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異なるGNDレベル間でI2C その6

異なるGNDレベル間でI2C その5では、pcm1723さんに教えていただいた汎用フォトカプラを高速化する方法を利用した絶縁双方向インターフェースの設計とシミュレーションをしました。

今回は、この回路をブレッドボード上に試作し、動作の確認をしました。その結果10kHzの矩形波に対して、実用に足ると考えられるという結論に至りました。
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カレントミラー版の実装


これまで、異なるGNDレベル間でI2C その1その2その3その4とフォトカプラを用いた絶縁双方向インターフェースについての設計・試作を行ってきました。そして、その4の高速フォトカプラを用いた回路で、I2C高速モードに相当する400kHzの矩形波に対して十分に高速な応答を得られたため、一応の完成形を見たということにしました。

一方で、このときに使った高速フォトカプラTLP552は、電源電圧に5Vを要求することや汎用フォトカプラに比べて高価であることなどの問題点も持っています。
そこで、10kHz程度の周波数で動作する汎用フォトカプラを利用した絶縁双方向インターフェースの設計を行うことにしました。この回路にはpcm1723さんに教えていただいた汎用フォトカプラを高速化する方法を用いました。そのシミュレーション結果が、異なるGNDレベル間でI2C その5です。
このエントリでは、ブレッドボード上に試作した回路の特性を測定します。

実験条件


回路の外観と回路図を以下に示します。


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fig.1: カレントミラー版回路の外観

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fig.2: 回路図


波形・周波数測定にはPDS5022Sを用いました。
電源は送信側・受信側を共通にし、電源電圧は5Vとしました。電源装置は安物のスイッチング電源です。

10kHzでの結果



003_20081229225116.png

004_20081229225126.png
fig.3,4: 10us/div 1V/div


fig.3,4が10kHz時の結果です。赤のライン(CH1)が送信側で橙のライン(CH2)が受信側です。

100kHzでの結果



005_20081229225132.png

006_20081229225136.png
fig.5,6: 2.5us/div 1V/div


fig.5,6が100kHz時の結果です。赤のライン(CH1)が送信側で橙のライン(CH2)が受信側です。
大分うねうねしています。


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008_20081229225148.png
fig.6,7: 1us/div 1V/div


時間軸方向に拡大してみました。

結論


10kHzでも多少の遅延・波形なまりが起こっていますが、その3の回路の測定波形と比べると、はるかに改善されています。

一方100kHzのほうはやはり実用には耐えそうにありません。

参考文献/使用機器



tag: インターフェース I2C 絶縁 フォトカプラ PC817C カレントミラー ISO-I2C ブレッドボード 

異なるGNDレベル間でI2C その4

絶縁双方向インターフェースの高速化として、I2C高速モードである400kHzでの通信を目標として、異なるGNDレベル間でI2C その1その2その3と続けて、設計・試作を行ってきました。
今回は、その2で設計したTLP552を用いた高速版回路の試作を行い、400kHzまでの動作を確認しました。

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低速版の問題点


異なるGNDレベル間でI2C その3では、その1で設計した汎用フォトカプラを用いた低速版双方向絶縁インターフェース回路をブレッドボード上に試作し、その特性を測定しました。
その結果、シミュレーションから得られたものよりも性能で劣るため、実用は難しいだろうということが分かりました。
この低速版回路の問題点は以下の二つです。


  • 立ち上がりの遅さ

  • フォトトランジスタのドライブの力不足



信号の立ち上がりの遅さは、その1のシミュレーションから明らかでした。そして、この問題に対する解答が高速フォトカプラTLP552を用いるというものでした。詳しくは、その2を参照してください。

一方TLP552のドライブ能力は、出力電流Io=50mAと十分です。以下の絶対最大定格の表はTLP552のデータシートからの引用です。


001_20081207205808.png
fig.1: TLP552の絶対最大定格


測定


試作した回路の外観をfig.2に示します。fig.3が回路図です。


002_20081207205817.jpg
fig.2: 高速版絶縁双方向インターフェース試験回路

003_20081207205822.png
fig.3: 回路図


クロック周波数は、約100kHzと約400kHzを試しました。
電源は、両側で共通とし電源電圧は5Vです。電源装置には、安物のスイッチング電源を使いました。
測定にはPDS5022Sを用いました。

