الأجهزة

يشير تنظيم الحمل إلى تغير جهد الخرج عند تعديل تيار الحمل من قيمة دنيا إلى قيمة قصوى مع ثبات جهد الدخل، أي قدرة منظم الجهد الخطي المنخفض (LDO) على الحفاظ على جهد خرج مستقر عند تغير تيار الحمل بشكل مطرد. وهو مؤشر حالة مستقرة. يُعبر عن مؤشر تنظيم الحمل عادةً بوحدة ملي فولت (mV) في مواصفات منظم الجهد الخطي المنخفض. من التعريف، يتضح أنه كلما قلّ تنظيم الحمل، كان ذلك أفضل. فعند تغير تيار الحمل فجأة، كلما قلّ تغير جهد الخرج الناتج، كان أداء منظم الجهد الخطي المنخفض أفضل.بالنسبة لمصدر الطاقة LDO، يختلف جهد الخرج باختلاف تيار الحمل. على سبيل المثال، إذا تغير تيار الحمل لمصدر LDO معين من 10 مللي أمبير إلى 300 مللي أمبير، يتغير جهد الخرج من 3.3 فولت إلى 3.28 فولت. أي أنه عندما يكون تيار الحمل 10 مللي أمبير، يكون جهد الخرج 3.3 فولت؛ وعندما يكون تيار الحمل 300 مللي أمبير، يكون جهد الخرج 3.28 فولت. إذا تم التعبير عن تنظيم الحمل بالمللي فولت، فإن الفرق هو 3.3 فولت - 3.28 فولت = 0.02 فولت = 20 مللي فولت. هذا يعني أنه عندما يكون تيار الحمل ضمن النطاق من 10 مللي أمبير إلى 300 مللي أمبير، فإن أقصى تغير في جهد الخرج لا يتجاوز 20 مللي فولت.تختلف معدلات تنظيم الحمل لمكثفات الخرج باختلاف أحجامها. فكلما زاد حجم مكثف الخرج، زاد استقرار جهد الخرج.في الشكل أدناه، عندما يرتفع التيار الأخضر Iout فجأة، يكون لمخرج منظم الجهد الخطي LDO انخفاض، وهو معدل تنظيم الحمل.

نسبة رفض مصدر الطاقة (PSRR) هي نسبة جهد التموج المدخل إلى جهد التموج المخرج، بوحدة الديسيبل (dB)، وصيغتها هي:تكمن أهمية نسبة رفض مصدر الطاقة (PSRR) في تحديد مدى انتقال تغيرات الطاقة الداخلة إلى الطاقة الخارجة. على سبيل المثال، إذا كانت نسبة رفض مصدر الطاقة لدائرة معينة 60 ديسيبل، فإن كل تغير بمقدار 1 فولت في جهد دخل مصدر الطاقة سيؤدي إلى تذبذب في الطاقة الخارجة بمقدار 1 ملي فولت فقط. يُعد هذا المؤشر بالغ الأهمية في الدوائر التناظرية (مثل مكبرات العمليات ومنظمات الجهد) لأن ضوضاء مصدر الطاقة قد تؤدي مباشرةً إلى تشويه الإشارة أو تدهور أداء النظام.لا تقتصر العوامل المؤثرة على نسبة رفض التشويش (PSRR) لمزود الطاقة LDO على تردد التموج فحسب، بل تشمل أيضًا تيار الحمل، وفرق الجهد بين الدخل والخرج، وقيمة سعة مكثف الخرج. ويتضح ذلك من خلال: كلما قل انخفاض الجهد، وزاد تيار الحمل، وارتفع التردد، وقلّت سعة مكثف الخرج، انخفضت نسبة رفض التشويش. لذا، عند الحاجة إلى نسبة رفض عالية للتشويش المشترك، من الضروري زيادة فرق الجهد، وزيادة سعة مكثف الخرج، وتقليل تيار الحمل. يوضح الشكل 1 مخططًا توضيحيًا للعلاقة بين نسبة رفض التشويش وتردد شريحة مزود الطاقة AP2210 ذات فرق الجهد المنخفض للغاية. ويتضح من المخطط أن نسبة رفض التشويش تصل إلى 75 ديسيبل عند الترددات المنخفضة.الشكل 1: نسبة رفض مصدر الطاقة مقابل الترددعادةً، يتميز مصدر الطاقة LDO بنسبة رفض عالية لإشارة التغذية (PSRR)، مما يقلل من تموج الخرج. لذا، عند تصميم دائرة تغذية المستشعر، وخاصةً المستشعر ذي الخرج التناظري، لضمان دقة المستشعر، يُستخدم عادةً مصدر طاقة LDO منخفض الضوضاء والتموج. أما مصدر الطاقة التبديلية، فيتميز بتموج خرج كبير ويتأثر بشدة بحجم الحمل. من حيث الكفاءة، يتفوق مصدر الطاقة التبديلية على LDO، كما أنه يُنتج حرارة أقل. لذلك، يُستخدم مصدر الطاقة التبديلية عادةً مع LDO، حيث تُستخدم نسبة كبح إشارة التغذية العالية لـ LDO لكبح تموج خرج مصدر الطاقة التبديلية.

