видите, что для получения на выходе формирователя частоты синусоиды около 400 Гц, частота сигнала генератора должна быть 13 кГц, т.е. за один полный проход формирователя от начала подъёма уровня до вершины и спуска обратно до нижней точки проходит два по 16 тактов. Значит тактовая частота делится на 32 – 13000 Гц делённое на 32 это 406 Гц (400Гц).
Теперь для получения требующейся нам формы сигнала, придётся немного схитрить. Вместо встроенного в эмулятор генератора мы поставим свой на элементах 2И-НЕ и настроим его на частоту, при которой на выходе будут нужные нам 400 Гц, которые после деления 12-ю разрядами делителя дадут 0,1 Гц. Чтобы ограничить амплитуду нашей синусоиды, т.е. срезать у неё верхушки, я поставил перед фильтром стабилитрон, который не даёт выходному уровню подняться выше напряжения его отсечки. Нижняя часть формы синусоиды останется неизменной. Последовательно со стабилитроном поставлю резистор, что немного смягчит форму линии отсечки. Вот что получилось в итоге –

Для питания мы используем максимально допустимое напряжение питания м/с – 15 В, чтобы получить амплитуду выходного сигнала, достаточную для управления следующим генератором.
Второй генератор сделаем на логических элементах 2И-НЕ. Они входят в состав одной микросхемы К561ЛА7. Три из них вырабатывают прямоугольные импульсы, четвёртый мы используем в качестве инвертора в схеме формирователя импульсов. Здесь вся "трудность" заключается в подборе частотозадающих конденсатора и сопротивления. Для плавного изменения частоты генератора, служит поставленный параллельно сопротивлению полевой транзистор с изолированным затвором. Он изменяет общее сопротивление цепи в зависимости от поданного на него напряжения. В нашем случае это будет напряжение с выхода первого генератора. Как показало испытание, частота изменяется в нужных пределах при напряжении на затворе транзистора от 4 до 10 вольт. Поэтому выбираем напряжение питания всех частей устройства максимально возможным (до 15 вольт) или подбираем другой полевой транзистор.

Как видно из схемы, частота генератора зависит от конденсатора и сопротивления в фазосдвигающей цепи. Она изменяется сопротивлением между стоком и истоком полевого транзистора с изолированным затвором, установленного параллельно частотозадающего резистора, а конденсатор регулируется до нужного интервала частоты во время настройки. Эта схема прекрасно работает собранной в эмуляторе Multisim. Там же я подал на затвор напряжение от переменного резистора установленного в цепи питания генератора и опытным путём подобрал номиналы деталей так, чтобы при изменении напряжения на затворе транзистора от 4 до 10 вольт, частота менялась от 600 Гц до 2 Мгц. Это видно на сканах в галерее.

Третий блок нашей схемы сделаем из двух описанных ранее микросхем К561ИЕ10. На вход подадим комбинированный сигнал со второго генератора. Выход каждого счётного блока соединим с входом следующего в цепочку, а на выходе третьего, вернее на его выходе Q12 (если считать из 16-ти разрядов всего делителя Q0 – Q15) мы получим НЧ сигнал переменной частоты от 150 до 550 Гц, как и было задумано.

На скане видно, что импульсы с генератора частотой 2 Мгц на выходе второго делителя (Q8) равна примерно 7,850 кГц. После ещё четырёх разрядов деления, начальная частота уменьшится в 4096 раз и будет около 500 Гц. Точная настройка выполнится на уже работающей схеме после сборки агрегата.
Четвёртый блок – усилитель НЧ я описывать не буду. Это может быть что угодно – один усилитель для одной аккустической системы, мощный усилитель для раздачи сигнала по абонентским точкам, трансляция через систему уличных громкоговорителей или через радиостанцию на обширную территорию…
Все три описанных блока я проверил на симуляторе. Всё работает. К сожалению на нём не получается проверить всё вместе. Симулятор не поддерживает совместную работу даже двух генераторов, они выключаются оба. И в симуляторе нет возможности воспроизвести звуковой сигнал. Но схема просто обязана заработать. Возможно, придётся повозиться с согласованием сигналов первых двух блоков, добавить между ними дополнительный усилитель напряжения для стабильного изменения управляющего напряжения в нужном диапазоне. Но, в качестве примера, этого достаточно.

