Электромагнитные помехи возникающие при работе электрооборудования бывают двух видов: дифференциальные – когда ток помехи протекает в питающих проводах в разных направлениях и синфазные, когда ток помехи протекает в одну сторону. Можно сказать, что дифференциальная помеха – это помеха между двумя проводами питания, а синфазная – между проводами питания и землей. Чтобы снизить влияние на электрическую сеть, между источником и потребителем устанавливается фильтр, типовая схема которого показана на рисунке:
Дифференциальные помехи в этой схеме подавляются дросселями Ld и конденсатором Сх, а синфазные помехи – дросселем Lc и конденсаторами Cy.
Чем отличаются эти конденсаторы друг от друга и от обычных?
Для подавления дифференциальной помехи используются конденсаторы класса X. Само название X происходит от английского “across-the-line”, буква X похожа на крест (“cross”). На рисунке это конденсатор – Cх.
К конденсаторам данного класса предъявляются повышенные требования – они должны выдерживать максимально допустимые в сети электропитания всплески, не воспламеняться при выходе из строя, не поддерживать горение. Используются два основных подкласса X-конденсаторов – X1 и X2:
Подкласс
Пиковое тестовое напряжение (Uп), кВ
Область применения
Х1
2.5 < Uп ≤ 4.0
Трехфазные сети
Х2
Uп ≤ 2.5
Общее применение
X1 – используются в промышленных устройствах, подключаемых к трехфазной сети. Эти конденсаторы гарантированно выдерживают всплеск напряжения не менее 4 кВ.
X2 – самый распространенный подкласс конденсаторов. Используется в бытовых приборах с номинальным напряжением сети до 250 В, выдерживают всплеск до 2,5 кВ
Величина ёмкости X-конденсаторов как правило лежит в пределах от 0,1 мкФ до 1 мкФ. Для каждого конкретного случая она рассчитывается в зависимости от потребляемой мощности нагрузки и уровня помех в линии. Как правило, противофазная составляющая комплексной помехи — это напряжение помехи между фазой и нейтралью.
Для подавления синфазной помехи применяются конденсаторы – Сy — конденсаторы класса Y. Ток синфазной помехи проходит по более короткому пути в нейтраль через помехоподавляющие конденсаторы и исключает воздействие на выходные цепи.
В данном случае конденсаторы CY связывают один из проводов питающей сети с выходом преобразователя. Это накладывает дополнительные требования к конденсаторам по его надёжности. Конденсаторы класса Y предназначены для работы в тех местах, где выход их из строя угрожает безопасности людей.
Величина ёмкости Y-конденсаторов как правило значительно меньше чем у X-конденсаторов, типовое значение обычно не превышает 2,2 нФ.
Конденсаторы класса Y – типа делятся на 2 основных подкласса:
Подкласс
Пиковое тестовое напряжение (Uп), кВ
Номинальное переменное напряжение (Uн), В
Y1
Uп ≤ 8.0
Uн ≥ 250
Y2
Uп ≤ 5.0
150 ≤ Uн ≤ 250
Y1 – Работают при номинальном сетевом напряжении более 250 В и выдерживают импульсное напряжение до 8 кВ
Y2 – Используются при сетевом напряжении до 250 В и выдерживает импульсы до 5 кВ.
Также выпускаются комбинированные Y-конденсаторы, которые могут использоваться как X-конденсаторы, но не наоборот.
Таким образом:
— Название X и Y обусловлено сходством символов со схемным способом включения в цепь и не более этого.
— От обычных конденсаторов на тот же номинал и рабочее напряжение их отличает повышенная стойкость изоляции к импульсным помехам, а также большая пожаробезопасность.
— Если для конденсаторов класса X типа чем больше ёмкость, тем лучше, то ёмкость конденсаторов класса Y нужно выбирать как можно меньшей.
— Если на конденсаторе присутствует обозначение X и Y, то возможно его применение для подавления противофазных и синфазных помех с соответствующими схемами включения.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) зависимости напряжения на p-n переходе от протекающего через него тока представляет логарифмическую функцию в широком диапазоне токов. Где это свойство можно использовать? Прежде всего, в устройствах, работающих в условиях большого (5—8 порядков) диапазона амплитуд сигнала, например, в измерителях яркости или освещенности.
Полезно и его применение в радиоприемной технике, когда минимальный сигнал составляет доли микровольт, а максимальный — превышает его в тысячи раз. Чтобы избежать искажений сигнала, можно применить устройство сжатия динамического диапазона (УСДЦ) радиосигналов и их детектирования.
Как правило, радиосигнал амплитудой менее 20 мВ диодным детектором практически не детектируется, а свыше 200 мВ усилитель ЗЧ (да и РЧ) выходит за рамки линейного усиления. Появляются искажения, которых, правда, можно избежать использованием системы автоматической регулировки усиления (АРУ). Иногда данную проблему можно решить применив всего один дополнительный диод.
Принцип работы устройства сжатия можно проиллюстрировать с помощью упрощенной схемы узла детектирования (рис. 1).
Рис.1
Радиосигнал, выделенный колебательным контуром L1C1, поступает через катушку связи L2 на усилитель РЧ, усиливается примерно в 1000 раз (при малых сигналах), преобразуется в выходной ток, который поступает на амплитудный детектор. Подобное преобразование легко получить, если построить УРЧ с большим выходным сопротивлением. При малой амплитуде тока входное сопротивление детектора максимально, и наоборот, когда ток большой, сопротивление детектора минимально — оно определяется нелинейными свойствами диодов VD2, VD3.
При малом токе детектор работает по схеме удвоения напряжения, выполненной на диодах VD1, VD2 и конденсаторах С2, С3. Когда амплитуда напряжения на диоде VD2 станет равной напряжению открывания диода VD3, вступит в действие УСДЦ. С дальнейшим ростом сигнала происходит его логарифмическое преобразование в напряжение на встречно-параллельно включенных диодах, которое в дальнейшем детектируется с помощью диода VD1 и конденсатора С3. Подбором тока смещения выводят рабочую точку диодов VD1,VD2 на начальный участок характеристики, что повышает чувствительность детектора.
