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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Stromsparende Pegelanpassung am Digitaleingang?


Autor: Klaus W. (Firma: privat) (texmex)
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Hallo!

Nachdem mir nun im Forum schon wertvolle Hilfen für die Auswahl der 
Prozessorachitektur gegeben wurden, wird es jetzt etwas konkreter.

Der Prozessor (AVRtiny26) soll in einer Schaltung für's Kfz einige 
(digitale) Signale verarbeiten. Leider ist deren Beschaffenheit noch gar 
nicht genau bekannt. Also z.B. ob low- oder high- aktiv, ob "auf der 
anderen Seite" ein open-collector Ausgang oder ähnliches seinen Dienst 
verrichtet, ob tristate usw... Die Eingangsbeschaltung sollte also 
einigermaßen universell sein.

An sich wäre das sicher nicht schwierig. Am liebsten würde ich einen 
quad-op-amp nehmen, als komparator mit passender Schaltschwelle und ein 
bischen Hysterese.

Problem ist: Die Schaltung soll möglichst stromsparend sein. Und wenn 
dann ein paar Eingänge mehr Strom brauchen als der ganze Prozessor, wäre 
das natürlich blöd. Der interne Komparator ist ja nebenbei bemerkt 
ziemlich stromhungrig so wie ich sehe....

Voraussetzung für die Op-Amp Lösung wäre also schon mal ein low-power 
Amp, 4-fach im Dip-Gehäuse usw... Wenn's sowas gibt, dann sicher wieder 
nicht für mich :-). Also teuer, nur große Stückzahlen usw.

Vielleicht ist das aber auch gar nicht nötig und man könnte es direkt 
mit den Prozessoreingängen lösen. Beliebig hochohmig kann ich den 
Eingang sowieso nicht machen, weil sie ggf. auch offen einen definierten 
Zustand haben sollen. Andererseits sollte die Ruhestromaufnahme 
möglichst niedrig sein, auch bei ungünstiger Beschaltung.

Also mir schwebt das ungefähr so vor:

 o---XXXX---+----/\/\/---+----+------|Portx
       L    |      R1    |    |      |
            |            |    \      | ATtiny
           === C1    C2 ===   / R2   |
            |            |    \      |
            |            |    |      |
            -------------+----+--+   |
                                 |   |
                                GND  |

Das ganze darf sehr langsam sein, für Signale im Sekundenbereich. D.h. 
die Kondensatoren können so groß sein, daß sich auch bei sehr 
hochohmigen Spannungsteilern ausreichende Störsicherheit ergeben könnte.

Den Eingangswiderstand stelle ich mir irgendwo im Megaohmbereich vor. 
Einige µA Ruhestrom pro Eingang wären akzeptabel.

NUN, DIE EIGENTLICHE FRAGE:
Wie ist das genaue statische Verhalten eines als Eingang geschalteten 
Portpins an so einem AVR controller wie z.b. dem Tiny26? Und gibt es 
evtl. eine Ersatzschaltung als Modell?

Auf Seite 128 der ChipDoku steht Input Leakage Current von 1µA für "pin 
low" als auch für "pin high". Bedeutet das die Eingangsimpedanz liegt 
bei etwa 2,5MOhm? (2,5V/1E-6A) mal so pi mal Daumen?
Also z.B. so:

   |
  -|---\/\/\/-------+
   |   Ri=2,5E6Ohm  |
   |                O 2,5V
   | Attiny         |
   |               GND

Ich vermute eigentlich dass das Verhalten des Eingangs doch etwas 
komplexer ist.

Nach den Diagrammen auf Seite 152/153 liegt die Schaltschwelle um die 
1,5 V mit geringer Hysterese. Zielschaltschwelle könnte entweder 3V oder 
6V sein. Um nun R1 und R2 für so hochohmige Bedingungen passend 
berechnen zu können, wäre es schon wichtig zu wissen, wie sich der Port 
am Prozessor genau verhält.

Oder hat jemand eine GANZ andere Idee, wie man sowas lösten könnte?


Vielen Dank und viele Grüße!
Klaus

Autor: Klaus W. (Firma: privat) (texmex)
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Klaus W. wrote:


> Oder hat jemand eine GANZ andere Idee, wie man sowas lösten könnte?