Наверное, Вы догадываетесь, что на написание этой статьи ушло много сил и времени. Пришлось разбираться в работе эмулятора и перепробовать несколько десятков вариантов схем, пока получилось то, что я описал. Поэтому, не сочтите за труд оставить свои оценки и комментарии. Наверняка найдутся те, кто считает это пустой тратой времени, т.к никому уже не понадобится паять такую схему, а создать нужный сигнал программно на ПК. Я это и сам прекрасно понимаю. Но поверьте, пока занимался этой разработкой, я получил огромное удовольствие, как будто вернулся в молодость. Надеюсь и кому-то ещё эта статья доставит удовольствие. А кто-то узнает, как мы "развлекались"лет 40 – 50 назад.
Спасибо, что дочитали. Не стесняйтесь указывать на ошибки.

Основы электроники для начинающих, логические схемы и алгебра логики

Самые основные сведения по электронике для начинающих свой путь в мир роботов. О том как подключить питание. Как заставить крутиться электромотор. Какие выбрать батарейки. Напряжение и последовательное соединение батарей. Единицы измерения в электронике.

Рассказ о самых основных электронных деталях: резисторе, конденсаторе, диоде, транзисторе, светодиоде, фототранзисторе. Как расшифровать цветовую маркировку на резисторе. Как работают диод и транзистор. Что такое анод и катод. Что такое эмиттер, коллектор и база. Какие бывают транзисторы. Как правильно подключить светодиод к батарейке.
Электронная микросхема. Какие бывают микросхемы (сборки, аналоговые (операционные усилители), цифровые, с логическими элементами, микроконтроллеры, микропроцессоры). Виды микросхем (ТТЛ, КМОП). Типы корпусов. Где у микросхемы находится "ключ".

Основы электроники

Основные законы электроники для начинающих. Последовательное и параллельное соединение. Соединение резисторов. Как с помощью трех резисторов (1К) получить сборки с шестью различными сопротивлениями (0.33К, 0.5К, 0.66К, 1К, 1.5К, 2К, 3К). Как с помощью резисторов трех номиналов получить необходимый ряд сопротивлений. Соединение конденсаторов. Закон Ома. Что такое мультиметр и как с ним обращаться. Как измерить основные характеристики электрического тока.

Что такое сигнал? Аналог и цифра.

Алгебра логики, разработанная Джорджем Булем (булева алгебра) - основа всех современных компьютеров и цифровых устройств. Знание базовых элементов алгебры логики необходимо для создания BEAM-роботов на логических цепях. Алгебра логики оперирует всего двумя значениями - логической истиной и логической ложью. По другому эти значения называются логической единицей и логическим нулем. Булева алгебра включает всего три базовых операции (все остальные операции могут быть выражены через три базовых логических операции) - логическое отрицание (инверсия), логическое умножение (конъюнкция) и логическое сложение (дизъюнкция). Все эти три операции работают с бинарными значениями или бинарными переменными.

Операция логического отрицания. Инверсия. Обозначение инверсии в логических формулах и выражениях. Инвертор - базовый кирпичик BEAM-робототехники. Для чего используют инверторы.

Операция логического умножения (конъюнкции) в алгебре логики. Обозначение логического умножения в формулах. Свойства логического умножения. Логическое умножение логической переменной на логическую константу.

Логическая операция сложения (дизъюнкция) в логической алгебре. Как обозначается дизъюнкция в логических выражениях. Свойства логического сложения. Логичекое сложение переменной и логической константы. Таблица истинности для операции логического сложения.

Основные законы алгебры логики. Законы де Моргана. Применение законов де Моргана. Следствия законов логической алгебры. Упрощение логических выражений. Примеры упрощения логических выражений. Способы, применяющиеся для упрощения логических выражений. Карты Карно. Удобная памятка с законами алгебры логики и основными следствиями.

Логические элементы

Логические элементы, реализующие базовые логические операции. Логический элемент НЕ (инвертор). Логический элемент И (умножение). Логический элемент ИЛИ (сложение). Обозначение логических элементов на логических и электронных схемах. Стандарты DIN и ANSI в обозначениях логических элементов. Комбинированыые логические элементы. Логический базис. Как получить с помощью комбинированных элементов одного вида все другие логические элементы.

Логические схемы

Логические схемы из логических элементов. Понятие "черного ящика". Логические схемы в BEAM-робототехнике. Логические элементы и нейроны. Искусственный нейрон (формальный нейрон) и исследования У. Мак-Каллока и У. Питса. Работы Марвина Минского.

Логические микросхемы

Логические микросхемы и их серии. Микросхемы стандартной логики 155 серии. Стандартная логика в 74 серии. ТТЛ и КМОП микросхемы. Об аналоговом характере логических элементов, реализованных в различных сериях микросхем стандартной логики. Напряжение логической единицы для различных микросхем. Почему BEAM-робототехника - это хакерство. Киберпанк и BEAM-роботы.

