Mikrokontroler - PRAWIDŁOWE ZASILANIE

Witam,

Tym razem chciałbym się zająć tematem, który wraca jak bumerang. Chodzi mianowicie o prawidłowe zasilanie mikrokontrolera. Wbrew pozorom jest to z jednej strony bardzo proste ale z drugiej strony trudne. Tyle że bardziej trudne do wytłumaczenia tak zdalnie. Bo jak już ktoś raz zaskoczy, to później nie popełnia już tych samych błędów. Można się ich pozbyć szybko gdy się zrozumie podstawy. Niestety, "zaprojektowanie prawidłowego zasilania" często graniczy z cudem wśród początkujących ale czemu się dziwić, skoro nie tylko mnóstwo kocich źródeł w internecie ale także nawet o (zgrozo) książek szerzy mega bzdurne podejście do tego tematu. Nie będę tu podawał linków do "dziwnych" stron w internecie (a jest ich mnóstwo - tych złych) ani tytułów książek co niektórych. Ale jeśli spotkasz się gdzieś z takim schematem podłączenia mikrokontrolera w celu np przetestowania migania diodą czy diodami LED  jak niżej - to spluń przez lewe ramię, uciekaj gdzie pieprz rośnie z takiego źródła.... Niestety gdy spotykamy się z takimi schematmi w książkach - to już niestety następuje czasem totalne osłupienie ale i ogłupienie .... trudno się dziwić ... bo często gdy ktoś zobaczy coś w książce to uznaje to za świętość. I nie ważne, że noty PDF mówią co innego .... przykre ale prawdziwe. Spójrz zatem na poniższy rysunek:

Uwaga! update - gdy przeczytasz ten artykuł to koniecznie zobacz jeszcze tutaj:

Filtrowanie zasilania - dlaczego tak ważne !?!

Oceń sam. To jest podchwytliwe i prowokacyjne pytanie oczywiście. Prawdą jest także to, że w internecie ale także w wielu książkach mamy do czynienia z prawidłowymi schematami, nie wiedzieć jednak czemu, spora część początkujących musi akurat nadziać się na takie bzdety jak powyżej. Co więcej, później powielają te błędy i zastanawiają się skąd się biorą zakłócenia? dlaczego procesor się sam resetuje? dlaczego układ nie działa zgodnie z zamierzeniami itd....

Jeśli zaś dostrzegasz błędy to zanim spojrzysz na rysunek poniżej, spróbuj odpowiedzieć sam sobie ile błędów widzisz ? I porównaj z tym co ja pokażę:

Zobacz - ja doliczyłem się aż 5 błędów. I co więcej są to kardynalne błędy. Związane nie tylko bezpośrednio z zasilaniem albo jego brakiem, ale także z tym jak podłączane są obciążenia do pinów w postaci diod LED (bez rezystorów !!!) SZOK !!! Nigdy tak nie rób. Dlaczego ? Spróbujmy przyjrzeć się każdemu z błędów po kolei:

1. Brak rezystora podciągającego pin RESET do VCC - to może najmniej istotny błąd i najmniej związany z prawidłowy zasilaniem. Ale wbrew pozorom ma coś wspólnego z tym złym zasilaniem szczególnie. Jeśli bowiem w wyniku złego zasilania - a to niewątpliwie jest tragiczne zasilanie (o czym za chwilę) to dojdzie do większych skoków/wahnięć napięcia to bez tego rezystora - najszybciej dojdzie do niekontrolowanych resetów procesora, albo tzw. efektu "PALUCHA" bo niektórzy lubią macać procesor palcami i ze zdziwieniem patrzą, że on się wtedy resetuje jak za sprawą czarów. Proszę bardzo, brak tego rezystora może być jednym z głównych czynników magicznego efektu palucha ale i wielu innych mniej przyjemnych zachowań układu w trakcie pracy.