لتجنب قيام مستخدم وحدة التزويد بالطاقة بتوصيل سلك الطاقة المدخل بشكل خاطئ عن طريق الخطأ، مما قد يؤدي إلى احتراقها، يُشترط عادةً وجود دائرة حماية من عكس القطبية عند مدخل وحدة التزويد بالطاقة. وفي الوقت نفسه، ولضمان بقاء جهد الدخل ضمن النطاق الآمن، يجب حماية جهد الدخل من قطع التيار عند زيادة الجهد.الدائرة الموضحة في الشكل 1 تحقق الوظيفة المتكاملة للحماية من التوصيل العكسي والحماية من الجهد الزائد.يتم تحليل وظيفة الحماية من الجهد الزائد على النحو التالي: عندما Vin يقع الجهد ضمن نطاق جهد الإدخال الطبيعي، ولا يحدث انهيار عكسي لمنظم الجهد Z1، ويكون تيار المقاومتين R2 وR3 مساويًا للصفر تقريبًا، وVbe قيمة جهد الترانزستور P1 هي 0، أي أن الترانزستور PNP غير مُفعّل، و Vgs يتم تحديد جهد الترانزستور PMOS Q1 بواسطة مقسم الجهد المكون من المقاومتين R4 وR5. عندما يكون جهد Vgs أكبر من عتبة التوصيل، يتم تشغيل الترانزستور PMOS، أي أن مصدر الطاقة يعمل بشكل طبيعي؛ وعندما يكون جهد الدخل Vin أكبر من جهد الدخل الطبيعي، يكون جهد Vgs أكبر من عتبة التوصيل.in>Vbrعندما يتعطل منظم الجهد، يتم تشغيل ترانزستور PNP Q1، VCE≈0، أي Vgs قيمة أنبوب PMOS ≈0، ويتم إيقاف تشغيل أنبوب PMOS، أي يتم تحقيق الحماية من الجهد الزائد.يتم تحليل وظيفة الحماية من التوصيل العكسي كما يلي: يتم تحقيق الحماية من التوصيل العكسي للإدخال بواسطة أنبوب NMOS Q2. عند إدخال القطب الموجب لمصدر الطاقة من Vin، يكون جهد البوابة Vgs عندما يكون جهد الترانزستور NMOS Q2 مرتفعًا، يكون Q2 قيد التشغيل، ويشكل كل من Q1 والحمل RL وQ2 حلقة، وتعمل الدائرة بشكل طبيعي. أما عند عكس قطبية مصدر الطاقة من الطرف السالب، فيتم فصل Q2، وتنفصل الحلقة بالكامل، وتتوقف الدائرة عن العمل، مما يؤدي إلى حماية الدائرة من عكس القطبية.

لتجنب قيام مستخدم وحدة التزويد بالطاقة بتوصيل سلك الطاقة المدخل بشكل خاطئ عن طريق الخطأ، مما قد يؤدي إلى احتراقها، يُشترط عادةً وجود دائرة حماية من عكس القطبية عند مدخل وحدة التزويد بالطاقة. وفي الوقت نفسه، ولضمان بقاء جهد الدخل ضمن النطاق الآمن، يجب حماية جهد الدخل من قطع التيار عند زيادة الجهد.الدائرة الموضحة في الشكل 1 تحقق الوظيفة المتكاملة للحماية من التوصيل العكسي والحماية من الجهد الزائد.تُحلل وظيفة الحماية من الجهد الزائد كما يلي: عندما يكون جهد الدخل (Vin) ضمن نطاق جهد الدخل الطبيعي، لا يتعطل منظم الجهد Z1، ويكون تيار المقاومتين R2 وR3 مساويًا للصفر تقريبًا، ويكون جهد القاعدة-الباعث (Vbe) للترانزستور P1 مساويًا للصفر، أي أن الترانزستور PNP غير مُفعّل، ويُحدد جهد البوابة-المصدر (Vgs) لأنبوب PMOS Q1 بواسطة مُقسّم الجهد للمقاومتين R4 وR5. عندما يكون Vgs أكبر من عتبة التوصيل، يتم تفعيل أنبوب PMOS، أي أن مصدر الطاقة يعمل بشكل طبيعي. أما عندما يكون جهد الدخل (Vin) أكبر من جهد الدخل الطبيعي، أي Vin>Vbr، يتعطل منظم الجهد، ويتم تفعيل الترانزستور PNP Q1، ويكون جهد الباعث-الباعث (VCE) مساويًا للصفر تقريبًا، أي أن Vgs لأنبوب PMOS يكون مساويًا للصفر تقريبًا، فيتم إيقاف تشغيل أنبوب PMOS، أي أن الحماية من الجهد الزائد مُتحققة.تُحلل وظيفة الحماية من عكس التوصيل كما يلي: تُحقق الحماية من عكس التوصيل بواسطة ترانزستور NMOS Q2. عند توصيل القطب الموجب لمصدر الطاقة من الطرف Vin، يكون جهد البوابة Vgs لترانزستور NMOS Q2 مرتفعًا. في هذه الحالة، يُفعّل Q2، ويُشكّل Q1 والحمل RL وQ2 حلقة، وتعمل الدائرة بشكل طبيعي. عند عكس القطب الموجب لمصدر الطاقة من الطرف السالب، يُفصل Q2، وتنفصل الحلقة بالكامل، وتتوقف الدائرة عن العمل، مما يؤدي إلى الحماية من عكس التوصيل. 