Hm, 74HC4050 sieht ganz nett aus. Bischen ungünstige Pinbelegung, aber 
man kann nicht alles haben...

Autor: Andreas K. (a-k)
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Als Eingangsstrom ist das angegeben, was produktionstechnisch und/oder 
gemessen maximal auftreten kann. Er wird in der Praxis meist um 
Grössenordnungen kleiner sein. Als Teil einer Pegelanpassung ist er 
damit völlig ungeeignet.

Die Schaltschwelle von CMOS liegt i.d.R. ungefähr in der Mitte zwischen 
Vcc und GND (Ausnahme: 74HCT). Das gilt auch für einen bei 5V 
arbeitenden '4050 - der unterschiedet sich ja nur in der anders 
aufgebauten Schutzbeschaltung.

Eine höhere Schaltschwelle erreichst du beispielsweise mit einem CD40106 
Schmitt-Trigger bei (nom) 12V gefolgt von einem '4049 als Pegelwandler 
bei 5V.

Unabhängig von der Schaltschwelle und der Versorgungsspannung der 
Bausteine ist im KFZ auf Schutzbeschaltung von Vcc/Vdd und Eingängen zu 
achten.

Edit: 4049 statt 4050, für nichtinvertierenden Eingang.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Apropos Schaltschwelle: Wenn ein Eingang keine definierte 
Schmitt-Trigger Eigenschaft hat, dann hat er wirklich keine, und 
insbesondere keine Hysterese. Damit beziehe ich mit auf den 74HC4050, 
der bei langsamer Pegeländerung im Grenzbereich leicht Unfug produzieren 
kann. Weniger Ärger macht dann der CD4049UB ("U" für unbuffered).

Diesem Unfug eines '4050 müsste man zwar per Rückkopplung abhelfen 
können, aber ein echter Schmitt-Trigger ist wohl sinnvoller.

Autor: Klaus W. (Firma: privat) (texmex)
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Vielen Dank für die Antwort!

Andreas Kaiser wrote:
> Als Eingangsstrom ist das angegeben, was produktionstechnisch und/oder
> gemessen maximal auftreten kann. Er wird in der Praxis meist um
> Grössenordnungen kleiner sein. Als Teil einer Pegelanpassung ist er
> damit völlig ungeeignet.

Da hast Du natürlich recht! Ich wollte ihn aber auch nicht ausnutzen, 
sondern habe mich nur gefragt, wie hochohmig mein Spannungsteiler sein 
darf, bevor ich den Eingangsstrom berücksichtigen muss.

Was die Hysterese angeht, ist im Datenblatt von dem AVR eine 
Hysteresekurve abgedruckt U_hyst(U_vcc). Wie ernst zu nehmen die ist, 
weiß ich nicht. Spielt aber in meinem Fall auch keine Rolle. Ich kann 
evtl. entstehenden Unsinn im Bereich der Schaltschwelle per Software 
eliminieren.

> arbeitenden '4050 - der unterschiedet sich ja nur in der anders
> aufgebauten Schutzbeschaltung.
Das stimmt! Was eben auch zu einem geringeren Leckstrom im Bereich von 
Uin=12V führt. Mit einem Spannungsteiler (2x5MOhm o.ä.) wäre die 
Schaltschwelle dann schon ok. Aber wenn ich die Eingänge des Prozessors 
als hochohmig genug annehmen kann, ist der Pegelwandler eigentlich 
unnütz. Denn genaugenommen wandelt der nicht den Pegel sondern nur die 
zulässige Maximalspannung, wie Du ja auch schon angemerkt hast. Und das 
bekomme ich dann auch mit einem entsprechend dimensionierten 
Spannungsteiler hin.

> Unabhängig von der Schaltschwelle und der Versorgungsspannung der
> Bausteine ist im KFZ auf Schutzbeschaltung von Vcc/Vdd und Eingängen zu
> achten.
Meinst du bei 5-10 MOhm Eingangswiderstand ist da großartig was nötig?
Ok, Versorgung natürlich schon. Ich dachte da an so Transil-Dioden, 
bischen L, C, Fuse usw...

Viele Grüße!
Klaus

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