3. Brak filtrowania zasilania. Brak zrozumienia tego faktu jest NAJGORSZYM i najczęstszym powodem problemów wśród początkujących. Bardzo często nie zdają sobie sprawy z tego, że słowo filtracja zasilania przed zakłóceniami nie oznacza eliminacji TYLKO tych zakłóceń zewnętrznych !!!! Panowie zapamiętajcie sobie RAZ NA ZAWSZE, że źródłem zakłóceń szczególnie w układach cyfrowych są same układy cyfrowe. Każdy układ scalony jest generatorem zakłóceń na linii VCC i to nie tylko dla samego siebie ale i dla sąsiadujących scalaków. Jeśli pierwszy raz o tym słyszycie to pewnie budzi to zdziwienie. Tymczasem to całkiem naturalna rzecz. I to dlatego zawsze powtarzam, że jeśli mowa o prawidłowym filtrowaniu zasilania to oznacza, że musimy filtrować każde nogi zasilające każdego scalaka jako źródło w zakłóceń. A filtrujemy to zasilanie nie tylko na potrzeby sąsiednich układów scalonych ale także dla nich samych.

Dlatego coś takiego jak PARA KONDENSATORÓW - 1 kondesnator elektrolityczny od 1uF do 47uF ale co ważniejsze także 1 kondensator ceramiczny 100nF !!! ----> powinno wam utkwić w pamięci NA ZAWSZE. Nigdy nie można próbować oszczędzać na tych kondensatorach.

Ważniejsze jednak od samego faktu, że te kondensatory MUSZĄ być w układzie, jest to jak zostaną rozmieszczone na płycie PCB. I tu często na nic się zdaje to, że napisane jest wszędzie, i ja przypominam że kondensatory te (ta para) musi być umieszczona jak najbliżej pinów zasilających, ponieważ określenie "jak najbliżej" jest względne. I dla każdego może znaczyć coś innego. Poza tym wiąże się z tym jeszcze szczególny sposób prowadzenia ścieżek zasilania VCC ale także samej masy. Temat ten jest nieco bardziej obszerny i poruszę go w oddzielnym artykule wkrótce.

Teraz jeszcze przypomnę dwie rzeczy. Jeśli stosujemy np stabilizatory zasilania typu 7805 lub podobne, to proszę je także traktować jak układy scalone, które na każdym pinie zasilania wymagają pary kondensatorów filtrujących. To nic, że jedna para jest już narysowana przy mikrokontrolerze na schemacie. Pamiętać jednak należy że taki stabilizator ma niejako dwie nogi zasilania - dlatego właśnie wymaga dwóch par, jednej na wejściu a drugiej na wyjściu.

Kolejna rzecz, nawet jeśli pod ręką nie masz akurat kondensatora elektrolitycznego o podanych wyżej wartościach to NIGDY NIE MOŻE CI ZABRAKNĄĆ kondensatorów ceramicznych 100nF. Tych powinieneś mieć zawsze pełno pod rąką, to one są podstawą jeśli chodzi o odsprzęganie zasilania.

Na koniec jeszcze jedna uwaga, jeśli stosujesz procesory w obudowach TQFP to zapewne zwróciłeś uwagę, że poza AVCC posiadają one kilka dodatkowych wejść VCC. UWAGA! każde z nich musi być nie tylko koniecznie podłączone do zasilania tak jak każdy pin GND - to bezwzględnie. Ale gdybyś chciał być bardzo skrupulatny to powinieneś także przy każdym z tych pinów podłączyć przynajmniej po jednym kondensatorze ceramicznym 100nF. Proszę bardzo zgodnie zresztą z zaleceniami producentów:

