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

Digitale Impulse anzeigen

Wenn wir Schaltungen mit Impulsen untersuchen wollen, müssen wir die Impulse anzeigen. LEDs sind nur bedingt geeignet, wenn sich die Impulse schnell ändern. Im Praktikum Impulse erkennen haben wir Schaltungen betrachtet, mit denen wir erkennen können, ob an einer Leitung Impulse anliegen. Diese Anzeigen reichen für eine genauere Untersuchung nicht aus.

Wir brauchen z.B.

  • Informationen, wie lang ein Impuls ist oder
  • wie verschiedene Impulse voneinander abhängen (bei Zählern).

Für diese Zwecke gibt es Geräte wie Logikanalysatoren oder Oszilloskope. Die Bedienung und der Aufbau dieser Geräte ist meistens ziemlich kompliziert.

Wir werden in diesem Praktikum das Prinzip dieser Geräte betrachten und bauen einen einfachen Logikanalysator.

Ein sehr einfacher Logikanalysator

An dieser Stelle wollen wir die Impulse einer einzigen Leitung anzeigen.

  • Wir wollen betrachten, wie die Impulse mit der Zeit verlaufen.
  • Wenn die Impulse sehr schnell verlaufen, müssen wir die Anzeige speichern, um sie betrachten zu können.
  • Den zeitlichen Verlauf können wir betrachten, wenn wir messen, wie der Zustand zu bestimmten Zeitpunkten ist.

Wir brauchen eine Schaltung, die bestimmte Zeitpunkte vorgibt und eine Schaltung, die speichert, wie der Zustand zu diesem Zeitpunkt ist.

Die Zeitpunkte geben wir einfach mit einem Taktgenerator vor. Die Zustände schieben wir einfach in ein Schieberegister.

Wenn wir die Zustände des Schieberegisters mit LEDs anzeigen, wird der zeitliche Verlauf der Impulse angezeigt. Dann laufen die Impulse durch das Schieberegister. Den Verlauf der Impulse können wir dennoch nicht sehen.

Wir müssen das Schieberegister für die Anzeige anhalten, am besten wenn das Schieberegister einmal gefüllt wurde.

Digiscope-SR-1.png
Bild 1: Digitale Impulse anzeigen

Die Ausgänge des Schieberegisters U3 (74HC164) werden über LEDs angezeigt. Die Impulse liegen am Eingang des Schieberegisters und der Takt wird von einem Taktgenerator geliefert.

Mit dem Zähler UA1 werden die Taktimpulse gezählt und der Takt nach acht Takten mit der Schaltung mit den Gattern U2 angehalten. Bei dem Zähler wird der Ausgang Q4 nach acht Takten 1. Die Logik gibt dann keinen Takt mehr weiter, während der Zähler über Enable=0 angehalten wird.

Durch eine Reset-Taste wird dann eine neue Serie von acht Takten gestartet.

  • Der Zähler 74HC4518 ist ein BCD-Zähler, der von 0 bis 9 zählt. Wir verwenden nur die ersten 8 Stufen ( 0-7 ). Bei 8 wird Q4=1 und der Zähler wird angehalten.
Attention note

Takt anhalten

Es ist immer schwierig den Takt einer Schaltung anzuhalten.

Eigentlich könnten wir uns den Inverter mit U2D sparen, aber dann gibt es Spikes auf dem Takt von U3.

Die steigenden ↑ Flanke des Takts lässt den Zähler U1A weiterzählen. Bis der Ausgang Q4 und das Gatter U2A 1 bzw. 0 werden, vergeht eine gewisse Zeit. Wenn der Takt unmittelbar an das Gatter U2C gelangt, sieht es für diese Zeit an beiden Eingängen eine 1 und erzeugt einen Taktimpuls für U3.

Diese Zeit wird nicht etwa durch den Inverter U2D verlängert, sondern das Schieberegister U3 erhält einen invertierten Taktimpuls. Es schiebt mit der fallen ↓ Flanke des Taktes. Dann ist der Spike längs vergessen.

Attention work

Manueller Versuch

Die Schaltung können wir einfach auf einem Steckboard aufbauen.

Um die Wirkung der Schaltung zu verfolgen legen wir an den Eingang einen Schalter, mit dem wir manuell eine 0 oder 1 vorgeben. Den Takt erzeugen wir mit einem entprellten Taster am besten mit dem Takt-Modul.

Wir können einfach verfolgen wie die Zustände am Eingang in das Schieberegister laufen und dieses nach acht Takten stehen bleibt.

Es stellt sich heraus, dass die Schaltung in Bild 1 einen Schönheitsfehler hat:

Während die Start-Taste betätigt ist, werden schon Daten in das Schieberegister geschoben. Diese Daten werden allerdings später verworfen, weil noch weitere acht Taktimpulse folgen.

Attention work

Zähler untersuchen

Wir legen den Takt des Taktgenerators an den Eingang eines Binärzählers und messen die Impulse an einem Ausgang des Zählers.