Рис.2
На рис. 2 приведен график зависимости постоянной составляющей выходного сигнала детектора (Uвых) и продетектированного сигнала ЗЧ от амплитуды входного сигнала УРЧ. Показаны лишь два основных момента: для малой амплитуды входного сигнала (около 0,1 мВ) и большой (10 мВ). Благодаря наличию УСДД изменение несущей примерно в 100 раз приводит к изменению амплитуды продетектированного сигнала менее чем вдвое, что аналогично проявлению действия эффективной АРУ. Правда, при глубине модуляции входного радиосигнала до 50 % искажения звука практически не ощущаются, а при модуляции 80…90 % они становятся заметными.
Как быть? Можно рекомендовать антилогарифмическое преобразование, собрав каскад на одном транзисторе (рис. 3). Диоды VD1—VD3 и конденсаторы С1, С2 принадлежат уже известному УСДД. Резистор R2 совместно с конденсатором С4 дополнительно фильтруют радиочастотную составляющую сигнала, а цепочка R1C3 устраняет влияние выходного напряжения ЗЧ на работу УСДД.
Рис.3
График зависимости напряжения между базой и эмиттером транзистора от тока базы (рис. 4) демонстрирует процесс преобразования искаженного сигнала, поступающего с УСДД, в синусоидальный за счет нелинейных свойств р-n перехода транзистора.
Рис.4
Диоды VD2, VD3 лучше использовать германиевые, например, ГД507А, Д18, a VD1 — германиевый или кремниевый, в зависимости от напряжения питания приемника. Если оно равно 1.5 В, диод должен быть только германиевый, а если превышает 2,5 В — кремниевый, серий КД503, КД522.
Диод — простейший полупроводниковый прибор, основой которого является так называемый электронно-дырочный переход (p-n переход). Основное свойство р-n — перехода — односторонняя проводимость: от области р (анод) к области n (катод). Эту идею наглядно передает и условное графическое обозначение (УГО) полупроводникового диода (рис. 1): треугольник (символ анода) вместе с пересекающей его линией электрической связи образуют подобие стрелки, указывающей направление проводимости. Короткая черточка, символизирует катод.
Буквенное обозначение диода — VD. Его используют для обозначения не только отдельных диодов, но и целых групп, например, выпрямительных столбов (высоковольтных диодов) (рис. 1 — VD4). Исключение составляет однофазный выпрямительный мост, изображаемый в виде квадрата с соответствующим числом выводов и символом диода внутри (рис. 2). Полярность выпрямленного мостом напряжения на схемах не указывают, так как её однозначно определяет символ диода. Однофазные мосты, конструктивно объединенные водном корпусе, изображают отдельно, показывая принадлежность к одному изделию в позиционном обозначении (рис. 2. VD2.1, VD2.2). Рядом с позиционным обозначением диода, как правило, указывают и его тип.
На основе базового символа (рис. 1) построены и УГО полупроводниковых диодов с особыми свойствами. Так, чтобы показать на схеме стабилитрон, черточку-катод дополняют коротким штрихом, направленным в сторону символа анода (рис. 3. VD1). Следует отмстить, что расположение штриха относительно символа анода должно быть неизменным независимо от положение УГО стабилитрона на схеме (VD2—VD4). Это в полной мере относится и к символу двуханодного (двустороннего) стабилитрона (VD5)
Аналогично построены УГО туннельных диодов, обращенных (разновидность последних) и диодов Шотки — полупроводниковых приборов, используемых для обработки сигналов в области очень высоких частот (до 10Е11 Гц). В символе первых из них (рис. 3. VD8) черточка-катод снабжена Двумя штрихами, направленными в одну сторону (к треугольнику-аноду), третьих (VD10) — в разные стороны; а УГО обращенного диода (VD9) оба штриха касаются черточки-катода своей серединой.
Свойство обратносмещенно го р-n-перехода вести себя как электрическая ёмкость использовано в специальных диодах — варикапах (от английских слов variable — переменный и capacitor — конденсатор). УГО этих приборов наглядно отражает их назначение (рис. 3. VD6): две параллельные черточки воспринимаются как символ конденсатора. Как и конденсаторы переменной ёмкости, варикапы часто изготовляют в виде блоков (их называют матрицами) с общим катодом и раздельными анодами. Для примера на рис. 3 показано УГО матрицы из двух варикапов (VD7).
Базовый символ диода использован и в УГО тиристоров (от греческого thyra — дверь и английского resistor — резистор) — полупроводниковых приборов с тремя р-n-переходами (структура р-n-р-n), используемых в качестве переключающих диодов. Буквенный код — VS.
Тиристоры с выводами только от крайних слоев структуры называют динисторами и обозначают символом диода, перечеркнутым отрезком линии, параллельным черточке-катоду (рис. 4. VS1). Такой же прием использован и при построении УГО симметричного динистора (VS2). проводящего ток (после включения) в обоих направлениях. Тиристоры с дополнительным, третьим выводом (от одного из внутренних слоев структуры) называют трннисторами. Управление по катоду в УГО этих приборов показывают ломаной линией, присоединенной в символу катода (VS3), по аноду — линией, продолжающей одну из сторон треугольника, символизирующего анод (VS4). УГО симметричного (двунаправленного) тринистора получают из символа симметричного динистора добавлением третьего вывода (VS5).
Из диодов, изменяющих свои параметры под действием внешних факторов, наиболее широко применяют фотодиоды. Чтобы показать такой полупроводниковый прибор ив схеме, базовый символ диода помешают в кружок, а рядом с ним (слева вверху, независимо от положения УГО) помешают знак фотоэлектрического эффекта — две наклонные параллельные стрелки, направленные в сторону символа (рис. 5. VD1 -VD4). Подобным образом нетрудно построить и УГО любого другого полупроводникового диода, управляемого оптическим излучением. В качестве примера на рис. 6 показано УГО фотодинистора (VD5).