2 i 4. Brak zasilania na pozostałych pinach zasilania mikrokontrolera. Otóż wiele osób na podstawie takich durnych schematów, później niefrasobliwie uznaje, że podłączanie wszystkich nóżek VCC lub AVCC czy też GND oraz AGND do zasilania jest zbędne - ponieważ i bez tego przecież procesor działa. To jest jeden z największych grzechów, który pokutuje później długo - zanim ktoś sobie w końcu uświadomi, że od lat robi takie bzdury. Dlaczego tak ostro mówię, że to BZDURY? Ano dlatego, że każda! absolutnie każda nóżka zasilania mikrokontrolera MUSI BYĆ BEZWZGLĘDNIE podłączona! Nie może wisieć w powietrzu. I nie chodzi tutaj tylko o przekonanie. Mnie możecie nie wierzyć, bo to przecież tylko jedna z wielu stron internetowych, więc i ja mogę mówić nieprawdę ;) prawda ? Dlatego nie ufajcie także mnie - zawsze można pójść po rozum do głowy i zajrzeć do noty PDF swojego mikrokontrolera czy innego układu scalonego. Tymczasem wiele osób po naczytaniu się takich bzdurnych schematów, i szczątków informacji, twierdzi później że np AVCC nie trzeba podłączać, ponieważ to jest wymagane tylko wtedy gdy korzystamy z przetwornika analogowo-cyfrowego ADC. Niestety, te osoby nie zadały sobie trudu przeczytania noty PDF dowolnego procesora AVR, tymczasem tam jak BYK mają napisane, że napięcie z pinu AVCC owszem używane jest do zasilania przetwornika ADC ale nie TYLKO !!! .... Poza tym napięcie to służy także do zasilania części cyfrowej portu na którym wyprowadzone są końcówki ADC. Proszę bardzo poniżej cytat wprost z noty PDF .... możesz sam to sobie sprawdzić:

Wynika z tego czy chcesz czy nie chcesz, że mówię prawdę. Najgorsze jest jednak takie podejście, jakie prezentują niektóre osoby, gdy nawet po takich argumentach stwierdzają ze stoickim spokojem.

"to nie ważne, bo ja od dawna nie podłączam wszystkich nóżek zasilania gdy nie korzystam z ADC i wszystko mi działa poprawnie, więc to nie może być nagle w tym układzie powodem moich niepowodzeń"

Niestety to bardzo często spotykane teksty na forach internetowych. Ludzie nie zdają sobie sprawy, że to połączenie tych wszystkich punktów o których tu mówię ale także zły projekt zasilania na PCB jak i ścieżek na PCB dopiero łącznie dają efekty piorunująco kłopotliwe.

5. To co mnie najbardziej wkurza, gdy wciska się młodym ludziom, że diody LED podłącza się do mikrokontrolera bez rezystorów!!!  Nawet w jednej z książek, ktoś napisał, że procesory AVR posiadają zabezpieczenia przed przeciążeniem i dlatego można spokojnie podłączać w ten sposób diody. No nic gorszego nie można zrobić jak krzewić takie FANTASMAGORIE. Mikrokontrolery AVR nie posiadają żadnych zabezpieczeń, a wydajność prądowa pinów waha się w zależności od modelu procesora od 10mA do 30-40mA - czasem mniej czasem więcej. Trzeba czytać noty PDF jak zwykle - tam na wykresach jest wszystko pokazane a nie ma ani słowa o takich durnych zabezpieczeniach. No dobrze, ale zaraz zwolennicy tej teorii o rzekomych zabezpieczeniach zapytają, to jak to się dzieje, że ani dioda LED nie ulega uszkodzeniu przy zasilaniu procesora napięciem +5V ani też sam procesor czy pin do którego podłączona jest taka dioda LED. Otóż dzieje się tak dlatego, że bramki wyjściowe to tranzystory typu MOSFET, które jak wiadomo posiadają pewną rezystancję i zwykle to ona w pewnym zakresie chroni takie diody LED przed bezpośrednim uszkodzeniem. Ale czy to oznacza, że to jest celowe zabezpieczenie ? NIE. Co gorsze są jeszcze inne i to poważne skutki takiego niefrasobliwego podłączania diod LED bez rezystorów ograniczających ich prąd. Takim skutkiem są potworne zakłócenia na nogach zasilania procesora podczas przełączania takich diod za pomocą pinów w sposób programowy. Następuje wręcz burza na zasilaniu - i można to stosunkowo łatwo zaobserwować na oscyloskopie, przykładając sondę do nogi zasilania podczas gdy nawet jedna dioda LED radośnie sobie miga. Przygotowałem nawet takie małe obrazki z oscyloskopu. Wprawdzie analogowego ale dużo mówią i mam nadzieję, że utkną w twojej świadomości.