وفقًا لتصميم الدائرة ثنائية الأسلاك، يتم تعديل تيار الطاقة بواسطة المستشعر ثم يعود إلى دائرة استقبال الإشارة. إذا لم يخضع خرج الطاقة لأي معالجة، فبمجرد حدوث قصر في دائرة المستشعر أو سوء استخدام من قِبل المستخدم النهائي مما يؤدي إلى قصر الدائرة، فمن المرجح جدًا أن تتلف الطاقة أو تتسبب في تلف دائرة استقبال الإشارة. لتجنب هذا الوضع، يجب إضافة دائرة لتحديد التيار إلى الدائرة التي تُزود المستشعر بجهد 24 فولت، وذلك للحد من التيار ضمن نطاق آمن (على سبيل المثال، أقل من 30 مللي أمبير)، وبالتالي تجنب الأعطال الكارثية.يعرض ما يلي دائرة الحماية المحددة للتيار لتوفير طاقة 24 فولت للمستشعر عند تصميم دائرة اكتساب واجهة 4-20 مللي أمبير. عندما يكون التيار أقل من تيار الحد الأقصى Imax، يكون انخفاض الجهد عبر المقاومة R1 أقل من جهد التوصيل Vbe للترانزستور P1. تعمل المقاومتان R3 وR4 على تقسيم الجهد، مما يُحدث فرق جهد كافٍ بين مصدر وبوابة ترانزستور تأثير المجال Q1. عند هذه النقطة، يكون الترانزستور P1 في حالة قطع، بينما يكون الترانزستور Q1 في حالة توصيل. تكون الدائرة في حالة تشغيل طبيعية.عندما يتجاوز التيار قيمة التيار الحدي Imax، يصبح انخفاض الجهد عبر المقاومة R1 أكبر من جهد التوصيل Vbe للترانزستور P1. في هذه الحالة، يكون الترانزستور P1 في حالة توصيل. يُطبَّق جهد الدخل مباشرةً على بوابة ترانزستور تأثير المجال Q1. عند هذه النقطة، تتساوى تقريبًا الجهود عند المصدر والبوابة لترانزستور تأثير المجال Q1، مما يؤدي إلى فصل الترانزستور Q1 عن الدائرة، وبالتالي وضعها في حالة حماية. هذا يمنع تلف الحمل الناتج عن التيار الزائد.بما أن جهد التوصيل Vbe لـ MMBT2907A يبلغ حوالي 0.7 فولت، ومن Vbe/R1 = 25 مللي أمبير، يمكن استنتاج أن تيار الحد يبلغ حوالي 25 مللي أمبير. إذا لزم تعديل تيار الحد، يكفي ببساطة تعديل قيمة المقاومة R1.

السبب الرئيسي لاختيار مصادر طاقة مزدوجة لأجهزة الاستشعار هو تلبية متطلبات سلامة الإشارة، وظروف تشغيل الدائرة، ودقة القياس. ويشمل ذلك الجوانب التالية:1. معالجة الإشارات ثنائية الاتجاه (إشارات التيار المتردد)تُخرج بعض الحساسات (مثل حساسات الاهتزاز والصوت والتسارع) إشارات ثنائية الاتجاه، أي أنها تتذبذب أعلى وأسفل نقطة الصفر المرجعية (فولتيات موجبة وسالبة). في حال استخدام مصدر طاقة واحد فقط، سيتم اقتطاع نصف دورة الإشارة السالبة، مما يؤدي إلى تشويهها. في هذه الحالة، يُتيح استخدام مصادر طاقة موجبة وسالبة (مثل ±5 فولت، ±12 فولت) لتوفير فولتيات متناظرة، تذبذب الإشارة حول الصفر فولت، مع الاحتفاظ بالمعلومات الكاملة للنصفين الموجب والسالب لتجنب تشويه الإشارة.2. متطلبات تشغيل الدائرة الداخليةتتضمن العديد من أجهزة الاستشعار مضخمات تشغيلية أو دوائر تناظرية لتضخيم الإشارة أو معالجتها ضمن دوائرها الداخلية. وتتطلب هذه الأجهزة مصادر طاقة موجبة وسالبة لتحقيق ما يلي:تصميم دائرة مبسط: في نظام مزود طاقة واحد، عند معالجة إشارات التيار المتردد، يلزم تحديد "أرضي افتراضي"، مما يُضيف تشويشًا وتعقيدًا للتصميم. بينما تستخدم مصادر الطاقة الموجبة والسالبة "الأرضي" (0 فولت) كنقطة مرجعية، دون الحاجة إلى دوائر انحياز إضافية، مما يُبسط التصميم ويُقلل التشويش.زيادة النطاق الديناميكي: تتطلب العديد من أجهزة الاستشعار عالية الأداء ومكبرات التشغيل مصادر طاقة مزدوجة للاستفادة الكاملة من نطاق الإدخال/الإخراج الخاص بها، وتجنب التشوه غير الخطي، وتحسين الخطية والنطاق الديناميكي للنظام.3. مقاومة التداخل وقمع الضوضاءيُساهم تصميم مصدر الطاقة المزدوج في تقليل تداخل الضوضاء المشتركة. تُشير الضوضاء المشتركة إلى فرق الجهد بين خطي الإشارة والأرضي. يُمكن استخدام مصادر طاقة موجبة وسالبة لتقليل فرق الجهد هذا بشكل فعّال، وبالتالي تقليل تداخل الضوضاء المشتركة، لا سيما في البيئات الصناعية، حيث يُساعد مصدر الطاقة المتناظر على تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

