Analoge Spannungen an Digitaleingängen
Wir betrachten die Wirkung von Spannungen am Eingang von Gattern genauer.
Wir erinnern uns an das Praktikum Logikpegel und messen genauer.
Digital mag kein Analog
- Digitale Schaltungen erwarten digitale Spannungspegel am Eingang.
- Spannungspegel außerhalb der definierten Pegel sind nicht erlaubt.
- Spezielle Schaltungen können jedoch helfen.
Analoge Spannungen an digitalen Gattern
Was passiert, wenn eine analoge Spannung an den Eingang eines digitalen Gatters angelegt wird?
- Wenn die Eingangsspannung unter Uil liegt, ist der Wert 0
- Wenn die Eingangsspannung über Uih liegt, ist der Wert 1
- Und was passiert, wenn die Eingangsspannung zwischen Uil und Uih liegt?
Wir messen nach.
Mit einem Potentiometer stellen wir die Eingangsspannung eines Gatters des 74HC4050 ein und messen die Ausgangsspannung.
Wir verstellen das Potentiometer so lange, bis sich an den LEDs am Ausgang etwas ändert. Mit etwas Fingerspitzengefühl schaffen wir es, beide LEDs zum Leuchten zu bringen.
- Die Eingangsspannung liegt nun zwischen 2,3V und 2,4V.
- Die Ausgangsspannung liegt bei ca. 2,5V.
Die Werte hängen natürlich vom Exemplar des 74HC4050 ab.
Wir betreiben den Eingang des Gatters im grauen Bereich zwischen Uil und Uih. Am Ausgang sind dann keine eindeutigen Pegel zu erwarten.
Schwingungen am Ausgang
Schließen wir in Bild 2 einen Logikstift mit Impulserkennung an den Ausgang des 74HC4050 an.
Wenn die Eingangsspannung des 74HC4050 im grauen Bereich liegt, leuchten beide LEDs (LOW und HIGH) des Logikstifts. Insbesondere werden Impulse angezeigt.
Tatsächlich haben wir mehrere Effekte, die von der Eingangsspannung und dem untersuchten Exemplar abhängen:
- Am Ausgang liegen Impulse mit bis zu mehreren Megahertz.
- Der Ausgang kann zwischen Uol und Uoh, also zwischen 0 und 1, umschalten.
- Es können auch Schwingungen beliebiger, unbestimmter Pegeln auftreten.
- Die oben gemessenen 2,5V ergeben sich, wenn eine Schwingung zwischen Uol und Uoh auftritt und beide Pegel etwa gleich lang sind.
Verhalten von Logik-Technologien
HCMOS
Ersetzen wir den 74HC4050 in Bild 2 durch einen 74HC4049.
Das Ergebnis ist ähnlich wie beim 74HC4050: Schwingungen.
Betreiben wir den 74HC4050 an 3,3V, treten ebenfalls zu Schwingungen auf.
Alle High-Speed-CMOS-Bausteine 74HC, 74HCT, 74LVT usw. neigen zu Schwingungen, wenn Eingangsspannungen zwischen Uil und Uih anliegen.
CMOS
Ersetzen wir den 74HC4050 in Bild 2 durch einen CMOS 4050.
Bei einer Eingangsspannung von ca. 2,8V leuchten beide LEDs. Die Ausgangsspannung kann auf verschiedene Werte eingestellt werden, aber es treten keine Schwingungen auf.
TTL
TTL-Bausteine geben bei Eingangsspannungen zwischen Uil und Uih undefinierte Pegel zwischen Uol und Uoh aus, schwingen jedoch nicht.
Fatale Spannungen
Eingangsspannungen mit Pegel im Bereich von Uil und Uih können fatale Auswirkungen auf Digitalschaltungen haben:
- Unerwartete Zustände
- Unerwartete Schwingungen
Auswege
Das Problem unzulässiger Eingangsspannungen wird durch Regeln gelöst.
Regeln
Die Hersteller digitaler Bauelemente fordern,
- dass die Eingangsspannung immer kleiner als Uil (0) oder größer als Uih (1) sein muss.
- Analoge Eingangsspannungen sind nicht erlaubt!
- Die Umschaltung muss sehr schnell zu erfolgen
- Bei HCMOS wird z.B. gefordert, dass die Umschaltung in weniger als 1µs erfolgt.
Schmitt-Trigger
Bei nicht eindeutig definierten Eingangs-Pegeln Schmitt-Trigger-Schaltungen verwenden.
Schmitt-Trigger
Für Eingangsspannungen mit unsauberen Pegeln steht die Schmitt-Trigger-Schaltung zur Verfügung. (Siehe Schmitt-Trigger-Verhalten.)
- Sie schaltet auf 1, wenn die Eingangsspannung größer als Uref + Ud und
- sie schaltet auf 0, wenn die Eingangsspannung kleiner Uref - Ud ist.
Die Schaltung in Bild 3 unterscheidet sich nicht wesentlich von der in Bild 2. Nur die Widerstände Rr und Rm wurden hinzugefügt.
Der Ausgang des Gatters sei 0 also 0V. Die Spannung am Eingang des Gatters ist dann etwas kleiner als Uein, weil der Strom durch Rm und Rr nach 0V eine Spannung an Rm erzeugt.
Wird Uein so weit erhöht, dass das Gatter eine Spannung von mehr als 0V ausgibt, so sinkt auch die Spannung an Rm. Die Spannung am Eingang des Gatters steigt etwas an und das Gatter gibt eine noch höhere Spannung aus und ... Das Gatter schaltet plötzlich von 0 auf 1.
Jetzt ist die Spannung am Eingang des Gatters etwas höher als Uein, weil der Strom von 5V durch Rr und Rm fließt und eine Spannung an Rm erzeugt.
Die Spannung Uein muss nun so weit abgesenkt werden, dass das Gatter eine Spannung etwas weniger als 5V abgibt. Dann schaltet das Gatter schlagartig auf 0.
Regeln Schmitt-Trigger mit 4050
Bei einem Schmitt-Trigger darf sich die Eingangsspannung Uein langsam ändern.
Der Schmitt-Trigger liefert
- am oberen Umschaltpunkt Uh der Eingangsspannung HIGH, eine 1
- am unteren Umschaltpunkt Ul der Eingangsspannung LOW, eine 0
Die Spannungsdifferenz Ud zwischen dem oberen und dem unteren Umschaltpunkt wird Hysterese genannt. Sie beträgt etwa:
Ud = Uh - Ul Ud = Uv * Rm / Rr Ud = 5V * 470Ω / 12000Ω Ud = 0,2V
Die Spannung, bei der die Umschaltung erfolgt, ist bei HCMOS und CMOS von der Versorgungsspannung Uv abhängig:
- Sie beträgt etwa Uv / 2
- Mit dieser Schaltung können Schwingungen am Ausgang eines 74HC4050 auch bei langsam ansteigender Eingangsspannung vermieden werden.
- Wenn auch hohe Frequenzen verarbeitet werden, sollte der Widerstand Rm mit einem Kondensator von 47pF überbrückt werden.
- Die Schaltung funktioniert auch mit einem CMOS 4050.
- Die Schaltung funktioniert nicht mit einem Inverter 74HC4049 oder einem 74HC00 NAND-Gatter.
- Der 74HC14 enthält 6 invertierende Schmitt-Trigger.
Anmerkung:
In Bild 3 weicht die gemessene Hysterese Ud von der berechneten Hysterese ab, da auch das Poti R1 berücksichtigt werden muss.