../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik


Wir betrachten das Verhalten Digitaler Bausteine bei analogen Eingangsspannungen.


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Analoge Spannungen an Digitaleingängen

Wir betrachten die Wirkung von Spannungen am Eingang von Gattern genauer.

Wir erinnern das Praktikum Logikpegel und messen genauer.

Logik-Pegel.png
Bild 1: Pegel der vier Logik-Technologien

Analoge Spannungen an digitalen Gattern

Was passiert, wenn eine analoge Spannung an den Eingang eines digitalen Gatters gelegt wird?

  • Wenn die Eingangsspannung unter Uil ist, ist der Wert 0
  • Wenn die Eingangsspannung über Uih ist, ist der Wert 1
  • Und was passiert, wenn die Eingangsspannung zwischen Uil und Uih liegt?

Wir messen nach.

Analog_DigitalEingang.png
Bild 2: Analoge Spannung an digitalem Eingang

Über ein Potentiometer stellen wir die Eingangsspannung eines Gatters des 74HC4050 ein und messen die Ausgangsspannung.

Wir verstellen das Potentiometer, bis sich an den LEDs am Ausgang etwas ändert. Mit etwas Fingerspitzengefühl schaffen wir es, beide LEDs zum Leuchten zu bringen.

  • Die Eingangsspannung liegt dann zwischen 2,3V und 2,4V.
  • Die Ausgangsspannung um 2,5V.

Die Werte hängen natürlich vom Exemplar des 74HC4050 ab.

Wir betreiben den Eingang des Gatters in in der grauen Zone zwischen Uil und Uih. Dann sind keine eindeutigen Pegel am Ausgang zu erwarten.

Schwingungen am Ausgang

Wenn wir einen Logikstift mit Impulserkennung anschließen, werden in der grauen Zone (beide LEDs leuchten) 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, schalten.
  • Es können auch Schwingungen mit beliebigen - unbestimmten Pegeln auftreten.
  • die oben gemessenen 2,5V ergeben sich, wenn eine Schwingung zwischen Uol und Uoh vorliegt und beide Pegel etwa gleich lang auftreten.

Verhalten von Logik-Technologien

H-CMOS

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, kommt es ebenso zu Schwingungen.

Alle High-Speed-CMOS-Bausteine 74HC, 74HCT, 74LVT usw. neigen zu Schwingungen, wenn Eingangsspannungen zwischen Uil und Uih auftreten.

CMOS

Ersetzen wir den 74HC4050 in Bild 2 durch einen CMOS 4050.

Bei einer Eingangsspannung um 2,8V leuchten beide LEDs. Die Ausgangsspannung kann auf verschiedene Werter eingestellt werden, aber es treten keine Schwingungen auf.

TTL

TTL-Bausteine geben bei Eingangsspannungen zwischen Uil und Uih nicht definierte Pegel im Bereich von Uol und Uoh ab, aber schwingen nicht.

Auswege

Die Problematik unerlaubter Eingangsspannungen wird durch Regeln angegangen.

Regeln

Die Hersteller digitaler Bauelemente verlangen,

  • dass die Eingangsspannung immer unter Uil (0) oder über Uih (1) liegt.
  • Es sind keine analogen Eingangsspannungen erlaubt!
  • Die Umschaltung hat sehr schnell zu erfolgen
  • Bei H-CMOS wird z.B. verlangt, dass unter 1µs umgeschaltet wird.

Schmitt-Trigger

Für Eingangsspannungen mit unsauberen Pegeln gibt es die Schmitt-Trigger-Schaltung. (Siehe Schmitt-Trigger-Verhalten.)

  • Sie schaltet auf 1, wenn die Eingangsspannung oberhalb Uref + Ud und
  • schaltet auf 0, wenn die Eingangsspannung unterhalb Uref - Ud liegt.
Schmitt-Trigger-Eingang.png
Bild 3: Schmitt-Trigger mit einem 74HC4050

Die Schaltung in Bild 3 unterscheidet sich nicht wesentlich von der in Bild 2. Es wurden die Widerstände Rr und Rm eingefügt.

Nehmen wir an, der Ausgang des Gatters sei 0 also 0V. Die Spannung am Eingang des Gatters ist dann etwas geringer als Uein, weil durch den Strom über Rm und Rr nach 0V eine Spannung an Rm abfällt.

Wird Uein soweit erhöht, dass das Gatter eine höhere Spannung als 0V abgibt, wird auch die Spannung an Rm geringer. Die Spannung am Eingang des Gatters erhöht sich etwas mehr und das Gatter gibt eine noch höhere Spannung ab und ... Das Gatter schaltet schlagartig von 0 auf 1.

Jetzt ist die Spannung am Eingang des Gatters etwas höher als Uein, weil durch den Strom von 5V über Rr und Rm fließt und eine Spannung an Rm erzeugt.

Die Spannung Uein muss jetzt soweit verringert werden, dass das Gatter eine etwas geringere Spannung als 5V abgibt. Dann schaltet es schlagartig auf 0.

Regeln Schmitt-Trigger mit 4050

Schmitt-Trigger-4050.png

Bei einem Schmitt-Trigger darf sich die Eingangsspannung Uein langsam verändern.

Der Schmitt-Trigger liefert

  • beim oberen Umschaltpunkt Uh der Eingangsspannung High, eine 1
  • beim unteren Umschaltpunkt Ul der Eingangsspannung Low, eine 0

Die Spannungsdifferenz Ud zwischen dem oberen und dem unteren Umschaltpunkt heißt Hysterese. 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 H-CMOS und CMOS von der Versorgungsspannung Uv abhängig:

  • Sie ist etwa Uv / 2
  • Mit dieser Schaltung können Schwingungen am Ausgang eines 74HC4050 auch dann vermieden werden, wenn die Eingangsspannung langsam ansteigt.
  • Wenn auch hohe Frequenzen verarbeitet werden, sollte der Widerstand Rm durch einen Kondensator von 47pF überbrückt werden.
  • Die Schaltung funktioniert auch mit einem CMOS 4050.
  • Die Schaltung funktioniert nicht mit einem 74HC4049 Inverter oder einem 74HC00 NAND-Gatter.
  • Der 74HC14 enthält 6 invertierende Schmitt-Trigger.

Anmerkung:
In Bild 3 weicht die gemessene Hysterese Ud von der berechneten ab, weil auch das Poti R1 berücksichtigt werden muss.