1. مبدأ عمل وأنواع مستشعرات التسارعمستشعر التسارع هو نوع شائع من المستشعرات التي تقيس تسارع الأجسام وزاوية ميلها، ويُستخدم على نطاق واسع في الصناعات والرعاية الصحية والرياضة وغيرها من المجالات. يتكون مستشعر التسارع عادةً من عناصر استشعار ودوائر معالجة الإشارات ودوائر الربط، ويمكنه استشعار تسارع الجسم أو رصد التغيرات في حالته الحركية، وتحويل هذه البيانات إلى إشارات كهربائية للإخراج.يقدم السوق حاليًا نوعين رئيسيين من أجهزة استشعار التسارع: أجهزة الاستشعار التناظرية وأجهزة الاستشعار الرقمية.تتميز مستشعرات التسارع الرقمية بسهولة دمجها مع الأنظمة الرقمية. مع ذلك، ولتحقيق دقة أعلى، وتقليل التشويش، وتلبية متطلبات الاستجابة الديناميكية المختلفة، مع التحكم في التكاليف، نميل أحيانًا إلى تفضيل مستشعرات التسارع ذات المخرجات التناظرية.يوضح الشكل 1 مسار معالجة الإشارة من مقياس تسارع تناظري نموذجي. عمومًا، ولتحسين التكامل وخفض التكاليف، يتم دمج عملية أخذ عينات محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية ومعالجة الترشيح الرقمي داخليًا في وحدة التحكم الدقيقة أو معالج الإشارات الرقمية.   2. تصميم مرشح تمرير منخفض مضاد للتشويش قبل محول الإشارة التناظرية إلى الرقميةيُعدّ إضافة مرشح تمرير منخفض مضاد للتشويه في بداية مُحوّل الإشارة التناظرية إلى الرقمية (ADC) عنصرًا أساسيًا في تصميم نظام أخذ عينات الإشارة. وفقًا لنظرية نايكويست لأخذ العينات، يجب أن يكون تردد أخذ العينات fs لمُحوّل الإشارة التناظرية إلى الرقمية ضعف أعلى تردد fmax للإشارة على الأقل (أي fs ≥ 2fmax) لإعادة إنتاج الإشارة الأصلية بدقة دون تشويه. إذا احتوت إشارة الإدخال على مكونات بترددات تتجاوز fs/2 (المعروفة بتردد نايكويست)، فسيتم دمج هذه المكونات عالية التردد في نطاق الترددات المنخفضة، مما يُشكّل إشارات زائفة (تشويه). يُشوّه التشويه الإشارة المفيدة بشكل دائم ولا يُمكن التخلص منه من خلال المعالجة اللاحقة. قد تحتوي الإشارة الفعلية على ضوضاء أو مكونات عالية التردد غير مرغوب فيها (مثل التداخل الكهرومغناطيسي والتوافقيات)، والتي قد تتجاوز نصف تردد أخذ العينات (fs/2). وحتى لو كانت إشارة الإدخال نفسها ذات نطاق ترددي محدود، فإن عملية أخذ العينات في محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية (وخاصةً التقطيع) ستُدخل ضوضاء تكميم. يمكن لمرشح التمرير المنخفض المضاد للتشويه تقليل تأثير الضوضاء عالية التردد. مرشح التمرير المنخفض المضاد للتشويه هو في الواقع مرشح تمرير منخفض من نوع RC (مقاومة-مكثف)، وعادةً ما يتم ضبط تردد القطع (fc) الخاص به على قيمة أقل بقليل من نصف تردد أخذ العينات (fs/2) ولكن أعلى بقليل من النطاق الترددي الفعال للإشارة (على سبيل المثال، إذا كان النطاق الترددي لمقياس التسارع 100 هرتز، يتم اختيار fc على أنه 150 هرتز)، مما يضمن مرور الإشارات ذات الترددات الأقل من تردد نايكويست فقط. إذا كان تردد ساعة أخذ العينات في محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية 2 كيلوهرتز، فيجب ألا يتجاوز تردد القطع (fc) 1 كيلوهرتز. صيغة حساب تردد القطع fc هي fc = 1/(2π×R×C). يُستخدم مرشح تمرير منخفض مضاد للتشويش لتقليل الضوضاء الخلفية، وبالتالي تحسين دقة مقياس التسارع. عمومًا، في التصميم، يُحدد عرض النطاق الترددي بأقل تردد مطلوب للتطبيق لزيادة دقة مقياس التسارع ونطاقه الديناميكي إلى أقصى حد.