Аналогично строят УГО светоизлучающих диодов (они светятся при прохождении через р-n-переход тока в прямом направлении), но стрелки, обозначающие оптическое излучение, помещают справа от кружка и направляют в противоположную сторону (рис. 6). Поскольку светодиоды, излучающие видимый свет, применяют обычно в качестве индикаторов, на схемах их обозначают латинскими буквами HL. Буквенный код D используют только для светодиодов, излучающих ИК и УФ свет.
Для отображения цифр, бука и других знаков часто применяют светодиодные знаковые индикаторы, представляющие собой наборы светоизлучающих кристаллов, расположенных определенным образом и залитых прозрачной пластмассой. УГО широко используются символы, подобные показанному на рис. 6 (изображено УГО семисегментного индикатора для отображения цифр и запятой). Как видно, такой символ наглядно отражает реальное расположение светоизлучающих элементов (сегментов) в индикаторе, хотя и не лишен недостатка: он не несет информации о полярности включения, а электрическую цепь (индикаторы выпускают как с общим для всех сегментов выводом анода, так и с общим выводом катода). Однако особых затруднений это не вызывает, поскольку подключение общего вывода индикаторов (как, впрочем, и цифровых микросхем) обычно оговаривают на схеме. Буквенный код знаковых индикаторов — HG.
Светоизлучающие кристаллы широко используют в оптронах — специальных приборах, применяемых для связи отдельных частей электронных устройств в тех случаях, если необходима их гальваническая развязка. На схемах оптроны обозначают латинской буквой U и изображают, как показано на рис. 7. Оптическую связь излучателя света (светодиода) и фото приемника показывают в этом случае двумя стрелками, перпендикулярными к линиям электрической связи — выводам оптрона. Фотоприёмником в оптроне могут быть фотодиод (рис. 7. U1), фототиристор (U2), фоторезистор (UЗ) и т. д. Взаимная ориентация символов излучателя и фото-приемника не регламентируется. При необходимости составные части оптрона можно изображать раздельно, но в этом случае знак оптической связи следует заменять знаками оптического излучения (рис. 6) и фотоэффекта (рис. 5), а принадлежность частей к одному изделию показывать в позиционном обозначении (рис. 7, U4.1, U4.2).
Диод Шотки — это полупроводниковый прибор, в котором выпрямительный переход образован полупроводником и металлом. Эти приборы названы по имени немецкого ученого — физика В. Шотки (W. Shottky), который в конце тридцатых годов прошлого столетия исследовал такие структуры. Полупроводником в переходе Шотки может служить кремний или арсенид галлия, однако арсенид-галлиевые диоды с большим обратным напряжением из-за технологических трудностей. Металлический электрод на эпитаксиальный слой полупроводника наносят методом испарения в вакууме. Преимущества перед диодами с р-п переходом диоды Шотки проявляют наиболее ярко при выпрямлении большого тока высокой частоты. Они, во-первых, имеют меньшее прямое падение напряжения, а во-вторых, их конструкция обеспечивает принципиально лучшее отведение тепла от кристалла. Вследствие этих факторов диоды Шотки допускают существенно большую плотность прямого тока и выдерживают большие токовые перегрузки.
Рис.1
Одна из особенностей диода Шотки — идеальность прямой ветви ВАХ, что позволяет использовать диоды в качестве быстродействующих логарифмирующих элементов.
Снижение прямого падения напряжения Unp особенно заметно у низковольтных (Uобр<40 В) диодов Шотки при работе на частоте до 500 кГц. Это хорошо иллюстрируют типовые ВАХ на рисунке, характерно уменьшение прямого напряжения с увеличением температуры перехода. К сожалению, у более высоковольтных диодов это преимущество становится менее очевидным, а при Uoбp>90…100 В вообще исчезает.
Еще одно важное качество диодов Шотки — отсутствие эффекта накопления избыточного заряда в области полупроводника. Поэтому времени на рассасывание этого заряда диоду Шотки не требуется. В результате и быстродействие диода при переключении оказывается более высоким, и отсутствует инверсный ток рассасывания. Все это повышает КПД выпрямителя и снижает его уровень помех.
Максимальное значение среднего прямого тока диоды Шотки сохраняют до температуры корпуса 100°С, а затем его необходимо линейно уменьшать до нуля при Ткорп=150 °С.
К недостаткам этих диодов следует отнести наличие значительного обратного тока. На рис. 2,а и б показаны типовые зависимости обратного тока Iобр от обратного напряжения при двух значениях температуры корпуса Ткорп.
Необходимо отметить также низкую перегрузочную способность диодов Шотки по обратному напряжению. Незначительное превышение предельно допустимого значения, даже весьма кратковременное (несколько наносекунд), часто приводит к пробою прибора.
Принцип работы пеленгатора основан на том, что в свободном однородном пространстве радиоволны распространяются прямолинейно. Определив точку, из которой приходит радиосигнал, можно установить и направление на него. Необходимо учитывать, что на точность пеленгования сильное влияние оказывает, в частности, отражение радиоволн от зданий, линий электропередач, металлических опор и т. д.
Предлагаемый вариант антенны предназначен для использования совместно с обычной переносной Си-Би радиостанцией.
Если принимать вертикально поляризованную волну на антенну вертикальной поляризации, реагирующую на электрическую составляющую поля (например, штырь), уровень сигнала будет одинаковым при приеме со всех сторон (рис. 1), т. е. диаграмма направленности такой антенны окажется круговой. Понятно, что определить направление на источник сигнала в этом случае не удастся.
Если для приема этой волны используется антенна, реагирующая на магнитную составляющую поля, например виток провода (рамка), уровень принимаемого сигнала будет зависеть от ее ориентации. Если плоскость рамки перпендикулярна направлению распространения волны, ЭДС минимальна, а в идеале — равна нулю. При повороте рамки вокруг вертикальной оси ЭДС достигнет максимального значения, когда плоскость рамки будет параллельна направлению на передатчик. Диаграмма направленности рамки имеет вид “восьмерки» (рис. 1).
Такой антенной уже можно определять направление, причем пеленгование производят не по максимуму сигнала, так как определить его очень сложно ввиду плавности диаграммы, а по минимуму. Именно рамочная антенна позволяет обеспечить наибольшую точность пеленгования по азимуту. Однако из-за того, что она имеет два минимума в диаграмме направленности. однозначно определить направление на радиостанцию нельзя.
