プロジェクトを構築するときに使用する マイクロコントローラ、 センサー、および通信モジュールを考慮してください。Arduino UnoやNanoなどの一部のボードは5Vで動作しますが、Arduino MKR WIFI 1010、ESP8266ベースのWemos D1 Mini、 Pro Microの1つのバリエーションなどの他のボードは3.3Vで動作します。
たとえば、HC-05 Bluetoothモジュールは3.3 Vで動作しますが、多くのセンサーは5 Vまたは3.3 Vのいずれかで動作できます。電圧分割器は信号タイプを混合する必要がある場合に役立ちますが、コンポーネントを使用してよりエレガントな方法で信号をシフトしたい場合はどうすればよいでしょうか。もちろん、その答えは、適切な名前の レベル シフターです。
レベルシフターは何をするのですか?
レベル シフターは、論理信号をあるレベルから別のレベルに変換します。通常、このシフトは5Vと3.3Vの間で行われますが、必要に応じて2.5Vや1.8Vなどの他の電圧を使用することもできます。注目すべき重要な仕様は次のとおりです。
- シフトによってどの程度の時間遅延が発生するか。
- 利用可能な電圧。
- シフトが一方向に行われるか、双方向で行われるか（必要に応じて信号が行き来可能）
今後の設計や実験で検討できるシフト ディバイダーをいくつか説明しましょう。
74LVC245による単方向レベルシフト
基本的なレベルシフタの1つは、 Texas Instruments の 74LVC245チップです。このシフターは、デバイスに電力を供給する電圧 (VCC) に応じて、最大5.5Vの入力からのロジック レベルを3.6V ～ 1.65Vに変換できます。方向制御 (DIR) ピンは、8つのAまたはB入力ピンまたは出力ピンの1つ以上から、チップの反対側にある対応するピンへのシフトの方向を選択します。
下の画像では、5Vがセンサー モジュールに電力を供給しているこのセットアップを確認できます。青色の出力はA3ピンに送られ、その後3.3Vレベルに設定されたピンB3に渡されます。注意すべき重要な点が2つあります。
1.Wemos D1ミニボードからチップのVCC ピン配置に供給される3.3Vによって出力レベルが決定され、回路のニーズに応じて理論的には1.65Vまで低下する可能性があります。
2.出力イネーブル (OE) ピンはグランドにプルダウンされ、DIRピンはVCC に接続され、AピンからBピンへのシフトが可能になります。
74LVC245の動作
シフターはセンサーからの5V出力をWemosボードへの3.3V信号に変換し、それに応じてLEDを点灯させます (簡単なサンプル プログラムに従って)。同時に、承認されていない電圧レベルによる機器の焼損の危険を回避します。データシートに記載されているように、3.3Vまたは5Vのデバイスは入力を駆動できるため、混合信号環境を一貫した出力電圧に変換できます。 この特定のチップは、信号を一方向にのみ渡します (DIRピンの状態に応じて、一度に1方向にのみ渡します)。そのため、両方向への変換を同時に行う必要がある場合は、別のソリューションが必要になります。
双方向レベルシフト
異なる電圧レベル間でデータをやり取りする必要がある場合は、いくつかのシフター オプションがあります。そのようなデバイスの1つが、 TI TXB0108 チップ です。このシフターは、74LVC245と同様に、AおよびB電圧レベル ピンのバンクを備えています。ただし、TXB0108にはDIRピンがありません。各入力と出力は、どちらの方向にも独立して自動的に信号を検出してシフトできるためです。
OEピンはデータ送信を有効または停止するために使用でき、V CCA とV CCB ピンは入力バンクと出力バンクの両方の電圧レベルを指定します。特に、V CCAの最大推奨電圧は3.6Vですが、V CCB 5.5Vです。最後に、VCCA はVCCBを超えるようには設計されていません。
BSS138ブレイクアウトが74LVC245に代わる。このブレークアウトを介してWemos D1 mini ESP8266ボードをアクティブ化するセンサー内のオブジェクトに注意してください。
TXB0108は多くのアプリケーションに最適ですが、データの転送に通常とは異なるプルアップ構成を使用するI2Cではうまく動作しません。この特定のジョブでは、代わりに10Kプルアップを備えた Adafruitの BSS138 MOSFETブレークアウト を使用することもできます。このボードには4つの双方向データ ラインがあり、このリストにある5Vを少し超える電圧で動作する他の2つのシフターとは異なり、このボードは最高10Vで動作します。従来のレベル シフター アプリケーションのほとんどは10Vを必要としませんが、ツールボックスにあるより「通常の」コンポーネントとうまくかみ合わない可能性がある奇妙なプロジェクトでは、これを念頭に置いておく必要があります。
レベルシフター: コンポーネントの連携を支援
すべてのコンポーネントが調整なしで他のすべてのデバイスとうまく動作すれば素晴らしいのですが、多くの状況ではレベルシフトが必要になります。これが単純な電圧分割器を意味するか、より洗練されたソリューションの1つを意味するかにかかわらず、さまざまな信号レベルのニーズを設計に組み込むことは可能ですが、追加のコンポーネントが1つまたは2つ必要になる場合があります。