في الاستخدام العملي، عند استخدام ADXL103 أو ADXL203 من ADI، يكون مرشح الترددات المنخفضة الداخلي مُدمجًا بالفعل. يتم تحديد تردد القطع (نقطة -3 ديسيبل) بواسطة المكثف الخارجي C المتصل بطرف الإخراج، ولا يمكن تحقيق وظائف منع التداخل وكبح الضوضاء إلا بتوصيل مكثف بالتوازي مع طرف الإخراج وتشكيل مرشح ترددات منخفضة باستخدام مقاومة الإخراج الداخلية. يوضح الشكل 2 دائرة التطبيق الفعلية، وقيمة fc المقابلة لها هي 5 ميكروفاراد/درجة مئوية.  3. الترشيح الرقميتمر الإشارة التناظرية عبر مرشح تمرير منخفض مضاد للتشويه، ثم تُرسل إلى وحدة تحويل الإشارة التناظرية إلى الرقمية (ADC). وبفعل نبضة ساعة أخذ العينات، يتم توليد تدفق بيانات مستمر. في هذه المرحلة، لا بد أن تحتوي البيانات على بعض التشويش. وللتخلص من هذا التشويش، تُستخدم تقنية الترشيح الرقمي لمعالجة البيانات المُستلمة. بالمقارنة مع المرشحات التناظرية، تتميز المرشحات الرقمية باستجابات ترددية أكثر استقرارًا، وقدرة على كبح الإشارات خارج النطاق بدقة، وقابلية تكرار جيدة، ويمكن تنفيذها إما برمجياً بالكامل أو باستخدام تسريع الأجهزة لمرشحات FIR (استجابة النبضة المحدودة) أو IIR (استجابة النبضة اللانهائية).نظراً لرتبة مرشحات FIR العالية، فإنها تستهلك موارد حاسوبية أكبر، وهي أكثر ملاءمة للتشغيل على معالجات الإشارات الرقمية أو وحدات التحكم الدقيقة عالية الأداء. يوضح الشكل التالي صيغة معادلة الفرق الخاصة بها.  بالنسبة لمرشح FIR منخفض التمرير من الرتبة 120 باستخدام نافذة كايزر، يصل توهين نطاق الإيقاف عادةً إلى أكثر من 60 ديسيبل. بالمقارنة مع مرشحات IIR، تتميز مرشحات FIR بنطاق انتقال أوسع وتأخير مجموعة أكبر، واستجابتها في الوقت الحقيقي ليست بنفس سرعة مرشحات IIR.في حال محدودية موارد الحوسبة على منصة مضمنة، أو للحصول على نطاق انتقال أكثر حدة، يمكن استخدام مرشحات الاستجابة النبضية اللانهائية (IIR). بالمقارنة مع مرشحات الاستجابة النبضية المحدودة (FIR)، تتميز مرشحات IIR بكفاءة حسابية أعلى (حيث يمكنها تحقيق أداء عالٍ برتب أقل)، ولها تغيرات طور غير خطية، وهي مناسبة لمقاييس التسارع، ولكنها قد تكون غير مستقرة. لذا، يجب تحسين مواقع الأقطاب بعناية. يوضح الشكل التالي الصيغة العامة لمعادلة الفرق لمرشحات IIR. عادةً ما يمكن لمرشح التمرير المنخفض الرقمي من النوع IIR الإهليلجي من الدرجة الرابعة أن يحقق توهين نطاق التوقف بأكثر من 60 ديسيبل عندما يكون تموج نطاق التمرير 0.5 ديسيبل.أحيانًا، وللحصول على نتيجة إخراج سلسة، تُخضع بيانات الإخراج ضمن نافذة معينة من المرشح المذكور سابقًا لترشيح المتوسط ​​المتحرك لتقليل تأثير الضوضاء. لنفترض وجود متتالية إشارة x[n] تحتوي على N عينة، حيث n هو فهرس العينة (من 0 إلى N-1). يتم إجراء ترشيح المتوسط ​​المتحرك عن طريق تحريك نافذة ثابتة الطول M على متتالية الإشارة وحساب متوسط ​​العينات داخل النافذة. لكل موضع k من النافذة المتحركة، يمكن حساب الإخراج المُرشَّح y[k] باستخدام الصيغة التالية: يُحدد حجم النافذة المنزلقة (M) درجة التنعيم. فالنافذة الأكبر تُنعّم الإشارة بفعالية أكبر، ولكن قد ينتج عنها استجابة متأخرة؛ أما النافذة الأصغر فتستجيب لتغيرات الإشارة بسرعة أكبر، ولكن قد يكون تأثير التنعيم أقل. عادةً، عندما تكون ترددات أخذ عينات محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية 2000 هرتز، يُضبط حجم النافذة المنزلقة (M) على 10.