Чтобы исключить неоднозначность пеленга, используют антенну, представляющую собой комбинацию из двух антенн — рамки и штыря. Если сигналы этих антенн правильно сфазированы и выровнены по амплитуде, то после их суммирования результирующая диаграмма направленности будет с одним максимумов и одним минимумом — кардиоида (рис. 1). Пеленгацию с ее помощью проводят в следующем порядке. Сначала используют совместное включение рамки и штыря, т. е. кардиоидную диаграмму, и по минимуму определяют приблизительно направление на источник сигнала. Затем с помощью одной рамки это направление уточняют.
Такое сочетание используется в описываемой направленной антенне. Она состоит из рамки, штыря и элементов их согласования. Её электрическая схема показана на рис. 2. Для переключения диаграмм служит тумблер SA1.
Рамка представляет собой катушку индуктивности в виде одного витка провода. Для того, чтобы сделать рамочную антенну малочувствительной к электрической составляющей поля, провод рамки экранирован, при этом в центральной части экрана сделан разрез. С помощью конденсаторов С1 и С2 рамку настраивают на среднюю частоту рабочего диапазона и согласовывают со входом радиостанции (50 Ом). Удлиняющая катушка L1 служит для компенсации ёмкостной составляющей входного сопротивления штыря, а резистор R1 — для фазировки сигналов и выравнивания амплитуды.
Антенна (рис. 3) выполнена на базе штатной от радиостанции “Урал-Р»: от нее использованы высокочастотный разъем 1 (байонет), пластмассовый держатель штыря 2, кожух и катушка индуктивности L1 (15…20 витков провода ПЭВ-2 0,1 на каркасе с подстроечником из карбонильного железа диаметром 3 мм). Пластмассовый держатель 2 имеет полость, в которой размещены конденсаторы, катушка индуктивности, тумблер и подстроечный резистор.
Рамка 3 изготовлена из отрезка полужесткого (в качестве внешней оболочки медная трубка) кабеля сопротивлением 50 Ом, диаметром 3 мм и длиной 65…70 см. Кабель разрезают строго пополам, центральный проводник с одной стороны каждого куска освобождают от экрана примерно на 10 мм, а с другой — на 5 мм. Затем спаивают центральные проводники длиной 10 мм друг с другом внахлест на всю длину. Место пайки обволакивают эпоксидным клеем и надевают на него пластмассовую трубку 4 подходящего диаметра и длиной около 20 мм и также заливают ее клеем. После полимеризации клея, но не ранее чем через сутки, кабель сгибают на круглом предмете подходящего диаметра и спаивают экраны 5 на длине 3…5 мм.
В пластмассовом держателе штыря пропиливают пазы 6 для установки рамки и сверлят отверстия для размещения катушки и резистора. Штырь делают разборный, из двух частей, первая (7) — из трубки или прутка длиной 19…20 см, а вторая (8) — из стальной или другой упругой проволоки длиной около 30 см. Соединение штыря с держателем и между его частями резьбовое. Первую часть штыря и рамку устанавливают на держатель, нитками скрепляют их друг с другом на пластмассовой трубке с помощью ниток и заливают это место эпоксидным клеем. Им же заливают место установки рамки в держателе. После полимеризации клея в полости держателя временно размещают остальные детали. Соединения должны быть минимальной длины.
Затем проводят предварительную настройку штыря и рамки. Штырь через катушку подключают ко входу радиостанции и подстроечником катушки L1 настраивают по максимуму принимаемого сигнала. Потом подключают рамку и проводят аналогичную настройку конденсатором С1. Если конденсатор и подстроечник находятся примерно в среднем положении, то все детали можно установить постоянно, закрепив их клеем.
В заключение проводят общую настройку и проверку диаграммы направленности антенны. Для этого понадобится передатчик небольшой мощности (чтобы легче определять минимумы на слух), работающий на вертикальную длинную антенну. Настройку надо проводить на открытой местности, вдали от разного рода строений и предметов, которые могут переизлучать радиоволны.
Сначала настраивают рамку (SA1 — в положении “восьмерка») по максимуму сигнала и проверяют ее диаграмму, она должна быть симметричной и иметь четкие минимумы. Затем согласуют штырь: движок резистора R1 устанавливают в среднее положение, тумблер SA1 — в положение “кардиоида”. Антенну направляют предполагаемым минимумом (плоскость рамки) на передатчик и, вращая подстроечник катушки L1, добиваются минимального уровня сигнала. Если уровень возрастает или не изменяется, надо повернуть рамку на 180’. Катушка обеспечивает фазировку, а резистор — регулировку амплитуды. Резистором R1 устанавливают амплитуду для получения кардиоиды.
Помощь при настройке может оказать рис. 4, на котором показаны диаграммы направленности при различных соотношениях сигналов штыря и рамки. На рис. 4,а приведена диаграмма для случая, если сигнал рамки превышает сигнал штыря; на рис. 4,б — если сигнал штыря превышает сигнал рамки; на рис. 4,в — при плохой фазировке, на рис. 4, г — при оптимальном согласовании. После регулировки детали закрывают кожухом.
Источник: А.Долгий. Микросхемы памяти с интерфейсом I2C. — Радио, 2001, №2, с.24-26, — Радио, 2001, №3, с.
Шина I2С широко используется, став стандартом для многих бытовых и промышленных устройств.
Версия 1.0 стандарта (спецификации) на шину I2С появилась лишь в 1992 г. Применявшийся ранее “стандартный» режим с ограничением скорости передачи значением 100 Кбит/с был дополнен «быстрым» (Fast-mode) с допустимой скоростью до 400 Кбит/с, а кроме семиразрядных адресов подключаемых к шине устройств, были разрешены и десятиразрядные. Версия 2.0, вышедшая в 1998 г., добавила «высокоскоростной» (High Speed, Hs-mode) режим со скоростью до 3.4 Мбит/с. С января 2000 г. действует спецификация версии 2.1. в которой уточнены некоторые положения предыдущей.
