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Wir messen Logikpegel mit einem analogen Logiktester.


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Logikpegel messen

Wir entwickeln einen Logiktester, der die Logikpegel genau misst.

Zunächst 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 High liegt oberhalb Uih und ein Low unterhalb Uil. Welche Werte denn, die für CMOS, TTL, ...?

CMOS messen

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

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 den Wert nicht messen, sondern lediglich 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.

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Bild 1: Logiktester mit Komparatoren für CMOS

Die beiden Komparatoren in Bild 1 liefern ein Low, wenn die obigen Bedingungen erfüllt sind. Sie invertieren also. Mit dem Komparator U1A wird Ui mit Uih verglichen. Mit U1B wird Ui mit Uil verglichen. Die Spannungen Uil und Uih werden über den Spannungsteiler R4, R5 und R6 gebildet: Sie werden aus der Versorgungsspannung Uv abgeleitet. Der Spannungsteiler R1 und R2 stellt den offenen Eingang auf 0,5*Uv.

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.

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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.

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Bild 3: Logiktester mit Komparatoren für TTL und CMOS

Der Spannungsteiler R1 und R3 sorgt dafür, dass die Eingangsspannung immer 1,5V unter der Versorgungsspannung liegt. Dieses erfordert der Operationsverstärker TLC3702 ebenso wie der LM358. Da R1=R3 ist, wird die Eingangsspannung halbiert. Der Spannungsteiler R7, R8 und R9 wurde entsprechend angepasst, so dass Uil und Uih auch halbiert werden.

Mit der Referenzspannungsquelle VR1 wird über den Spannungsteiler R4 und R5 eine Referenzspannung von 2,78V eingestellt. Diese Referenzspannung wird nur bei TTL verwendet. Anstelle des TL431 mit einer internen Referenzspannung von 2,5V kann auch der TVL431 mit einer Referenzspannung von 1,24V eingesetzt werden. Beim TL431 ist R4=1,8kΩ und R5=16kΩ. Beim TVL431 ist R4=15kΩ und R5=12kΩ.

Mit diesem 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 High-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, aber 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.