يُخرج مستشعر الجهد عادةً نطاق جهد يتراوح بين 0-5 فولت أو 0-10 فولت. إذا اخترنا عدم استخدام شريحة تحويل تناظري رقمي خارجية لاعتبارات التكلفة، واستبدلناها بأخذ عينات من وحدة التحويل التناظري الرقمي داخل شريحة المتحكم الدقيق، ولكن نظرًا لأن نطاق جهد وحدة التحويل التناظري الرقمي في STM32 هو 0-3.3 فولت، فإننا نحتاج في هذه الحالة إلى دائرة أخذ العينات الموضحة في الشكل أدناه.في الشكل، يشكل المقاومان R1 وR2 دائرة مقسم جهد، حيث يحولان جهد الدخل من 0 إلى 5 فولت إلى نطاق جهد يتراوح تقريبًا من 0 إلى 3 فولت. يقوم مضخم العمليات اللاحق، الذي يعمل كمتابع جهد، بمطابقة المعاوقة، وعزل المستشعر عن وحدة أخذ عينات محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية (ADC)، وتقليل توهين الإشارة. ولمنع تلف دائرة وحدة ADC اللاحقة نتيجة الجهد الزائد أو السالب، تُضاف ثنائيات حماية من التيار الزائد إلى مصدر الطاقة والأرضي على التوالي، مما يضمن بقاء جهد دخل وحدة ADC ضمن النطاق من -0.7 فولت إلى 3.3 فولت + 0.7 فولت. في الوقت نفسه، وللحد من تأثير الضوضاء عالية التردد، يُضاف مرشح تمرير منخفض RC قبل أخذ عينات ADC. يجب اختيار تردد القطع لمرشح التمرير المنخفض وفقًا لعرض نطاق الإشارة. على سبيل المثال، إذا كان عرض نطاق الإشارة 100 هرتز، فيمكن ضبط تردد القطع على 100 هرتز أو أعلى قليلاً، مثل 1 كيلوهرتز. إذا كانت قيمة المقاومة R2 تساوي 1.5 كيلو أوم وقيمة المكثف C1 تساوي 100 نانوفاراد، فإن تردد القطع fc يساوي تقريبًا 1 كيلوهرتز. 

إذا تم التواصل بين وحدة الاستشعار ونظام المستخدم باستخدام بروتوكولات UART أو SPI أو IO، فإن مستوى جهد واجهة وحدة الاستشعار يكون عادةً 3.3 فولت، وكذلك مستوى جهد نظام المستخدم. في هذه الحالة، يكون الاتصال المباشر ممكنًا في أغلب الأحيان. مع ذلك، إذا كان مستوى جهد واجهة نظام المستخدم 1.8 فولت أو 5 فولت، فعند تفاعل الوحدة مع نظام المعالج الدقيق أحادي الشريحة لتبادل البيانات، قد يؤدي عدم تطابق مستويات الجهد بين الطرفين إلى فشل الاتصال، وتدفق عكسي للتيار، واستهلاك غير طبيعي للطاقة، واضطرابات في الجهد، وغيرها من المشاكل. ستتناول هذه المقالة عدة طرق شائعة لمطابقة مستويات الجهد، ويمكن للمستخدمين اختيار الطريقة الأنسب وفقًا لحالتهم.1. استخدم رقائق تحويل المستوىقم بتزويد جانبي شريحة التحويل بمصدرَي الطاقة اللازمين، ثم وصّل إشارات الإدخال والإخراج المطلوبة للتحويل بمدخلات ومخرجات الشريحة. تتم جميع عمليات التحويل داخليًا بواسطة الشريحة. يوضح الشكل التالي دائرة تحويل المستوى باستخدام SN74LVC2T45DCTR.تتميز هذه الخطة بسرعتها الفائقة، وقدرتها العالية على القيادة، وسهولة استخدامها. أما عيوبها فتتمثل في ارتفاع تكلفتها نسبياً.2. تحويل المستويات باستخدام MOSFETs أو الترانزستوراتكما هو موضح في الشكل أدناه، هذه دائرة تحويل مستوى ثنائية الاتجاه.لنبدأ بتحليل حالة إرسال البيانات من 3.3 فولت إلى 5 فولت. عندما يكون جهد طرف UART1_TX مرتفعًا، يكون الترانزستور MOSFET Q1 في حالة قطع، ويتم رفع جهد طرف UART2_RX إلى جهد التغذية الخاص به. وعندما يكون جهد طرف UART1_TX منخفضًا، يعمل الترانزستور MOSFET Q1، ويتم خفض جهد طرف UART2_RX إلى مستوى منخفض بواسطة Q1، وبذلك تكتمل عملية تحويل الجهد.