К шине I2С можно подключать до 128 (в варианте с десятиразрядным адресом — до 1024) устройств. Их двунаправленные входы/выходы SCL (Serial Clock) и SDA (Serial Data) с открытыми коллекторами подключают к одноименным линиям параллельно. Линии нагружены резисторами, соединенными с источником питания. Номиналы резисторов и напряжение питания спецификация не устанавливает. Необходимо лишь, чтобы ток короткого замыкания любой из линий на общий провод не превышал 3 мА, а ёмкость с учетом подключенных абонентов — 400 пф.
Одно из устройств служит ведущим (master), остальные — ведомыми (slave). Первое генерирует синхроимпульсы SCL и управляет всем обменом по шине. Ведомые только в ответ на запросы ведущего принимают от него или передают ему данные.
Общее представление о порядке передачи информации дают временные диаграммы, показанные на рис. 1. Исходное состояние шины — высокие логические уровни на линиях SDA и SCL. Чтобы начать сеанс обмена данными, ведущий, не меняя состояния линии SCL, устанавливает низкий уровень на линии SDA, а затем — такой же уровень на линии SCL. Это команда СТАРТ. Получив ее, все ведомые должны приготовиться к приему.
Передача информации — побитная. При низком уровне SCL, поддерживаемом ведущим, передатчик (во время передачи первого байта это тоже ведущий. но в дальнейшем им может стать и любой из ведомых) устанавливает на линии SDA уровень, соответствующий значению передаваемого бита (лог. 1 — высокий, 0 — низкий). Затем ведущий устанавливает на линии SCL высокий уровень, а по истечении времени, отведенного приемнику для принятия информации, вновь сменяет его низким. Данная процедура повторяется для каждого передаваемого бита. Ведущий завершает сеанс командой СТОП — сменой низкого уровня на линии SDA высоким при таком же уровне на линии SCL.
Во всех ситуациях, кроме подачи команд СТАРТ и СТОП, не допускается смена уровня на линии SDA при высоком уровне SCL. Не рекомендуется и одновременное изменение состояния этих линий — временной «зазор” должен составлять не менее 0,3 (0,1) мкс.
Частота повторения импульсов SCL — не более 100 (400) кГц при длительности импульса или паузы не менее 4,7 (1.2) мкс. В скобках указаны нормативы “быстрого» режима.
Временные диаграммы, изображенные на рис. 2. показывают, каким образом происходит передача байта. Ей предшествует команда СТАРТ или рассмотренный далее бит подтверждения приема предыдущего байта. Первым передают старший разряд байта, последним — младший, после чего принявшее байт устройство подтверждает этот факт, установив на линии SDA низкий байта начинается передача следующего или подается команда СТОП.
Семь старших битов байта, обязательно передаваемого ведущим вслед за командой СТАРТ, представляют собой адрес ведомого, с которым он намерен установить связь. Если среди подключенных к шине есть исправное устройство с таким адресом, оно должно подтвердить прием и подготовиться к дальнейшим действиям. Все остальные ведомые, не опознав своего адреса, отключаются до следующей команды СТАРТ. Полный список зарезервированных за различными устройствами адресов ведомых шины ГС фирма Philips держит в секрете, мотивируя это тем, что в противном случае неизбежен «самозахват» свободных адресов. Известно, что микросхемам памяти выделены восемь адресов с 1010000 по 1010111, хотя некоторые из них могут быть настроены на коды и вне этого диапазона.
Младший восьмой бит первого байта — признак направления передачи. Если его значение — лог. 0 (низкий уровень), информация в данном сеансе будет записываться/передаваться от ведущего к ведомому, в противном случае первый намерен читать данные, передаваемые ведомым. Процесс передачи всех последующих байтов аналогичен описанному выше, их число за сеанс не ограничено, однако смена направления передачи до завершения сеанса не предусмотрена.
Таблица 1
Параметры микросхем памяти с интерфейсом I2С приведены в табл. 1. Все они — многократно репрограммируемые ПЗУ с электрическим стиранием и записью данных. Список далеко не исчерпывающий.
Микросхемы одного и того же типа выпускают в корпусах различных размеров и конструкций. В большинстве случаев — с восемью штыревыми или планарными выводами, назначение которых независимо от типоразмера корпуса и размещенного в нем кристалла почти всегда одинаково и соответствует показанному на рис. З.а. Если число выводов более восьми, «лишние” оставляют свободными. Возможные варианты корпусов показаны на рис. 3, б и в. Микросхемы, предназначенные для пластиковых карт (например, телефонных), изготовляют в виде плоских модулей. Их выводы — довольно сложной формы (рис. 4). Для соединения с внешними цепями необходимо специальное контактное устройство.
Напряжение питания микросхем — от 1,8…4,5 (в зависимости от типа и буквенного индекса в обозначении) до 5,5 В. Как правило, с уменьшением напряжения питания снижаются потребляемый ток и быстродействие. Нагрузочная способность выхода SDA — 3…5 мА, входной ток и ёмкость любого входа не превышают соответственно 1 мкА и 4…8 пФ.
Входы, к которым не подключены внешние цепи, приобретают нулевой потенциал за счет специально предусмотренных в микросхемах внутренних утечек. Нулевыми следует считать и логические значения задаваемых этими входами управляющих сигналов. Приемники сигналов SDA и SCL представляют собой триггеры Шмитта и снабжены фильтрами, подавляющими импульсы короче 0,1 мкс (это повышает помехоустойчивость).
Хотя спецификацией шины I2С ведомому предоставлено право «тормозить» обмен данными, принудительно удерживая на линии SCL низкий уровень на время. необходимое для выполнения каких-либо внутренних операций, микросхемы памяти этой возможностью не пользуются, их вывод SCL — только вход в отличие от двунаправленного SDA.
Логическими уровнями, поданными на входы АО—А2, обычно задают три младших разряда адреса микросхемы как ведомого шины I2С . В справочных данных некоторых микросхем их называют «входами выбора кристалла», хотя это и не совсем соответствует выполняемой функции. Старшие четыре разряда адреса микросхемы памяти всегда содержат двоичную комбинацию 1010. Исключение — микросхема АТ24С164. У нее старший разряд — всегда лог. 1, далее следуют три, значения которых задают логическими уровнями на входах А0—А2, и три старших разряда адреса ячейки памяти.