Элементы автоматики

Генераторы (осцилляторы)

Мультивибратор. Генератор импульсов.
Генератор одиночных импульсов.

Триггеры

RS-триггер, D-триггер, JK-триггер.

Искусственные нейроны и нейронные сети

Nv-нейрон

Nv-нейрон, придуманный Марком Тилденом, широко применяется при проектировании простых нейронных сетей у BEAM-роботов.

Nv-networks

Нейронная сеть из Nv-нейронов - самый распространенный тип нейронных цепей в BEAM-робототехнике. Bicore (мультивибратор).

Nu-нейрон

Nu-нейрон, также разработанный Мароком Тилденом, один из базовых кирпичиков нейронных цепей BEAM-роботов.

Сайт находится в разработке, поэтому, пожалуйста, проявите снисходительность к тому, что материалов, пока мало.

Для конкретной серии микросхем характерно использование типового электронного узла — базового логического элемента. Этот элемент является основой построения самых разнообразных цифровых электронных устройств.

Ниже рассмотрим особенности базовых логических элементов различных логик.

Элементы транзисторно-транзисторной логики

Характерной особенностью ТТЛ является использование многоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n-переход. В первом приближении многоэмиттерный транзисторможет моделироваться схемой на диодах (см. пунктир на рис. 3.27).

Если на оба входа подать высокий уровень напряжения, то через базу Т₂ транзистора будет протекать большой базовый ток и на коллекторе транзистора Т₂ будет низкий уровень напряжения, т. е. данный элемент реализует функцию И-НЕ:

u_вых= u₁· u₂. Базовый элемент ТТЛ содержит многоэмиттерный транзистор, выполняющий логическую операцию И, и сложный инвертор (рис. 3.28).
Если на один или оба входа одновременно подан низкий уровень напряжения, то многоэмиттерный транзистор находится в состоянии насыщения и транзистор Т₂ закрыт, а следовательно, закрыт и транзистор Т₄, т. е. на выходе будет высокий уровень напряжения.

Если на обоих входах одновременно действует высокий уровень напряжения, то транзистор Т2 открывается и входит в режим насыщения, что приводит к открытию и насыщению транзистора Т4 и запиранию транзистора Т3, т. е. реализуется функция И-НЕ.

Для увеличения быстродействия элементов ТТЛ используются транзисторы с диодами Шоттки (транзисторы Шоттки).

Логические элементы ТТЛШ (на примере серии К555)

В качестве базового элемента серии микросхем К555 использован элемент И-НЕ. На рис. 3.29, а изображена схема этого элемента, а условное графическое обозначение транзистора Шоттки приведено на рис. 3.29, б.
Такой транзистор эквивалентен рассмотренной выше паре из обычного транзистора и диода Шоттки. ТранзисторVT₄ — обычный биполярный транзистор.

Если оба входных напряжения u_вх1и u_вх2 имеют высокий уровень, то диодыVD₃ и VD₄ закрыты, транзисторы VT₁,VT₅ открыты и на выходе имеет место напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном входе имеется напряжение низкого уровня, то транзисторы VT₁ и VT₅ закрыты, а транзисторы VT₃ и VT₄ открыты, и на входе имеет место напряжение низкого уровня. Полезно отметить, что транзисторы VT₃ и VT₄ образуют так называемый составной транзистор (схему Дарлингтона).

Микросхемы ТТЛШ

Микросхемы ТТЛШ серии К555 характеризуются следующими параметрами:

напряжение питания +5 В;
выходное напряжение низкого уровня — не более 0,4 В;
выходное напряжение высокого уровня — не менее 2,5 В;
помехоустойчивость — не менее 0,3 В;
среднее время задержки распространения сигнала — 20 нс;
максимальная рабочая частота — 25 МГц.

Микросхемы ТТЛШ обычно совместимы по логическим уровням, помехоустойчивости и напряжению питания с микросхемами ТТЛ. Время задержки распространения сигнала элементов ТТЛШ в среднем в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ.

Особенности других логик

Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ. Схема токового ключа (рис. 3.30) подобна схеме дифференциального усилителя.
Необходимо обратить внимание на то, что микросхемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением (к примеру, −4,5 В для серии К1500). На базу транзистора VT₂ подано отрицательное постоянное опорное напряжение U_оп. Изменение входного напряжения u_вх1 приводит к перераспределению постоянного тока i_э0, заданного сопротивлением R_э между транзисторами, что имеет следствием изменение напряжений на их коллекторах.