ثانيًا، دعونا نحلل حالة إرسال البيانات من 5 فولت إلى 3.3 فولت. عندما يكون جهد طرف UART2_TX عاليًا، يكون كل من ترانزستور MOSFET Q2 وثنائي الجسم في حالة قطع، ويتم رفع جهد UART1_RX إلى مستوى عالٍ بواسطة المقاوم R3. عندما يُخرج UART2_TX جهدًا منخفضًا، لا يعمل ترانزستور MOSFET، لكن ثنائي الجسم الخاص به يخفض جهد UART1_RX إلى مستوى منخفض. عند هذه النقطة، يكون جهد Vgs أكبر من جهد التشغيل، فيعمل ترانزستور MOSFET، مما يؤدي إلى خفض جهد UART1_RX بشكل أكبر.يمكن أيضًا استبدال ترانزستورات MOSFET بترانزستورات أخرى.تتمثل ميزة هذا الحل في انخفاض تكلفته، بينما يتمثل عيبه في أن معدل نقل البيانات لا يمكن أن يتجاوز 400 كيلوبت في الثانية بشكل عام.3. استخدام المقاومات لتقسيم الجهد لتحويل المستوياتيستخدم هذا الحل نوعًا واحدًا فقط من المكونات - المقاومات، كما هو موضح في الشكل أدناه. عندما ترسل وحدة مستوى 3.3 فولت البيانات إلى اليمين، فإنها تمر فقط عبر مقاومة تحديد التيار، ويكون مستوى الإشارة عند طرف الاستقبال في العميل ضمن النطاق المحدد. أما عندما يرسل العميل مستوى 5 فولت البيانات إلى اليسار، فإنه يستخدم مقاومتين لتقسيم الجهد، ويكون الجهد عند طرف الاستقبال على اليسار 5 فولت × 2 كيلو أوم / (1 كيلو أوم + 2 كيلو أوم) ≈ 3.3 فولت.تتميز هذه الطريقة بتكلفتها المنخفضة للغاية وسهولة استخدامها في تصميم لوحات الدوائر المطبوعة. أما عيوبها فتتمثل في ضعف قدرتها على نقل البيانات بسرعة عالية، حيث لا تتجاوز سرعة نقل البيانات فيها عادةً 100 كيلوبت في الثانية.

1. مبدأ الاتصال RS422:(1) وضع تشغيل RS422: يدعم RS422 وضع الاتصال ثنائي الاتجاه الكامل، أي أنه يمكن إرسال البيانات في نفس الاتجاه في نفس الوقت، أي يتم استخدام زوجين من الخطوط التفاضلية للإرسال والاستقبال على التوالي، مما يحسن كفاءة ومرونة الاتصال.(2) مستوى الإشارة: يستخدم بروتوكول RS422 إشارة تفاضلية لنقل البيانات، أي خطي إشارة (أحدهما موجب والآخر سالب). يتميز هذا البروتوكول بقدرة عالية على مقاومة التداخل، ويتيح الاتصال لمسافات طويلة وبسرعات عالية. فيما يلي معيار مستوى الإشارة التفاضلية الخاص به:① جهاز الإرسال: عند إرسال المنطق "1"، يكون فرق الجهد بين الخط A والخط B من +2 فولت إلى +6 فولت؛ عند إرسال المنطق "0"، يكون فرق الجهد بين الخط A والخط B من -2 فولت إلى -6 فولت.٢- طرف الاستقبال: يمكنه التعرف على فروق الجهد المنخفضة حتى ±٢٠٠ مللي فولت. عندما يكون جهد الخط A أعلى من جهد الخط B بأكثر من ٢٠٠ مللي فولت، يتم التعرف عليه كمنطق "١"؛ وعندما يكون جهد الخط A أقل من جهد الخط B بأكثر من ٢٠٠ مللي فولت، يتم التعرف عليه كمنطق "٠".(3) مسافة الإرسال: عند معدل نقل بيانات يبلغ 115200 باود، تبلغ أقصى مسافة إرسال لبروتوكول RS485 عادةً حوالي 1200 متر. عادةً ما يكون معدل نقل البيانات متناسبًا عكسيًا مع مسافة الإرسال، ولكن قد تختلف المسافة الفعلية تبعًا للعوامل التالية:① جودة خط النقل: يمكن للزوج الملتوي المحمي عالي الجودة أن يقلل من توهين الإشارة والتداخل ويطيل مسافة الإرسال؛② التداخل الكهرومغناطيسي البيئي: البيئة ذات التداخل الكهرومغناطيسي القوي ستؤدي إلى تقصير مسافة الإرسال؛③ مقاومة مطابقة الأطراف: يمكن أن يؤدي تركيب مقاومة الأطراف بشكل صحيح (عادةً 120 أوم) إلى تقليل انعكاس الإشارة، وضمان سلامة الإشارة، وتحسين جودة الاتصال. إذا كانت هناك حاجة إلى مسافة أطول، ففكر في تقليل معدل نقل البيانات أو استخدام مُكرِّر إشارة.(4) سعة تحميل جهاز الإرسال: يمكن لمحرك RS422 واحد تشغيل ما يصل إلى 10 أجهزة استقبال.