Адресные входы задействованы далеко не во всех микросхемах, иногда они вовсе не предусмотрены. Такая микросхема откликается на адрес с любыми значениями младших разрядов. В других случаях в них подразумеваются лог. 0. Если объем памяти превышает 256 байт, отказываются от одного или нескольких входов А0—А2 и отдают соответствующие им разряды адреса ведомого старшим битам адреса ячейки памяти. В табл. 1 такие биты обозначены буквами В с цифровыми индексами. Если и этих разрядов не хватает, им возвращают прежнее назначение, но увеличивают число байтов, отведенных на передачу адресов ячеек памяти. Иногда неиспользованные в качестве адресных входы служат для управления положением в массиве памяти и размером зоны, защищенной от случайного или преднамеренного изменения хранящихся там данных.
Вход WP (Write Protect) предназначен для управления защитой записанных в микросхему данных. Иногда его обозначают как WC (Write Control) или , что совершенно не влияет на его функцию. Если этот вывод оставлен свободным или соединен с общим проводом, можно изменять содержимое любых ячеек. При высоком логическом уровне весь массив или его часть защищены от стирания и записи. В последнее время выпускают микросхемы, в которых предусмотрены участки памяти, запись в которые можно заблокировать и другими способами, например, командами ведущего.
Логическим уровнем на входе MODE (при его наличии) переключают режимы записи данных. Если он оставлен свободным или соединен с общим проводом, действует мультибайтный режим, в противном случае—страничный. Особенности этих режимов будут рассмотрены далее. Микросхемы, не имеющие названного входа, работают только в страничном режиме записи. Один из вариантов микросхемы ST14C02C (рис. 4) выпускают без внешнего вывода MODE, который на ее кристалле предусмотрен, но оставлен не подключенным. В результате всегда включен мультибайтный режим.
Схема соединений микросхем памяти с линиями шины показана на рис. 5.
В зависимости от числа действующих входов А0—А2 их может быть от одной до восьми, причем комбинации логических уровней на этих входах у каждой из них должны быть различными. Так как максимальная длительность импульсов на шине не ограничена, ключами К1 и К2 могут служить даже обычные выключатели, коммутируемые вручную. Подобный вариант пригодится, если, например, необходимо «подручными средствами» прочитать или записать несколько байтов данных. Визуально определить состояние линий позволят светодиоды, включенные последовательно с резисторами R1 и R2.
Но обычно в роли ведущего все-таки выступает микроконтроллер или специализированное устройство. Ключами К1 и К2 служат транзисторы выходных каскадов двунаправленного порта. Каждая из линий шины занимает всего один разряд подобного порта. В противном случае на нее приходится расходовать по одному разряду обычных однонаправленных портов ввода и вывода, дополняя их ключами на биполярных или полевых транзисторах или логическими элементами с открытым коллектором (стоком).
Примером может служить адаптер для подключения устройств с интерфейсом I2С к параллельному порту персонального компьютера. Реализованное в нем распределение сигналов по битам регистров порта LPT1 приведено в табл. 2, а принципиальная схема показана на рис. 6.
Разъем Х1 — розетка CEN-36E обычно устанавливаемая на принтерах, или вилка DB-25M (с общим проводом соединяют ее контакты 18—25). В зависимости от типа разъема адаптер либо связывают с компьютером стандартным «принтерным» кабелем CENTRONICS, либо стыкуют непосредственно с розеткой LPT на системном блоке (в этом случае не обязательны элементы DD1.3, DD1,4 и резисторы R1, R2: первые —заменяют перемычками, вторые — исключают). В обслуживающей программе наличие или отсутствие инверторов в цепях SDA и SCL должно быть обязательно учтено.
Рассмотрим процедуры «общения» ведущего с микросхемами памяти. Прежде всего, он обязан сформировать на шине команду СТАРТ, вслед за которой послать байт с адресом ведомого и установленным признаком записи (лог. 1 в младшем разряде). Получив подтверждение приема, ведущий продолжает передачу, посылая один или два байта адреса ячейки памяти. Прием каждого из них должен быть подтвержден ведомым. В отличие от привычного программистам принятого в IBM PC порядка первым в данном случае передается байт со старшими разрядами адреса.
Дальнейшие действия зависят от того, намерен ли ведущий читать данные, хранящиеся в массиве памяти ведомого, или записывать их туда. Для записи одного или нескольких байт их достаточно передать вслед за адресом. Первый попадет в заданную ячейку, после чего внутренний контроллер микросхемы памяти автоматически инкрементирует (увеличивает на единицу) адрес. Поэтому повторять его передачу не требуется. Следующий байт будет направлен в следующую ячейку и так далее до верхней границы страницы записи (в соответствующем числе младших разрядов адреса ячейки — все единицы), после чего заполнение страницы продолжится с нижней границы (в младших разрядах — все нули). Число байт данных, передаваемых в одном сеансе, не ограничено, но сохранятся лишь последние из них в количестве, не превышающем длины страницы. Страничная запись значительно сокращает время, требуемое для перезаписи всего массива памяти или большей его части. Однако пользоваться ею следует осторожно. Дело в том, что многие микросхемы, взаимозаменяемые по остальным параметрам, различаются именно длиной страницы записи. В ответственных случаях рекомендуется предварительно определить ее фактическую длину. Достаточно послать ведомому для записи заведомо больше данных, чем может поместиться на странице наибольшей длины, и проверить. в каких ячейках информация действительно изменилась. Кроме страничной записи, иногда предусматривается и мультибайтная, отличие которой в том, что адреса последовательно записываемых ячеек могут находиться на смежных страницах, пересекая их границу. В одном сеансе передают данные максимум для восьми, реже —16 ячеек, причем «перебор» запрещен.