Oczywiście najpierw wyłączamy w oscyloskopie składową stałą, zmniejszamy czułość do ok 100mV i obserwujemy co się dzieje.

Pierwsze zdjęcie to zasilanie ze zwykłego popularnego stabilizatora liniowego zatkniętego w zwykłej płytce stykowej - UWAGA! bez żadnego filtrowania zasilania i bez wymaganych (w nocie PDF tego scalaka) kondensatorów ceramicznych na jego wejściu i wyjściu, zobacz sam co mamy na pinie VCC procesora:

Jak widzisz 100mV na działkę - zatem szumy na zasilaniu mają poziom prawie 500mV !!!.

Zatem dokładamy kondensator ceramiczny 100nF oraz elektrolityczny 47uF bezpośrednio przy pinach zasilania i teraz zobaczmy na wynik na oscyloskopie:

Proszę bardzo, szumy spadły do ok 100mV !!! Jest różnica ???? Widzisz sam. Jeśli te same kondensatory oddalę od pinów zasilania gdzieś po środku odległości pomiędzy stabilizatorem a procesorem to efekt jest z kolei jak niżej:

Mam nadzieję, że pomimo to iż nie jest to jakiś super testowy laboratoryjny układ, a wyniki nie są dokonywane oscyloskopem cyfrowym z pięknymi pomiarami itp - to widać, że filtracja jest bardzo istotnym elementem zasilania mikrokontrolera .

Dobrze teraz podłączmy do pinu diodę LED ale poprzez rezystor 240R. Napiszę prosty program, który spowoduje, że dioda ta będzie zmieniała swój stan co 5 lub 10ms. Spójrzmy na to co dzieje się na nodze VCC. Filtrowanie oczywiście włączone:

Specjalnie troszkę powiększyłem zdjęcie żebyś lepiej widział, że na zasilaniu VCC pojawiły się minimalne skoki napięcia dokładnie w takt migania diody LED.

Zatem wyjmujemy teraz rezystor ograniczający jej prąd i niech tam procesor jak to się mówi "daje na maxa", tyle prądu ile potrafi ;) ..... spójrzmy czy coś się zmieni na zasilaniu, które zaznaczam jest filtrowane!

Zdjęcie może nie wyszło najlepszej jakości, ale po prawej stronie na czerwono zaznaczyłem że podstawa czasu ustawiona jest na 5ms/działkę czyli zgodnie z czasem przełączania diody widzimy tym razem już dosyć potworne zakłócenia na zasilaniu. I proszę bardzo - skąd one pochodzą ? gdzieś z zewnątrz ? NIE !, gdzieś z sieci zasilającej ? NIE. Po prostu z mikrokontrolera !!!

Mam nadzieję, że ten ostatni obraz z oscyloskopu da odpowiedź na pytanie niektórych osób, które z bezsilności i chcąc pozbyć się zakłóceń wpadają na pomysł, zasilania układu z baterii. Mając nadzieję, że dzięki temu w cudowny sposób pozbędą się tych wszystkich niedobrych zakłóceń z sieci. A tu KLOPS !!! Nawet przy zasilaniu z baterii będzie taki sam albo nawet gorszy efekt, ponieważ bateryjka może mieć jeszcze mniejszą wydajność prądową.