(5) طريقة توصيل مقاومة مطابقة الطرفية: يمكن توصيل RS422 بدون مقاومة مطابقة طرفية عندما تكون المسافة قصيرة (عادةً لا تتجاوز 300 متر). عند الاتصال عبر مسافات طويلة، يمكن توصيل مقاومة 120 أوم في نهاية طرف استقبال الإشارة كمقاومة طرفية. تعمل المقاومة الطرفية على امتصاص الموجات المنعكسة على الشبكة، مما يعزز قوة الإشارة بشكل فعال. (6)حماية دائرة RS422 وكبح التداخل: بشكل عام، يلزم توفير حماية ضد التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)، وحماية من التيار الزائد، وكبح الضوضاء ذات النمط المشترك. يوضح الشكل أدناه المبدأ الكهربائي: الحماية من الكهرباء الساكنة (ESD): قم بتوصيل ثنائيات TVS بالأرض على خطوط التفاضل A و B على التوالي لمنع التداخل الساكن إلى الدائرة اللاحقة وتلف المكونات.حماية الحد من التيار: قم بتوصيل مقاومة صغيرة على التوالي على خطوط التفاضل A و B لمنع خط الإشارة من حدوث قصر في الدائرة أو التيار الزائد من إتلاف شريحة الواجهة.كبح الضوضاء ذات النمط المشترك: يتم توصيل خانقات النمط المشترك L1 وL2 على التوالي على خطي التفاضل A وB لكبح تداخل النمط المشترك على الخط وتحسين قدرة النظام على مقاومة التداخل. يتراوح نطاق اختيار معاوقة محث النمط المشترك بين 120 أوم/100 ميجاهرتز و2200 أوم/100 ميجاهرتز، والقيمة النموذجية هي 1000 أوم/100 ميجاهرتز.يتم توصيل خطوط الإرسال والاستقبال التفاضلية A وB بالأرض، كما يتم توصيلها بمكثفات لتوفير مسار عودة منخفض المقاومة للتداخل، وذلك لكبح الضوضاء عالية التردد ذات النمط المشترك. يتراوح نطاق اختيار قيمة السعة بين 22 بيكوفاراد و1000 بيكوفاراد، والقيمة النموذجية هي 100 بيكوفاراد.2. احتياطات الاستخدام في الموقع:(1) لا يمكن توجيه خطوط إشارة RS422 مع خطوط الطاقة القوية، ويجب اتباع مبدأ فصل الطاقة الكهربائية القوية والضعيفة.(2) طريقة التوصيل الصحيحة لخطوط الإشارة وخطوط التأريض: يتم توصيل خطي A وB في طرف الإرسال بخطي A وB في طرف الاستقبال، ويجب توصيل خط التأريض أيضًا. يمكن أن يكون تأريض الإشارة زوجًا ملتويًا إضافيًا غير محمي أو طبقة الحماية لزوج ملتوٍ محمي. يجب تأريض ناقل RS422 بشكل موثوق عند نقطة واحدة فقط، أي لا يمكن أن يكون هناك سوى نقطة تأريض واحدة على ناقل RS422 بأكمله، وليس نقاطًا متعددة، لأن الغرض من التأريض هو الحفاظ على ثبات الجهد على سلك التأريض (عادةً ما يُستخدم السلك المحمي كسلك تأريض) لمنع التداخل ذي الوضع المشترك. في حال تأريض نقاط متعددة، فسيكون ذلك غير مُجدٍ.(3) يؤدي تداخل الإشارة إلى عدم استقرار الاتصال، والحلول: إذا انقطع الاتصال في الموقع أحيانًا، فقد يكون ذلك بسبب تداخل الإشارة، مما يؤثر على استمراريتها. يتطلب هذا استخدام كابلات زوجية مجدولة محمية للإرسال لمسافات طويلة، مع توصيل مقاومة مطابقة معاوقة 120 أوم بالتوازي عند طرف الاستقبال.(4) اختيار الكابل المحمي: اختر استخدام كابلات الزوج الملتوي المحمي من الفئة 5e العادية، أي كابلات الشبكة. 3. المشاكل الشائعة وحلولها في اتصالات RS422: مشكلةالسبب المحتملحلفشل في الاتصالخط خاطئتأكد من توصيل A+ و B- بشكل صحيح فقدان البياناتمسافة الإرسال طويلة جدًا أو معدل النقل مرتفع جدًاقم بتقليل معدل الباود أو استخدم مضخمًا مرحليًاتداخل شديد التداخل الكهرومغناطيسي استخدم زوجًا ملتويًا محميًا وتأكد من التأريض الجيد انعكاس الإشارةلا يوجد تطابق طرفيأضف 120Ω مقاومة طرفية في نهاية ناقل البياناتخلل في الاتصال بين الأجهزة المتعددةتجاوز الحد الأقصى لعدد أجهزة الاستقبالقلل عدد أجهزة الاستقبال الطرفية أو استخدم RS-485 بدلاً من ذلك