Транзисторы не входят в режим насыщения, и это является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

Микросхемы серий 100, 500 имеют следующие параметры:

напряжение питания −5,2 В;
потребляемая мощность — 100 мВт;
коэффициент разветвления по выходу — 15;
задержка распространения сигнала — 2,9 нс.

В микросхемах n-МОП и p-МОП используются ключи соответственно на МОП-транзисторах с n-каналом и динамической нагрузкой (рассмотрены выше) и на МОП-транзисторах с p-каналом.

В качестве примера рассмотрим элемент логики n-МОП, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.31).

Он состоит из нагрузочного транзистора Т₃ и двух управляющих транзисторов Т₁ и Т₂. Если оба транзистора Т₁ и Т₂ закрыты, то на выходе устанавливается высокий уровень напряжения. Если одно или оба напряжения u₁и u₂ имеют высокий уровень, то открывается один или оба транзистора Т₁ и Т₂ и на выходе устанавливается низкий уровень напряжения, т. е. реализуется функция u_вых= u₁ + u_2.

Для исключения потребления мощности логическим элементом в статическом состоянии используются комплементарные МДП — логические элементы (КМДП или КМОП-логика). В микросхемах КМОП используются комплементарные ключи на МОП-транзисторах. Они отличаются высокой помехоустойчивостью. Логика КМОП является очень перспективной. Рассмотренный ранее комплементарный ключ фактически является элементом НЕ (инвертором).

КМОП — логический элемент

Рассмотрим КМОП — логический элемент, реализующий функцию ИЛИ-НЕ (рис. 3.32).

Если входные напряжения имеют низкие уровни (u1и u2меньше порогового напряжения n-МОП-транзистора Uзи.порог.n), то транзисторы Т1 и Т2 закрыты, транзисторы Т3 и Т4 открыты и выходное напряжение имеет высокий уровень.

Если одно или оба входных напряжения u₁и u₂ имеют высокий уровень, превышающий U_{зи.порог.}_n, то открывается один или оба транзистора Т₁ и Т₂, а между истоком и затвором одного или обоих транзисторов Т₃ и Т₄ устанавливается низкое напряжение, что приводит к запиранию одного или обоих транзисторов Т₃ и Т₄, а следовательно, на выходе устанавливается низкое напряжение.

Таким образом, этот элемент реализует функцию u_вых= u₁+u₂ и потребляет мощность от источника питания лишь в короткие промежутки времени, когда происходит его переключение.

Интегральная инжекционная логика (ИИЛ или И 2 Л) построена на использовании биполярных транзисторов и применении оригинальных схемотехнических и технологических решений. Для нее характерно очень экономичное использование площади кристалла полупроводника. Элементы И 2 Л могут быть реализованы только в интегральном исполнении и не имеют аналогов в дискретной схемотехнике. Структура такого элемента и его эквивалентная схема приведены на рис. 3.33, из которого видно, что транзистор T₁ (p-n-p) расположен горизонтально, а многоколлекторный транзистор Т₂ (n-p n) расположен вертикально. Транзистор T₁ выполняет роль инжектора, обеспечивающего поступление дырок из эмиттера транзистора T₁ (при подаче на него положительного напряжения через ограничивающий резистор) в базу транзистора Т₂.

В настоящий момент все больше и больше производителей микросхем осуществляют перевод их на питание от 1.8В до 3.3В. В связи с этим возникает задача согласования логических уровней устройств с различными питающими напряжениями. Наиболее часто производится подключение 3.3В устройств к 5В устройствам. Методы согласования для этого случая и рассмотрим в данной статье. Однако общие принципы приведенных методов справедливы и для согласования устройств с другими питающими напряжениями при соответствующей адаптации.

Не все методы согласования могут использоваться во всех ситуациях, поэтому необходимо разобраться в механизмах работы каждого из них. Не важно какие устройства соединяются между собой, важно направление сигнала. Направление определяет необходимость применения защиты. Например, при подключении выхода устройства с 5В питанием ко входу устройства с 3.3В питанием необходимо предусмотреть защиту по входу для второго устройства. Однако выход 3.3В устройства можно напрямую подключить ко входу 5В устройства и при этом есть вероятность, что второму устройству для нормальной работы будет достаточно уровня сигналов первого, так как они находятся в допустимых пределах. Для выхода с открытым коллектором (стоком) необходимо не забывать предусматривать подтягивающий резистор.
Существуют также устройства с питанием 3.3В, которые могут напрямую подключаться к 5В устройствам. У данных устройств в описании входных интерфейсов присутствует параметр "5V Tolerant Input", т.е. возможно прямое подключение к 5В выходу.
Если не указано иное, то при описании способов согласования уровней предполагается, что 5В и 3.3В устройства имеют общую "землю". Для упрощения при моделировании за логический "0" будем принимать нулевой уровень напряжения, за логическую "1" будем принимать +5В. Стрелочками будем указывать направление тока в цепи.

