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 auf einer Leitung Impulse anliegen. Für eine genauere Untersuchung reichen diese Anzeigen nicht aus.
Wir brauchen z.B.
- Informationen darüber, wie lang ein Impuls ist oder
- wie verschiedene Impulse voneinander abhängen (bei Zählern).
Dafür gibt es Geräte wie Logikanalysatoren oder Oszilloskope. Die Bedienung und der Aufbau dieser Geräte ist meistens recht kompliziert.
In diesem Praktikum betrachten wir das Prinzip dieser Geräte und bauen einen einfachen Logikanalysator.
Ein sehr einfacher Logikanalysator
Hier wollen wir die Impulse einer einzelnen Leitung darstellen.
- Wir wollen sehen, wie die Impulse mit der Zeit verlaufen.
- Wenn die Impulse sehr schnell sind, müssen wir die Anzeige speichern, um sie betrachten zu können.
- Wir können den zeitlichen Verlauf beobachten, indem 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 mit einem Taktgenerator vor. Die Zustände schieben wir in ein Schieberegister.
Wenn wir die Zustände des Schieberegisters mit LEDs anzeigen, sehen wir den zeitlichen Verlauf der Impulse. Die Impulse laufen dann durch das Schieberegister. Wir können aber den Verlauf der Impulse dennoch nicht sehen.
Wir müssen das Schieberegister für die Anzeige anhalten, am besten, wenn das Schieberegister gefüllt ist.
Die Ausgänge des Schieberegisters U3 (74HC164) werden durch 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 8 Takten 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.
Ein Reset-Taster startet dann eine neue Serie von acht Takten.
- 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.
Den Takt anhalten
Es ist immer schwierig, den Takt einer Schaltung anzuhalten.
Eigentlich könnten wir uns den Inverter U2D sparen, aber dann gibt es Spikes am Takteingang CLK von U3.
Die steigende ↑ Flanke des Takts lässt den Zähler U1A weiterzählen. Es vergeht eine gewisse Zeit, bis der Ausgang Q4 und das Gatter U2A 1 bzw. 0 werden. Würde der Takt unmittelbar an das Gatter U2C gelangen, würde U2C während dieser Zeit an beiden Eingängen eine 1 sehen und einen Spike am Takteingang CLK von U3 erzeugen.
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.
Manueller Versuch
Wir können die Schaltung 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 leicht verfolgen, wie die Zustände am Eingang in das Schieberegister laufen und es nach acht Takten stehen bleibt.
Es stellt sich heraus, dass die Schaltung in Bild 1 einen Schönheitsfehler hat:
Während der Start-Taster gedrückt ist, werden schon Daten in das Schieberegister geschoben. Diese Daten werden dann später verworfen, weil noch acht weitere Taktimpulse folgen.
Zähler untersuchen
Wir legen den Takt des Taktgenerators auf den Eingang eines Binärzählers und messen die Impulse am Ausgang des Zählers.
Als Taktgenerator verwenden wir einen Timer 555, das Taktgenerator-Modul oder den Rechteckgenerator.
Wenn die Frequenz des Taktgenerators niedrig ist (~1Hz), können wir verfolgen, wie sich das Schieberegister füllt. Bei hohen Frequenzen ist das viel schneller.
Die grüne LED9 zeigt an, wann der Takt aktiv ist.
Die Anzeige erneuert sich immer nach dem Drücken der Start-Taste.
Das angezeigte Muster der LED wird immer ähnlich sein. Es ist jedoch bei verschiedenen Messungen 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 wird 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. Es folgt dann eine Sequenz von 0000. Das ist aus unserer einfachen Anzeige nicht ersichtlich, weil sie zu kurz ist. Mit etwas Glück finden wir nach jedem Start einen Teil der verschobenen Sequenz von 20 Impulsen 
Das Schieberegister 74HC164 befindet sich in Bild 3 oben rechts. Ganz links liegt der Zähler 74HC4518.
- Die unbenutzten Eingänge des Gatters U2B (Pin 4 und 5) sind natürlich auf 0V gelegt.
Nicht besonders befriedigend:
- Eine Auflösung von acht LEDs ist natürlich viel zu gering.
- Logikanalysatoren haben eine Auflösung von mehreren Hundert oder Tausend oder ...
- Unsere acht sind für das Verständnis des Prinzips besser geeignet.
- die Taktfrequenz muss zu der Impulsfrequenz am Eingang passen.
- Bei Logikanalysatoren ist die Taktfrequenz natürlich einstellbar.
- Wenn die Auflösung der Zustandsfolge am Eingang gut sein soll, muss die Taktfrequenz ein Vielfaches der Impulsfrequenz am Eingang sein.
- Natürlich ist es unpraktisch, jede Messung mit einem Tastendruck zu starten.
- Das größte Problem ist jedoch, dass die Impulsfolge nicht immer an der gleichen Stelle beginnt.
- Wir brauchen eine Schaltung, die dafür sorgt, dass die Anzeige immer an der gleichen Stelle beginnt.
-
Eine solche Schaltung nennt sich Triggerschaltung.
Damit beschäftigen wir uns später im Praktikum Logikanalysator triggern.
- Während der Messung soll die Anzeige der einlaufenden Zustände im Schieberegister unterdrückt werden.
- Am Ende speichern wir den Zustand des Schieberegisters in D-Registern und zeigen deren Inhalt an.
Was wir brauchen
Selbst für einfache Messungen reicht unsere Schaltung nicht aus.
Wir brauchen:
- 4 parallele Kanäle
- besser 8 Kanäle
- Taktfrequenzen von 1Hz bis über 1MHz
- besser über 10Mhz
- Aufzeichnung von 100 Punkten
- besser über 10000
- Einen Tigger-Logik-Eingang
- besser über alle Kanäle
- Anzeige am Computer
- Einfache Bedienung
- über Computer
- Günstigen Preis
- Im Praktikum Logikanalysatoren werden Logikanalysatoren für Einsteiger vorgestellt.