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Ein einfacher Logiktester mit Impulserkennung.


Logiktester mit Impulserkennung


Logiktester mit Impulserkennung

In der dynamischen Digitaltechnik haben wir uns mit der Erkennung von Impulsen befasst. In diesem Zusammenhang haben wir auch die Erzeugung von Impulsen betrachtet.

Um Logikschaltungen zu untersuchen genügt es nicht, nur den logischen Zustand der Ausgänge zu untersuchen, sondern deren zeitliches Verhalten. Hilfreich ist festzustellen ob Impulse auftreten. Meistens kann es daran erkannt werden, wenn der Logik-Tester sowohl 0 aus auch 1 anzeigt. Problematisch wird es, wenn nur relativ kurze Impulse auftreten. Der Ausgang ist beispielsweise immer 1 nur jeder Sekunde wird für 1µs eine 0 ausgegeben. Das kurze Blitzen (1µs) einer LED nehmen wir nicht mehr wahr.

Wir brauch eine Schaltung, die Impulse sichtbar macht. Im Praktikum Impulse erkennen haben wir dafür monostabile Multivibratoren verwendet. Wir beschreiten hier einen Weg, der einfacher ist. Wir wollen in Anlehnung an den Logiktester mit Transistoren eine sehr einfache Schaltung verwenden.

Impulserkennung

Wir beginnen mit einer Schaltung, die davon ausgeht, dass der Zustand am Eingang fasst immer 0 ist. Nur für sehr kurze Zeit tritt ein Impuls mit einer 1 auf.

LedTesterTransistoren-Impuls-1.png
Bild 1: Erkennung sehr kurzer 1 Impulse

Das wesentliche Element der Schaltung in Bild 1 ist der N-MOSFET 2N7000. Wenn am Eingang 1 liegt, liegt über die Diode eine positive Spannung am Gate des MOSFETs. Er schaltet ein und bringt die LED zum Leuchten. Mit dieser Spannung wird auch der Kondensator geladen.

Geht der Eingang nach 0, sperrt die Diode und die Spannung am Kondensator fällt langsam ab. Der MOSFET bleibt noch eine gewisse Zeit eingeschaltet, bis die Spannung am Gate nicht mehr ausreicht. Diese Zeit wird durch das RC-Glied bestimmt und ist wesentlich länger als der 1 Impuls am Eingang.

Wenn am Eingang eine 1 anliegt und ein kurzer 0 Impuls auftritt, wird die Schaltung in Bild 1 versagen. Der MOSFET ist immer eingeschaltet. Sie kann nur kurze 1 Impulse erkennen.

LedTesterTransistoren-Impuls-2.png
Bild 2: Erkennung sehr kurzer *1* oder *0* Impulse

In Bild 2 ist vor die Schaltung von Bild 1 ein Kondensator gesetzt. Wenn jetzt ein Übergang von 0 nach 1 auftritt gibt der Kondensator C1 einen kurzen 1 Impuls ab. Beide Kondensatoren sind über die Diode D3 in Reihe geschaltet und laden sich auf. Da C2 viel kleiner als C1 ist, fällt an ihm fast die gesamte Spannung ab. Der MOSFET schaltet für eine gewisse Zeit ein.

Die 1 am Eingang hat keine Wirkung mehr, weil sie ist durch den Kondensator C1 abgeblockt wird.

Geht die Spannung am Eingang von 1 nach 0, wird der Kondensator C1 über die Diode D2 entladen. Die Diode D3 gesperrt und C2 entlädt sich langsam.

Die Schaltung in Bild 2 erkennt Flanken am Eingang und verhält sich wie ein monostabiler Multivibrator. Der monostabile Multivibrator besteht aus zwei Kondensatoren, zwei Dioden und einem MOSFET sowie einem Widerstand. Diesen Widerstand können wir einsparen, wenn wir den Kondensator C2 über die geringen Restströme in D3 entladen.

Eine ähnliche Schaltung wird im Praktikum Spannungen wandeln behandelt.

Logiktester und Impulserkennung

Die Schaltung in Bild 2 ist eine gute Ergänzung zu dem Logiktester mit Transistoren. Wir bauen einfach alles zusammen.

