Входные линии портов МК реагируют на изменение напряжения относитель-но общего провода. Следовательно, в этом смысле МК можно отнести к классу пороговых устройств и использовать стандартные схемы из импульсной техники.
Если амплитуда приходящих сигналов гарантированно не превышает напряжения питания Vcc и не имеет отрицательной составляющей, то входные линии МК можно вообще не защищать (Рис. 1, а...к).
Если существует вероятность появления на входе МК импульсных помех, выходящих за диапазон от –0.5 В до Ксс+0.5 В, значит требуется дополнительная защита в виде пассивных ограничителей (Рис. 2, а...н) или активных буферных каскадов (Рис. 3, а...о).
Рис. 1. Схемы подачи низковольтных сигналов на линии портов МК
а) элементы R1, С1 фильтруют входной сигнал. Резистор R2 нужен при большой ёмкости
в) диоды VD1...VDn и резистор R1 выполняют логическую функцию «ИЛИ»;
г) диоды VD1... VDn и резистор R1 выполняют логическую функцию «И»;
д) НИЗКИЙ уровень Uвх в любом из каналов приводит к изменению напряжения на входе обработки прерывания INT за счет диодов VD1..VDn. Это стандартный способ экономичного «прослушивания» состояния датчиков, когда МК находится в «спящем» режиме;
е) резистором R1 выставляется оптимальный уровень срабатывания цифрового входа МК (может применяться и внутренний АЦП). Конденсатор С1 неполярный большой ёмкости, чтобы можно было на вход подавать сверхнизкочастотные сигналы;
ж) обработка сигналов произвольной формы. Резистором R1 устанавливается начальное напряжение в канале АЦП при отсутствии сигнала. Вместо АЦП может быть цифровая линия;
з) замыкание контактов кнопки SBI позволяет исследовать сигналы с постоянной составляющей. Резисторы RI, R3 создают достаточно большую нагрузку для входного сигнала при крайних положениях симметрирующего резистора R2;
и) ёмкостный делитель входного переменного сигнала на конденсаторах С1, С2;
к) приём одногосигнала потрём линиям МК. Используются: АЦП, обычный цифровой порт и вход прерывания INT. Переключение между тремя каналами программное.
Рис. 2. Схемы защиты линий МК пассивными ограничителями
а) защита входа МК внутренними диодами, ток через которые ограничивается резистором R2 на уровне 1...2 мА при всплесках напряжения входного сигнала от -20 до+25 В;
б) если помеха имеет большую амплитуду и мощность, то надо защищать внутренние диоды МК внешними диодами Шоттки VD1, VD2. Источник питания 4-5 В должен быть мощным и иметь обратную связь по напряжению, чтобы при помехах поддерживался стабильный уровень;
в) конденсатор С1 подавляет импульсные помехи. Сборка диодов Шоттки VD1 имеет малые габариты. Резистор R1 не даёт линии МК «висеть в воздухе» при отсутствии сигнала;
г) при Uвх < 0 диоды VD1, VD2 открываются и на входе МК формируется «истинный нуль». При Uвх > 5 В оба диода закрываются, что защищает линию МК от перенапряжений;
д) амплитуда входного сигнала регулируется резистором R2. Защитная цепь состоит только из одного диода VD1, поскольку входной сигнал всегда положительный;
е) резистор R2 входит в состав делителя напряжения (R1) и одновременно «привязывает» к общему проводу линию МК, чтобы она не «висела в воздухе» при отсутствии сигнала;
ж) TVS-диод VD1 ограничивает мощные импульсные помехи. Ещё защита – R3, диоды МК;
з) диоды VDI, VD2 обычные (не Шоттки), поэтому наличие ограничительного резистора R3 обязательно. Его сопротивление можно уменьшить на порядок;
и) на элементах VDI, HLI собран аналог стабилитрона с пороговым напряжением 4.9...5.1 В. Резистор R1 подбирается так, чтобы при максимуме входного сигнала обеспечивался ток в диапазоне 3...20 мА через индикатор HL1, чтобы он светился и указывал на наличие сигнала;
к) светодиод HL1 служит индикатором большой амплитуды (порог задается стабилитроном VD1). Конденсатор С1 фильтрует помехи, резистор R3 ограничивает ток через диоды МК;
л) резистор R2 ограничивает ток через стабилитрон VD2, а резистор R3 – через внутренние диоды МК. Если установить перемычку S1, то во входной датчик будет подаваться постоянный ток не более 1.5 мА. Диод Шоттки VD1 предотвращает попадание высокого напряжения извне в цепь питания 4-5 В при перегрузках;
м) TVS-диод VD1 (называют также «сапрессор» или «супрессор», от англ. «supressor») может кратковременно рассеивать очень большую мощность. Резистор R2 обеспечивает начальное запирание диодов VD2, VD3. Резистор R3 снижает ток через внутренние диоды МК.
н) предохранитель FU1 может быть обычным или самовосстанавливающимся. Двухсторонний TVS-диод VD1 может применяться, например, SM BJ5.0CA (5.0 В), Р6КЕ6.8СА (6.8 В).
Рис. 3. Схемы защиты линий МК активными буферными каскадами
а) усилитель-формирователь на транзисторе VT1 (усилитель для слабых сигналов, формирователь прямоугольных импульсов для сигналов большой амплитуды). Резистор защищает линию МК от короткого замыкания на GND, если она по ошибке программиста станет выходом;
б) обработка ВЧ-сигналов с частотой до 1 МГц. Диод VDI защищает переход «база – эмиттер» транзистора VT/ от больших отрицательных напряжений;
в) буферный усилитель переменного напряжения звуковой частоты. Резистор RI можно проградуировать в децибелах или вольтах. Резистором R2 подбирают порог срабатывания;
г) транзисторный эквивалент логического элемента «2-ИЛИ-НЕ» (аналог РТЛ-логики);
д) логическое «ИЛ И-НЕ» на диодах VD1...VDn с инвертором на транзисторе VT1. Замыкание контактов кнопки SB1 позволяет сымитировать открытый транзистор VT1 в тестовых целях;
е) транзистор VT2 вводится в уже существующее изделие для съёма информации со стока транзистора VT1. Благодаря высокому входному сопротивлению VT2 работа не нарушается;
ж) микросхема детектора «просадок» питания DA1 служит защитным буфером для МК, а так же входным элементом в порогом срабатывания 2.1...4.5В в зависимости от модификации DA1,
з) транзистор VT1 служит защитным буферным повторителем напряжения;
и) стабилизатор DA1 защищает МК от всплесков напряжения амплитудой до +30 В. Если питание МК осуществляется от источника +3 В, то DA1 лучше заменить микросхемой 78L03;
к) усилитель DA1 служит буферным элементом и выполняет функцию детектора перехода двухполярного сигнала Uвх через нуль;
л) «визуальный» датчик наличия напряжения +8...+14 В на светодиоде HL1. Транзистор VT1 и резистор R1 образуют генератор стабильного тока 3 мА;
м) определитель знака входного постоянного напряжения (плюс или минус), не реагирующий на переменные звуковые сигналы. Может применяться в устройстве защиты УНЧ от пробоя выходных транзисторов. Конденсаторы С1, С2 должны быть неполярными большой ёмкости;
н) резистором R2 устанавливается гистерезис компаратора DA1 в пределах 50...70 мВ;
о) первая ступень защиты – стабилитрон VD1, вторая – транзистор VT1, третья – внутренние диоды МК и ограничительный резистор R5. Резистором R3 регулируется чувствительность.
Источник: 1000 и одна микроконтроллерная схема. С. М. Рюмик. Вып. 1