Dlatego trzymaj się zdrowych zasad projektowania zasilania, filtrowania zasilania, nie oszczędzaj na kondensatorach filtrujących, nie narażaj pinów mikrokontrolera na zbyt duże obciążenia (np te diody LED bez rezystorów) .... a wtedy będzie DOBRZE ;) albo przynajmniej dużo lepiej, ponieważ jeszcze nie omówiliśmy zasad projektowania PCB i zasilania na PCB (ale o tym jak mówiłem w innym artykule na tym blogu będzie wkrótce).

Tymczasem spójrzmy jak NALEŻY w minimalny sposób zapewnić zasilanie dla mikrokontrolera gdy akurat nie korzystamy z przetwornika analogowo-cyfrowego ADC:

Mam nadzieję, że zapamiętasz ten schemat i nigdy nie będziesz powielał błędów, które opisałem wyżej. Teraz wiesz już lepiej z czym one się wiążą i jakie efekty nieprzyjemne mogą powodować.

Poniżej przedstawiam z kolei schemat minimalnego podłączenia i zasilania mikrokontrolera ale gdy korzystamy z przetwornika ADC:

Rysunki w wersjach do wydruku można pobrać stąd:

http://www.atnel.pl/download/poradniki/Zasilanie_uC_Podstawy.zip

Jak widzisz doszło nam dodatkowe filtrowanie zasilania podawanego na nogę AVCC. Użyliśmy w tym celu dławika o indukcyjności 10uH wraz z dodatkowym kondesnatorem 100nF podłączonym przy samej nóżce AVCC i AGND. Jest jednak jeszcze jedna rzecz o której muszę wspomnieć.

NIGDY nie podłączaj nogi AREF do VCC - bo z takim błędem też często spotkasz się na wielu schematach w internecie. To jest błąd. Wprawdzie to nie czas na omawianie ADC w mikrokontrolerze to jednak podpowiem, że gdyby zależało ci na tym aby wykorzystać napięcie VCC (zasilania) jako napięcie odniesienia to można tego i należy dokonać w sposób programowy a nie poprzez podłączenie tego pinu do VCC. Ten pin należy podłączyć do GND za pomocą także kondensatora ceramicznego 100nF. Po to aby zapewnić dodatkowe zewnętrzne filtrowanie wewnętrznego napięcia odniesienia.

Oczywiście można także do tego pinu AREF podłączać inne specjalizowane zewnętrzne źródła napięcia odniesienia - ale to omówimy sobie przy okazji spraw związanych z ADC w innym artykule.

Na zakończenie dodam, że w tych dwóch ostatnich schematach widzisz już rezystory ograniczające prąd dla diod LED i wiesz dobrze dlaczego muszą one być. Pozostaje tylko wyliczyć sobie ich wartości zgodnie z prostym prawem Ohma: I = U/R czyli nasza rezystancja R = U/I. Gdzie U = VCC - Spadek napięcia na diodzie LED.

Mam nadzieję, że tym skromnym i (zdaję sobie sprawę, że) uproszczonym opisem będę w stanie pomóc chociaż kilku osobom, które zaczynają swoją przygodę z mikrokontrolerami a nie mają jeszcze doświadczenia w elektronice.

-------------------------------------------------

Na koniec podam wam przykład z życia wzięty - dlaczego tak ważne są czasem szczególnie te kondensatory elektrolityczne ... , poczytajcie sobie ten wątek w całości 

http://forum.atnel.pl/post90700.html#p90700

warto, a mógłbym takich wątków wiele pokazać .... (tymczasem swego czasu przetoczyła się tu burza w dyskusji - gdzie atakowali mnie Śpece z elektrody próbujące wmawiać - że wystarczą same kondensatory ceramiczne 100nF. Zresztą podobne teorie o tym że elektrolitów nie trzeba, tzn tych par - głoszą także różne dziwne blogi .... więc polecam mieć czujność co i gdzie się czyta w internecie)