100kHz


以下に約100kHzの時の波形を示します。赤のラインが送信側の波形で、橙のラインが受信側です。
100kHzはI2C低速モードのクロックに相当します。


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fig.4

005_20081207205834.png
fig.5


立ち上がりに多少のなまりが見られるのと、受信側の"L"レベル出力の電圧が1SS108のVf分高くなっていますが、かなり綺麗な波形です。

400kHz


次に約400kHzの時の波形を示します。同様に赤のラインが送信側、橙が受信側です。
400kHzはI2C高速モードのクロックに相当します。


006_20081207205840.png
fig.6

007_20081207205846.png
fig.7


なまりと送受信間の遅延が見られますが、実用レベルだと思います。

参考文献/使用機器



tag: I2C 絶縁 フォトカプラ TLP552 インターフェース ISO-I2C ブレッドボード 

異なるGNDレベル間でI2C その3

異なるGNDレベル間でI2C その1で考えた低速版の回路をブレッドボード上で試作し、性能を測定しました。その結果、10kHzでもシミュレータから得られた結果よりも性能が劣り、実用は難しそうだということが分かりました。
実用を考えると、異なるGNDレベル間でI2C その2の高速版のほうがよいと思います。

今回は、低速版の実測結果について書きます。

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異なるGNDレベル間でI2C その1では、I2Cなどの双方向シリアル通信を、絶縁された回路間で行うためのアイソレータを汎用フォトカプラを使って実現する方法を考えました。LTspiceによるシミュレーション結果によると、送信クロックが10kHz程度までなら、波形がなまるながらも動作するという結果が得られました。
今回は汎用フォトカプラPC817Cを用いた低速版の回路に関して、ブレッドボード上で試作したものの特性を測定しました。

回路



001_20081206032741.png
fig.1: 低速版試験回路


試験回路は、異なるGNDレベル間でI2C その1でシミュレーションした回路を基本に一部パラメータを変更しました。
送信クロック源は、LMC555を用いた50%デューティー・サイクル・オシレータとしました。発振周波数は約10kHzです。

測定条件


波形・周波数測定にはPDS5022Sを用いました。
電源は送信側・受信側を共通にし、電源電圧は5Vとしました。電源装置は安物のスイッチング電源です。

結果



002_20081206032748.png
fig.2: 赤が送信側,橙が受信側の波形

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fig.3: 11.1kHz,4.9Vpp


fig.2,3がオシロスコープで測定した波形です。赤のラインが送信側、橙のラインが受信側です。

考察・その他



001_20081115162753.png
fig.4: シミュレーションした回路

002_20081115162815.png
fig.5: シミュレーション結果の波形


異なるGNDレベル間でI2C その1でのシミュレーション結果をfig.4,5に示します。今回実測した波形は、シミュレーションよりはるかになまっています。このシミュレーション時の回路と実測した回路の抵抗R2,R3の値が異なっているのは、実測する際に波形が一番まともに見えるようにパラメータを調節した結果です。

R2,R3の値を大きくするほど、受信波形の立ち上がりが早くなるという点で有利です。その一方で、受信側の"L"レベルの電圧が上がります。これはフォトトランジスタのドライブ能力に起因するものだと考えられます。

今回実際に製作したほうのパラメータでもシミュレーションをしました。

004_20081206032825.png
fig.6: 実測した回路

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fig.7: シミュレーション結果


PC817Cの代わりに、手元にあったTLP521でも実測してみましたが、傾向はほぼ同じでした。
抵抗のパラメータを変更することや、フォトカプラを選別することでより高周波で動作させることができないかとも思いましたが、望みは薄そうです。やはり、TLP552を用いた高速版の方が現実的なようです。

参考文献/使用機器



tag: I2C 絶縁 フォトカプラ PC817C TLP521 インターフェース  ISO-I2C ブレッドボード 

7LED順次点灯回路

LEDがボタンを押すたびに1灯→2灯→3灯→・・・と点灯する回路を実際にブレッドボード上に製作しました。




動画を撮るに際して、自分の指でタクトスイッチをカチカチ押すのもアレなので、タイマー555で発振回路を組みました。



基本はLEDがボタンを押すたびに1灯→2灯→3灯→・・・と点灯する回路と変わりませんが、LMC555まで含めた回路図を描きました。




tag: LED ブレッドボード 標準ロジック 

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