В любом случае после передачи и подтверждения приема всех данных для программирования ведущий подает команду СТОП, запускающую в микросхеме внутренний автомат записи. Продолжительность выполняемой им процедуры не зависит от числа изменяемых байтов: автомат всегда стирает и вновь записывает всю страницу. Интересно, что происходит это даже в тех случаях, когда соответствующая область памяти защищена от записи. Данные в ней будут стерты и повторно записаны без изменений. Так что, отключив питание в неподходящий момент, защищенную информацию можно испортить. Если данные переданы в мультибайтном режиме и находятся на разных страницах, продолжительность записи удваивается — автомат программирует две страницы.
До окончания процедуры программирования микросхема памяти нe реагирует ни на какие внешние сигналы и в течение этого времени на повторные обращения следующего по её адресу не откликается. Этим пользуются для определения момента завершения программирования.
Перед чтением данных не требуется обязательно указывать адрес ячейки. Если ведущий обращается к микросхеме памяти, установив в младшем бите байта адреса ведомого признак чтения (лог. 1), в ответ ему будет передан байт из ячейки, следующей за той, с которой выполнялась последняя операция записи или чтения, после чего счетчик адреса будет автоматически инкрементирован. Выдача ведомым данных на линию SDA синхронизируется импульсами SCL, генерируемыми ведущим. Он же обязан подтвердить прием.
Продолжая посылать импульсы SCL, ведущий может последовательно и неоднократно прочитать весь массив данных. Возврата к началу страницы на ее границе при чтении не происходит, а за адресом последней ячейки всего массива следует нулевой. Сигнал окончания чтения — отсутствие подтверждения ведущим приема последнего или единственного байта данных и следующая за этим команда СТОП. Подавать такую команду после подтвержденного приема опасно, так как в некоторых ситуациях этим можно ошибочно запустить автомат записи.
При необходимости адрес читаемой ячейки задают в явном виде следующим образом. Прежде всего ведущий обращается к ведомому с признаком записи и посылает ему один или два байта адреса ячейки. Получив подтверждение, он немедленно (без команды СТОП) посылает новую команду СТАРТ, а за ней — адрес ведомого с признаком чтения и выполняет описанную выше процедуру. Первым ему будет передан байт из ячейки с указанным адресом.
Еще одну возможность прочитать данные предоставляет микросхема АТ24С21, предназначенная для компьютерных периферийных устройств «Plug & Play». Во многих из них выводы SDA и SCL этой или подобной ей микросхемы соединены соответственно с выводами 12 и 15 внешнего 15-контактного разъема (VGA монитора). Иногда через вывод 9 того же разъема на микросхему можно подать питание и прочитать хранящиеся в ней данные и даже изменить их.
Сразу после включения питания при высоком уровне на линии SCL микросхема АТ24С21 входил в режим DDC1. В ответ на синхронизирующие импульсы, подаваемые на вывод 7, называемый в данном случае VCLK (в мониторе он соединен с выводом 14 интерфейсного разъема), микросхема побитно выдает на линию SDA все содержимое своей памяти. Хотя подтверждать прием в режиме DDC1 не требуется, каждый девятый импульс VCLK — холостой, ему соответствует высокий уровень на линии SDA. Передача повторяется циклически (за младшим битом последнего байта следует старший первого) неограниченное число раз.
Разобраться в этом потоке — нелегкая задача для приемника. Несколько облегчает ее то, что во время действия первых после включения питания восьми импульсов VCLK микросхема анализирует состояние шины SDA, воспринимая его как адрес ячейки, с которой следует начать передачу данных после холостого девятого импульса. Запись в микросхему, находящуюся в режиме DDC1, невозможна.
Режим DDC2, во всем совпадающий с I2С , включают сменой высокого уровня на линии SCL низким. После этого вход VCLK превращается в обычный WP и управляет защитой массива памяти от записи. Вернуться в режим DDC1 можно только коммутацией питания.
У некоторых микросхем предусмотрена возможность программного включения защиты части массива данных от записи. Одна из них — АТ34С02. Кроме обычного адреса ведомого, начинающегося двоичной комбинацией 1010, у нее имеется специальный, начинающийся комбинацией 0110, за которой следуют биты со значениями. совпадающими с логическими уровнями на входах А0—А2. Если микросхема подтверждает прием этого адреса, переданного с признаком чтения, — вам повезло, защита еще не включена. Приём обращения по тому же адресу с признаком записи микросхема подтвердит при условии, что на вывод WP подан высокий логический уровень. И все… Больше она на этот адрес никогда не откликнется, и изменить что-либо в младшей половине массива памяти уже не удастся. Защитой старшей половины массива продолжает управлять вход WP.
Аналогичная операция с микросхемами AT24CS128 или AT24CS256 сложнее. Она защитит старшие 258 байт массива. На входах А0 и А1 следует установить любые, но одинаковые логические уровни. Затем передать по шине последовательность
СТАРТ
10101100
11ХХХХХХ
ХХХХХХХХ
ХХХХХХХХ
СТОП
Значения битов, обозначенных буквой X, безразличны. Как и в предыдущем случае, включенную однажды защиту невозможно отключить. Поэтому, не будучи полностью уверенным в том. что изменять данные в защищенной области никогда не потребуется, экспериментировать не стоит.
В заключение — несколько слов о том, как привести микросхему с интерфейсом I2С в исходное состояние. Обычно эту операцию автоматически выполняет внутренний контроллер после включения питания. Она может занимать довольно много времени (до 200 мс). В связи с этим спешить с записью или чтением не следует, лучше дать микросхеме время “прийти в себя”. Если нормальная работа нарушилась в результате сбоя или ошибочных действий ведущего, ее нередко удается восстановить, не выключая питания. Для этого достаточно подать на линию SDA со стороны ведущего высокий уровень и сформировать девять импульсов аналогичного уровня на линии SCL. Убедившись, что ни одно из ведомых устройств не поддерживает на линии SDA низкий уровень, можно подавать команду СТАРТ. В неопределенных ситуациях ни в коем случае нельзя пользоваться командой СТОП, так как это чревато записью случайных данных по случайным адресам.
