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

Logikpegel messen

Wir entwickeln einen Logiktester, der die Logikpegel genau misst.

Zu nächst müssen wir entscheiden, was wir messen wollen. Die Pegel aus Sicht eines Logikausgangs oder aus der eines Eingangs.

Wie messen wir? Wir legen meistens den Messeingang an eine Verbindung zwischen einem Ausgang und Eingängen. Da macht es Sinn, den Logikpegel aus Sicht eines Eingangs zu messen.

Ein H liegt oberhalb Uih und ein L unterhalb Uil. Welche Werte denn, die für CMOS, TTL, ...?

CMOS messen

Beginnen wir mit CMOS. Da gilt Uih=0,7*Uv und Uil=0,25Uv.

Die Pegel hängen von der Versorgungsspannung Uv ab.

Technologie Uv Uil Uih
5V-CMOS 5V 1V 3,5V
3,3V-CMOS 3,3V 0,8V 2,3V

Tabelle 1: Spannungspegel von CMOS

Wie können wir die Pegel messen? Wir müssen nicht messen, sondern feststellen, ob Pegel unter- bzw. überschritten werden. Wir brauchen Komparatoren, die wir aus dem Praktikum Spannungen mit Operationsverstärker vergleichen kennen.

Wir benötigen zwei Komparatoren. Einer der prüft, ob Ui>Uih ist, ein anderer der Ui<Uil ist.

AnalogLogik-CMOS.png
Bild 1: Logiktester mit Komparatoren für CMOS

Die beiden Komparatoren in Bild 1 liefern ein L, wenn die obigen Bedingungen erfüllt sind. Sie invertieren also. Mit IC1A wird Ui mit Uih verglichen, mit IC1B Uil. Die Spannungen Uil und Uih werden über den Spannungsteiler R4, R5 und R6 gebildet: Aus der Versorgungsspannung abgeleitet. Der Spannungsteiler R1 und R2 stellt den offenen Eingang auf 0,5Uv.

TTL messen

Die Pegel von TTL und LVT passen zusammen. Sie sind nicht von der Versorgungsspannung abhängig.

Technologie Uv Uil Uih
5V-TTL 5V 0,8V 2,0V
3,3V-LVT 3,3V 0,8V 2,0V

Tabelle 1: Spannungspegel von TTL und LVT

Im Prinzip können wir die Schaltung für CMOS in Bild 1 verwenden. Wir müssen jedoch andere Spannungspegel einstellen und sie müssen unabhängig von der Versorgungsspannung sein. Diese Referenzspannung können wir beispielsweise mit eine Z-Diode herstellen. Eine Z-Diode um 2V ist ziemlich ungenau. Besser ist eine Referenzspannungsquelle.

AnalogLogik-TTL.png
Bild 2: Logiktester mit Komparatoren für TTL

Die TL431 liefert 2,495V (2,44V bis 2,55V). Der Spannungsteiler R4, R5 und R6 liefert die Spannungen Uih und Uil. Der offene Eingang wird über den Spannungsteiler R1 und R2 auf 1,5V eingestellt.

CMOS und TTL messen

Die Schaltungen in Bild 1 und Bild 2 sind ziemlich ähnlich. Wir können sie zusammenfassen. Allerdings müssen die Pegel zwischen TTL und CMOS umgeschaltet werden. Wenn dieses mit einem einfachen Umschalter gelingen soll, muss die Referenzspannung angepasst werden.

AnalogLogik.png
Bild 3: Logiktester mit Komparatoren für TTL und CMOS

Der Spannungsteiler R2 und R7 sorgt dafür, dass die Eingangsspannung und die Referenzspannung immer 1,5V unter der Versorgungsspannung liegt. Dieses erfordert der Operationsverstärker TLC3702 ebenso wie der LM358. Der Spannungsteiler R8, R9 und R10 wurden entsprechend angepasst, so dass Uil und Uih auch halbiert werden.

Anstelle des TL431 mit einer internen Referenzspannung von 2,5V kann auch der TVL431 mit einer Referenzspannung von 1,24V eingesetzt werden.

Mit den Logiktester lassen sich die Pegel relativ genau messen.

Nur für niedrige Frequenzen

Der Logiktester nach Bild 3 ist nur für Frequenzen bis 200kHz geeignet. Mit dem LM358 sind nur 20kHz möglich.

Für höhere Frequenzen sind spezielle Komparatoren für hohe Frequenzen notwendig.

Einfache Logiktester

Die in Projekten vorgestellten Logiktester mit Transistoren bzw. Logiktester mit Impulserkennung reagieren auf die Pegel

Uv Low High
3,3V 0,4V 2,2V
5V 0,8V 2,2V

Der H-Pegel ist für TTL etwas zu hoch und für CMOS zu gering. Bei CMOS ist er bei 5V unter Uv/2, wodurch falsche Pegel angezeigt werden könnten. Der Logiktester ist einfach und für die meisten Messungen ausreichend.

Digitale Logiktester

Digitale Logiktester werden meistens mit Mikrocontrollern aufgebaut. Passende Mikrocontroller enthalten Komparatoren. Die Referenzspannungen werden durch Digital-Analog-Umsetzer erzeugt. Damit entfallen die Spannungsteiler und die Pegel können genau auf die jeweilige Technologie eingestellt werden. Dieses Verfahren wird bei der LogicProbe mit PIC angewandt.