LedTesterTransistoren-Impuls_s.png
Bild 3: Logiktester mit Transistoren und Impulserkennung

Die Schaltung in Bild 3 enthält den Logiktester mit 2 Transistoren und die eine Impulserkennung. Die Kondensatoren C1 und C2 sind wesentlich kleiner als in Bild 2. Der Widerstand zu Entladen von C2 ist nicht enthalten. Der Reststrom von D3 reicht aus, um C2 zu entladen. Die Zeitkonstante hängt damit von den Werten der Dioden ab. Ein Widerstand von über 10MΩ ist kaum zu beschaffen.

Die LED4 ist für die Funktion der Schaltung nicht nötig. Sie schützt die LED3 vor negativer Spannung, wenn versehentlich die Versorgungsspannung verpolt wurde und zeigt die Verpolung an. Die gelbe LED leuchtet relativ schwach. Eine superhelle LED ist etwas besser. Der Kondensator C3 ist ein Entkopplungskondensator für die Versorgungsspannung.

Die Schaltung ist

  • übersichtlich und einfach
  • sehr robust
  • eine Verpolung der Versorgungsspannung bis -12V ist kein Problem
  • der Eingang ist gegen Spannungen von ±12 geschützt
  • Die Versorgungsspannung kann zwischen +3V und +12V liegen.

Weitere Daten

  • Eine 0 wird nur angezeigt, wenn die Eingangsspannung unter 0,8V ist.
  • Eine 1 wird nur angezeigt, wenn die Eingangsspannung über 2,4V ist.
  • Diese Spannungspegel treffen sowohl für TTL bei 5V und CMOS zwischen 3V und 12V zu.
  • Impulse mit 100ns werden erkannt. (Auch Einzelimpulse).

Der Nachteil dieser Schaltung

  • ist eine relativ hohe Belastung des untersuchten Logikausgangs durch den Kondensator C2.
  • Messungen ergaben eine Eingangskapazität von 148pF.
    Das entspricht dem Wert von C2=100pF plus des Gate-Kapazität des 2N7000 von etwa 50pF.
  • C1 hat keine Wirkung, weil er nur mit der Ladung von C1 geladen wird.

Aufbau des Logiktesters

Die Bauteile des Logiktesters sind für etwa ein Euro zu bekommen.

Bauelement Wert Stück Preis Gesamtpreis
R1 100kΩ 1 0.05 0.05
R2, R4 10kΩ 2 0.05 0.10
R3 470Ω 1 0.05 0.05
C1 1nF/50V 1 0.05 0.05
C2 100pF/50V 1 0.05 0.05
C3 100nF 1 0.05 0.05
D1 ZF3.3 1 0.05 0.05
D2, D3 1N4148 2 0.05 0.10
LED1 3mm/rot 1 0.10 0.10
LED2 3mm/grün 1 0.10 0.10
LED3 3mm/blau 1 0.10 0.10
LED4 3mm/gelb 1 0.10 0.10
Q1 BC337 1 0.05 0.05
Q2 BC327 1 0.05 0.05
Q3 2N7000 1 0.10 0.10
Summe 1.10

Die Transistoren Q1 und Q2 können gegen andere Typen ausgetauscht werden. Die maximal zulässigen Spannungen sind unkritisch. Die Stromverstärkung sollt über 100 sein. Die Anschlussbelegung muss mit den angegebenen Typen übereinstimmen, wenn das Layout von Bild 3 verwendet werden soll.

Z-Diode

Die Z-Diode D1 muss ein 3,3V Typ sein. Sie verhindert, dass LED1 und LED2 bei offenem Eingang leuchten. Das Gehäuse ist DO36. Die angegebene ZPD3.3 hat eine Leistung von 400mW. Ein vergleichbarer Typ kann eingesetzt werden.

Z-Diode 3,3V: ZF3.3 BZX79C3V3 1N5226 1N4728

NPN Transistor

NPN-Transistor: BC337 BC338 BC547
Der 2N4401 passt elektrisch, hat aber eine andere Anschlussbelegung CBE gegenüber EBC beim BC337, d.h. er müsste mit der runden Seite zu Platine eingebaut werden.

PNP Transistor

PNP-Transistor: BC237 BC238 BC557
Der 2N4403 passt elektrisch, hat aber eine andere Anschlussbelegung CBE gegenüber EBC beim BC237, d.h. er müsste mit der runden Seite zu Platine eingebaut werden.

MOSFET

Anstelle des 2N7000 kann auch ein 2N7002 eingesetzt werden.

Widerstand R3

An R3 fällt bei Verpolung die gesamte Versorgungsspannung ab. Bei 12V sind es 0,3W.

  • Ein Widerstand mit 0,25W reicht nicht.
  • Ein Metallschicht-Widerstand mit 0,6W kann bis zu 15V verwendet werden.

Es reichen 5%.

Widerstände

Alle anderen Widerstände kommen mit 0,25W aus. Es reichen 5%.

Kondensatoren

Es sollten nur Keramikkondensatoren verwendet werden. An besten ist eine Spannung von 50V.

LEDs

Es werden 3mm LEDs verwendet. Der Strom durch die grüne oder rote LED ist bei 12V knapp unter 20mA.

Die maximale Spannung für den Logiktester wird durch die 20mA in den LEDs auf 12V begrenzt.

LedTesterTransistoren-Impuls-brd_s.png
Bild 4: Aufbau des Logiktesters mit Transistoren und Impulserkennung

Der Logiktester kann leicht auf einer Lochrasterplatine aufgebaut werden. Die roten Verbindungen werden auf der Bestückungsseite am besten mit isoliertem Draht durchgeführt. Die Transistoren und der MOSFET werden mit der flachen Seite des TO92-Gehäuses zur Platine eingebaut. Die Anschlüsse sind bezeichnet. Die Typen der Transistoren sind unkritisch. Allerdings muss auf die Anschlussbelegung geachtet werden. EBC wie im Layout in Bild 4 oder CBE. Bei CBE muss die runde Seite nach unten eingebaut werden.

Als Prüfspitze eignet sich ein Pin eines Jumpers. Ein transparenter Schrumpfschlauch ist ein gutes Gehäuse.

Prototyp

Der Prototyp wurde anstelle der gelben LED für Anzeige bei Verpolung mit einer Diode aufgebaut. Damit die Anschlussdrähte auf der Rückseite nicht durch den Schrumpfschlauch dringen können, wurde eine dünne Pappe eingelegt.

LogikTester-Impuls-Prototyp_s.png
Bild 5: Aufgebauter Logiktesters mit Impulserkennung

Der Tester ist mit 115mm*14mm*10mm seht handlich.

Der Prototyp wurde bei 5V und 3,3V untersucht.

Uv Low High fmax Tp 20MHz
3,3V 0,4V 2,2V 100kHz 100ns blau
5V 0,8V 2,2V 500kHz 100ns blau

Tp ist die Zeit von erkannten Einzelimpulsen.

Der Pegel für Low, 0 und High, 1 ist für TTL und CMOS an 5V und 3,3V akzeptabel. Die rote/grüne LED beginnen erst bei Frequenzen von 100kHz / 500kHz zu leuchten. Mit der blauen LED werden 20MHz erkannt. Einzelimpulse von 100ns, die nur einmal pro Sekunde erzeugt werden, werden angezeigt.

Bei 3,3V leuchtet die blaue LED nur schwach. Eine gelbe LED wäre etwas besser.

Diese Werte sind für eine einfache Schaltung beachtlich.

  • Die maximale Frequenz für Low und High ist vermutlich höher als angegeben.
  • Manchmal wird noch Low angezeigt oder High oder beides angezeigt.
  • Vermutlich sind die Pegel der Signale nicht eindeutig Low oder High.
  • Dazu bedarf es genaue und teure Messgeräte

Bessere Ergebnisse liefert die LogicProbe mit PIC Sie erkennt einzelne Impulse unter 20ns und zeigt auch bei Frequenzen über 20MHz die Pegel an.