Управление мощным полевым транзистором МК с низким питающим напряжением
В целях исключения применения второго источника питания для обеспечения надежного открытия полевого транзистора автор предложил использовать в схеме с питанием 3,3 В последовательный колебательный контур и генератор на МК.
Приведенная схема восстановлена по печатной плате, параметры некоторых элементов неизвестны. Включение без исправного резонатора приведет к выходу из строя транзистора!
Радио 06/2006, с.44
Плавное включение автомобильной лампы
Устройство позволяет продлить срок службы ламп накаливания автомобиля в связи с исключением резкого броска тока при включении.
Транзисторы необходимо установить на небольшие теплоотводы (30х50 мм).
Управление вентилятором охлаждения УМЗЧ
Предложенное устройство позволяет снизить шум работы вентиляторов в паузах между воспроизводимыми композициями.
Замена L7805 импульсным стабилизатором
В целях повышения КПД линейного стабилизатора L7805, последний можно заменить на LM2576T-5.0, включенный по приведенной ниже схеме:
Питание реле пониженным напряжением
Если в схеме требуется применить реле рассчитанное на 5 В, а в наличии есть только на 12В, то можно воспользоваться следующими схемами управления (И.Нечаев, Питание электромагнитного реле пониженным напряжением. — Радио, 2016, 11, с. 47-48):
Рис.1
Рис.2
Схема на рис.1 позволяет запитать реле напряжением, вдвое меньшим номинального, или при номинальном напряжении питать два последовательно соединенных реле.
На рис.2 приведена печатная плата под дискретные элементы, если есть желание изготовить устройство на SMD деталях, то схема и печатная платы приведены в источнике.
Включение и выключение МК одной кнопкой
В. Геронда Включение и выключение микроконтроллера одной кнопкой. — Радио, 2018, №7, с.62-63
Автором предложено решение управление питанием МК с помощью одной кнопки. Для реализации данного решения ниже приложен алгоритм работы программы МК в части управление питанием устройства.
Индукционная пропорциональная система управления моделью
В.Солоненко Модель с пропорциональным управлением. — Радио, 2001, №1, с.49-50
В статье описано практическое устройство с пропорционально-индукционной системой дистанционного управления моделью движущейся игрушки.
Если Вас вдруг неожиданно охватило желание начать заниматься электроникой, то наверняка данная статья будет полезна.
Итак, перед тем, как бежать в ближайший магазин за паяльником, прежде всего надо себе ответить на вопрос: «Чем именно я хочу заниматься и в какой области электроники буду грызть гранит?». Дело в том, что на сегодняшний день радиолюбителю паяльник может и не пригодиться. В продаже есть большое количество конструкторов-наборов по данной теме, где все соединения, в том числе дискретных элементов, выполняются на контактных (беспаячных) монтажных платах и готовых модулях с помощью проводников без пайки (все решается за счет использования разъемов).
Примерами могут служить наборы на базе Arduino UNO с 8 битным контроллером AVR, а более современные модели имеют уже 32-битный контроллер, наборы на базе 32-битных микроконтроллерах Cortex (включая известную платформу Raspberry Pi), готовые наборы для построения и программирования роботов. Неплохие и довольно качественно сделанные наборы выпускаются под китайским брендом Keyestudio. У них же есть хорошая поддержка продуктов.
Подобные наборы имеют место быть, занятия с ними довольно увлекательны и позволяют получить быстрый действенный результат. Популярность их велика отчасти и потому, что они избавляют от необходимости понимания многих основ радиотехники и электроники, изучения теории, необходимой при сборке конструкций на дискретных элементах, ремонта электронных устройств.
Если же Вы собрались окунуться в электронику с головой, тогда придется основательно перелопатить кучу литературы, найти место в доме или квартире (что бывает затруднительно) для обустройства рабочего пространства и хранения множества гаджетов и радиоэлементов и, собственно, заняться этим обустройством.
Что должно быть обязательно и сразу:
Паяльник (мощностью не более 40 Вт, лучше с регулятором температуры, а еще лучше купить паяльную станцию, где в составе есть еще и фен).
Мультиметр с возможностью прозвонки цепи, измерением сопротивления, переменного и постоянного тока и напряжения.
Набор инструмента: всевозможные отвертки, бокорезы, пассатижи, пинцеты, скальпели и т.п.
Очень неплохо иметь минидрель/гравер с набором насадок.
Источник питания с регулируемым выходным напряжением и защитой от короткого замыкания, но его, в простейшем исполнении, можно и собрать самостоятельно.
Далее, изучив базовую теорию, включающую представление об напряжении, электрическом токе, проводимости различных материалов, базовых радиоэлементах и их обозначениях на электрических принципиальных схемах, попробовав попрактиковаться в пайке, можно выбрать своё первое устройство для сборки, зайти в ближайший магазин радиодеталей, купить всё недостающее и, наконец, начать собирать первое устройство на монтажной плате. Да, ни в коем случае и никогда не забываем о технике безопасности!
P.S.
Имеющие опыт читатели наверняка скажут, а где генераторы, осциллографы, приспособления для намотки трансформаторов и катушек и т.п. Пожалуй на начальном этапе это не требуется, и если занятие электроникой ляжет надушу, постепенно по мере необходимости рабочее место обрастёт всевозможными специализированными девайсами.
Электроника и связь — большой выбор радиодеталей Советского и Российского производства, техническая документация.
PS: Недорого радиокомпоненты, приборы и оборудование, конструкторы и т.п. можно приобрести на AliExpress, Ozon, Мешок.
Заказ печатных плат в Китае и не только…
PCBWey — изготовление печатных плат, Русскоязычный интерфейс, при регистрации получаете купон на 5$ ,которым можно оплатить заказ. Заказы принимаются в формате Gerber (Экспорт в Gerber из Sprint-Layout 6).
, что совершенно не влияет на его функцию. Если этот вывод оставлен свободным или соединен с общим проводом, можно изменять содержимое любых ячеек. При высоком логическом уровне весь массив или его часть защищены от стирания и записи. В последнее время выпускают микросхемы, в которых предусмотрены участки памяти, запись в которые можно заблокировать и другими способами, например, командами ведущего.