Digiscope-SR-2.png
Bild 2: Digitale Impulse eines Zählers messen

Als Taktgenerator nehmen wir einen Timer 555, das Taktgenerator-Modul oder den Rechteckgenerator.

Wenn die Frequenz des Taktgenerators gering (~1Hz) ist, können wir verfolgen, wie sich das Schieberegister füllt. Bei hohen Frequenzen ist es eben viel schneller.

Die grüne LED9 zeigt, wann der Takt aktiv ist.

Die Anzeige wird immer nach dem Betätigen der Start-Taste erneuert.

Das Muster der LED wird immer ähnlich sein. Es ist bei den verschiedenen Messungen allerdings etwas verschoben.

Die Zustände des Ausgangs Q1 von U1B sind relativ einfach: eine Folge von 0-1-0. Nach jedem Start kann diese Folge um eine Stelle verschoben sein ;-)

Bei Q2 ist es schon schwieriger: 0011001100. (Siehe Daten des 74HC4518. ) Dann folgt die gleiche Sequenz und wir haben 0011001100-0011001100 mit 0000 in der Mitte. Wir haben eine Folge von 00 und 11. Allerdings folgt dann eine von 0000. Das ist unserer einfachen Anzeige nicht zu entnehmen, weil sie zu kurz ist. Mit Glück finden wir nach jedem Start ein Teil der verschobenen Sequenz von 20 Impulsen :-)

Zaehler-untersuchen.png
Bild 3: Anzeige einer Sequenz des Ausgangs Q1 des untersuchten Zählers

Das Schieberegister 74HC164 ist in Bild 3 oben rechts. Links liegt der Zähler 74HC4518.

  • Die unbenutzten Eingänge des Gatters U2B (Pin 4 und 5) sind natürlich an 0V gelegt.

Nicht besonders befriedigend:

  • Eine Auflösung von acht LEDs ist natürlich viel zu gering.
  • Logikanalysatoren haben eine von mehreren Hundert oder Tausend oder ...
  • unsere acht sind für das Verständnis des Prinzips besser geeignet.
  • die Taktfrequenz muss zu der Frequenz der Impulse passen.
  • Bei Logikanalysatoren kann die Taktfrequenz natürlich eingestellt werden.
  • Wenn die Auflösung der Zustandsfolge am Eingang gut sein soll, muss die Taktfrequenz ein vielfaches der Frequenz der Impulse am Eingang sein.
  • Natürlich ist es unbequem, jede Messung mit einem Tastendruck zu initiieren.
  • Das größte Problem ist ist allerdings, dass die Folge der Impulse nicht immer an der gleichen Stelle beginnt.
  • In unseren Versuchen verschob sich die Anzeige der 0en und 1en nach jedem Start.
  • Wir brauchen eine Schaltung, die dafür sorgt, dass die Anzeige immer gleich beginnt.
  • Eine solche Schaltung nennt sich Triggerschaltung.
    Wir gehen später im Praktikum Logikanalysator triggern darauf ein.
  • Während der Messung sollen die einlaufenden Zustände im Schieberegister ausgeblendet werden.
  • Wir speichern den Inhalt des Schieberegisters am Ende in einem Latch und zeigen dessen Inhalt an.

Was wir brauchen

Unsere Schaltung ist natürlich auch für einfache Messungen unzureichend.

Wir brauchen:

  • Mehr Kanäle, d.h.
  • mehrere angezeigte Eingänge,
  • Wir brauchen für jeden Eingang ein eigenes Schieberegister mit Latch und natürlich LEDs.
  • Der Zähler UA1 und die Triggerschaltung wird nur einmal benötigt.
  • Eine bessere Auflösung der angezeigten Impulse, d.h.
  • Eine längere Sequenz der angezeigten Impulse
  • längere Schieberegister und mehr LEDs.
  • Eine bessere zeitliche Auflösung der angezeigten Impulse, d.h.
  • Einen Taktgenerator mit verschiedenen Frequenzen
  • insbesondere höheren Frequenzen
  • mit einer einstellbaren Logik auf den angezeigten Eingängen
  • Eine flexible Anzeige, die z.B.
  • vergrößerte Ausschnitte aus eine sehr langen Sequenz von Impulsen darstellen kann,
  • Zeiten zwischen Impulsen berechnet und anzeigt
  • Schicki-Micki, damit
  • wir uns über die blinkenden Anzeigen freuen und unsere Freunde beeindrucken können :-)

Was brauchen wir wirklich

  • 4 parallele Kanäle
  • besser 8 Kanäle
  • Taktfrequenzen über 1 MHz
  • besser über 10Mhz
  • Aufzeichnung von 100 Punkten
  • besser über 10000
  • Einen Tigger-Logik-Eingang
  • besser über alle Kanäle
  • Anzeige auf dem Computer
  • Einfache Bedienung
  • über den Computer
  • Günstiger Preis