Последовательно включенный резистор

Наиболее простой схемой согласования уровней является использование последовательно включенного резистора, однако необходимо помнить, что не все устройства можно подключить с использованием данной схемы. Схема является двухсторонней.

Эта схема требует наличия встроенной защиты входных портов от перенапряжения на стороне 3.3В устройства. Защита представляет собой два диода, включенных по схеме ограничения уровня (clamping diodes). Эти диоды довольно надежны, но они не предназначены для длительного пропускания больших токов, поэтому и используется ограничительный резистор. Он ограничивает ток, протекающий через диоды тем самым предотвращая их повреждение. Желательно чтобы этот ток был как можно меньше (микроамперы). При больших токах возможно повреждение диодов и, кроме того, микросхема может "защелкнуться" — выражается в быстром, сильном разогреве корпуса последней.
Номинал резистора R1 зависит от максимально возможного тока через диод D1. 10 кОм резистор будет безопасным для большинства устройств. Необходимо помнить, что большой номинал резистора будет ограничивать максимально возможную скорость передачи сигнала. Для высокоскоростных сигналов необходимо уменьшать резистор, но для большинства устройств его значение должно быть не менее 1 кОм.
Если 3.3В устройство не содержит защитных диодов по входу, то использовать данную схему сопряжения нельзя — это может привести к выходу устройства из строя.
Если известен максимально допустимый ток защитных диодов, то можно рассчитать минимальное сопротивление резистора. Например, для микросхем Propeller максимальный ток защитных диодов составляет +-500 мкА:
R = U/I = (5 — 3.3 — 0.6)/500E-6 = 2.2 кОм
где 0.6В — падение напряжения на защитном диоде.
Для безопасности выбираем резистор с большим номиналом из стандартного ряда — 2.7 кОм.
В случае отсутствия защитных диодов можно использовать один внешний диод:

Но более разумно в этом случае подумать о возможности использования других схем сопряжения.

Достоинством схемы с последовательным резистором является ее простота. Существенным недостатком является инжекция дополнительного тока в источник питания 3.3В. При мощном 5В выходе и маломощном источнике питания 3.3В эта инжекция тока может привести к флуктуациям трехвольтового питания вокруг 3.3В.

Делитель напряжения

Данная схема используется для согласования уровней 5В выхода с 3.3В входом. Наиболее часто встречаемая у радиолюбителей схема. Схема является односторонней.

Для приведения уровня используется обычный делитель напряжения — резисторы R1 и R2. Как правило, выходное сопротивление RS очень мало (менее 10 Ом), поэтому для того, чтобы его влиянием на резистор R1 можно было пренебречь необходимо выбирать резистор R1 много больше RS. На приемной стороне значение резистора RL очень велико (более 500 кОм), поэтому для того, чтобы его влиянием на резистор R2 можно было пренебречь необходимо выбирать резистор R2 много меньше RL.
При выборе номиналов резисторов необходимо учитывать компромисс между рассеиваемой мощностью и временем нарастания/спада сигнала. Для минимального потребления суммарное сопротивление резисторов R1 и R2 должно быть как можно больше. Однако, емкость нагрузки, состоящая из паразитной емкости CS и входной емкости 3.3 В устройства CL, может сильно повлиять на время нарастания/спада входного сигнала. При слишком больших R1 и R2 время нарастания/спада может выйти за допустимые пределы.
Пренебрегая значением RS и RL получим формулы для расчета значений R1 и R2:

Vout / (R1 + R2) = Vin / R2, следовательно, R1 = (Vout — Vin) * R2 / Vin = (5 — 3.3) * R2 / 3.3 = 0.515 * R2

Формула для вычисления времени нарастания/спада сигнала имеет вид:

где
R = 0.66 * R1 — эквивалентное сопротивление,
С = СS + CL — эквивалентная емкость,
Vi = начальное напряжение на конденсаторе C,
Vf = конечное напряжение на конденсаторе С,
Va = напряжение эквивалентного источника напряжения (0.66 * Vout).
Из этой формулы получаем выражение для эквивалентного сопротивления:

Читайте также: