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

Logikpegel

Logikpegel messen

Als Praktiker messen wir die Spannungen an digitalen Schaltungen nach.

Wir messen einerseits wie hoch die Pegel der Ausgänge sind und andererseits bei welchen Pegeln am Eingang ein Gatter reagiert.

Dazu brauchen wir natürlich ein Voltmeter.

Logikpegel-messen.png
Bild 1: Logikpegel messen

Mit der linken Schaltung messen wir die Pegel des Ausgangs. IC1A liefert die Pegel bei unbelastetem Ausgang.

IC1B liefert am Ausgang den LOW-Pegel bei Belastung. IC1C den HIGH-Pegel. Um wie viel weicht der HIGH-Pegel von der Versorgungsspannung Uv ab? Das messen wir am besten zwischen Uv und Pin6 des 74HC00.

Mit der rechten Schaltung messen wir die Pegel des Eingangs. Wir stellen das Poti so ein, das entweder nur die grüne LED3 oder die rote LDE4 leuchten. Diese Spannung am Eingang ist die Spannung Uih bzw. Uil. Wir müssen beachten, dass das Gatter als Inverter arbeitet.

Logikpegel verschiedener Technologien

Wir betrachten hier nur die für uns relevanten Technologien.

Technologie Uv Uil Uih Uol Uoh
5V-CMOS 5V 1,5V 3,5V 0,4V 4,5V
3,3V-CMOS 3,3V 0,8V 2,4V 0,4V 2,9V
5V-TTL 5V 0,8V 2,0V 0,4V 2,4V
3,3V-LVT 3,3V 0,8V 2,0V 0,4V 2,4V

Tabelle 1: Spannungspegel von Logik-Technologien

Die Spannung wurde der Deutlichkeit halber den Technologien vorangestellt. CMOS (40xx, HC uns HCT) kann sowohl an 5V als auch an 3,3V betreiben werden.

HCT und AHCT haben die gleichen Pegel wie TTL und werden nur an 5V betrieben.

Uv Versorgungsspannung
Uil maximale Eingangsspannung für LOW
Uih minimale Eingangsspannung für HIGH
Uol maximale Ausgangsspannung für LOW
Uoh minimale Ausgangsspannung für HIGH

Puh! So viele Werte kann man sich nicht merken, aber ein Bild hilft.

Logik-Pegel.png
Bild 2: Pegel der vier Logik-Technologien

Bild 2 stellt die Pegel der vier Technologien graphisch dar.

  • Die Pegel für TTL und LVT sind bis auf die Versorgungsspannung gleich.
  • CMOS weicht davon ab.
  • Aber wir können feststellen, das Uol für alle Technologien einschließlich CMOS unter 0,4V ist.
  • Uil ist ebenso für alle Technologien über 0,8V und liegt über unseren 0,4V für Uol.

Pegel für Low

  • LOW am Eingang ist immer unter 0,8V.
  • LOW ein Aushang liefert immer unter 0,4V.

Die HIGH-Pegel sind nicht so einfach.

Der HIGH-Ausgangspegel ist für alle Technologien über 2,4V.

Der HIGH-Eingangspegel für TTL und LVT ist 2,0V, das ist unter dem minimalen Ausgangspegel von 2,4V aller Technologien.

Bei CMOS ist es schwierig. Bei Uv=3,3V sind es 2,4V und bei Uv=5V sind es 3,5V. Allerdings passen die minimalen Ausgangspegel immer zu den minimalen Ausgangspegeln bei der gleichen Versorgungsspannung.

Bei CMOS hängen die Pegel von der Betriebsspannung ab.

Pegel für High

  • Für alle Technologien ist HIGH am Ausgang immer über 2,4V.
  • Für TTL und LVT ist HIGH am Eingang minimal 2.0V.
  • Für CMOS ist HIGH am Eingang bei 0.7 der Versorgungsspannung Uih=0,7*Uv.

CMOS

  • HIGH am Eingang ist Uih=0,7*Uv.
  • LOW am Eingang ist Uil=0,2*Uv.
  • Manche Hersteller geben Uil=0,3*Uv an.
  • HIGH am Ausgang ist Uol~Uv-0,4V
  • LOW am Ausgang ist Uol~0,4V

Sicherheitsbereiche

Der Graphik in Bild 2 können wir gut entnehmen, dass

  • zwischen der maximalen Ausgangsspannung für LOW und maximalen Ausgangsspannung für LOW eine Spannungsdifferenz liegt.
  • Die minimale Ausgangsspannung für HIGH liegt über der minimalen Eingangsspannung für HIGH.
  • Diese Sicherheitsbereiche sind notwendig, um Störungen zu unterdrücken.
  • Je höher diese Spannungsdifferenz ist, umso weniger anfällig ist die Technologie für Störungen.

Pegel von CMOS

Die Pegel hängen bei CMOS von der Betriebsspannung ab. Die 74HCxx Bauelemente können an Spannungen zwischen 2V und 6V betrieben werden.

CMOS-Pegel.png
Bild 3: Pegel für 74HCxx für Versorgungsspannung zwischen 2V und 6V

In Bild 3 wird die Abhängigkeit der Pegel von der Betriebsspannung dargestellt. Die Sicherheitsbereiche zwischen Ausgangspegel und Eingangspegel werden schraffiert dargestellt.

Logiktester

Im Praktikum Logik Zustände anzeigen haben wir eine einfache Schaltung zur Anzeige von Logikzuständen betrachtet. Sie konnte auch offene Eingänge erkennen.

Mit unserem jetzigen Wissen werden wir diese Anzeige ebenso genauer untersuchen wie auch den Logiktester mit Transistoren.

Mit unseren Kenntnissen über Operationsverstärkern können wir eine Schaltung entwickeln, die Logikpegel genauer untersucht.

Dieses werden wir allerdings in einem eigenen Praktikum vornehmen.

Ströme

Attention pin

Zusammenfassung Ströme

Dieser Abschnitt ist für die Praxis nicht unbedingt nötig.

Wir verwenden fast immer CMOS und da müssen wir nur wissen, dass

  • in die Eingänge Strom unter 1µA fließt und
  • wir die Ausgänge von
  • 74HCxx mit 5mA belasten können
  • und die von 40xx mit 0,5mA ohne die Logikpegel zu verfälschen.
  • Maximal dürfen die Ausgänge mit 10mA belastet werden.

Wir haben uns bisher nie über die Ströme in Digital-Bauelementen unterhalten.

Wir haben CMOS (40xx oder 74HCxx) verwendet und da fließen keine Ströme :-)

Wenn wir genau hinsehen, können wir sehr geringe Ströme feststellen.

In den Eingang eines CMOS-Gatters fließen etwa 1µA.

Der Strom aus der Versorgungsspannung liegt beim 74HC00 bei 20µA.

Wir haben allerdings an den Ausgang von Gattern LEDs angeschlossen und dann fließt Strom.

Dieser Strom ist begrenzt, weil

  • das Gatter überlastet werden kann und
  • der Ausgangspegel nicht mehr eingehalten wird.

Außerdem sind die zulässigen Ströme vom Ausgang an OV und von 5V in den Ausgang unterschiedlich.

Bei Standard-TTL (74xx, 74LSxx) ist außerdem zu beachten, dass bei L am Eingang ein Strom aus dem Eingang des Gatters in den Ausgang fließt.

Technologie Iel Ieh Ioh Io- Iol Io+ Iv
5V 74xx 1,6mA 40µA 0,4mA 2mA 16mA 16mA 4mA
5V 74LSxx 0,4mA 20µA 0,4mA 2mA 8mA 16mA 1mA
5V 40xx 1µA 1µA 0,5mA 0,5mA 10mA 10mA 1µA
3,3V 40xx 1µA 1µA 0,3mA 0,3mA 10mA 10mA 1µA
5V 4049 4050 1µA 1µA 1,25mA 3,2mA 10mA 10mA 1µA
3,3V 4049 4050 1µA 1µA 0,5mA 10mA 1mA 10mA 1µA
5V 74HCxx 1µA 1µA 5mA 10mA 5mA 10mA 20µA
3,3V 74HCxx 1µA 1µA 3mA 10mA 3mA 10mA 20µA
5V 74HC4049 74HC50 1µA 1µA 5mA 10mA 5mA 10mA 20µA
3,3V 74HC49 74HC50 1µA 1µA 4mA 10mA 4mA 10mA 20µA
3,3V 74LVxx 1µA 1µA 6mA 10mA 6mA 10mA 5µA
Iel Eingangsstrom bei L am Eingang
Ioh maximaler Ausgangsstrom vom Ausgang nach 0V bei korrektem Uoh
Io- maximaler Ausgangsstrom vom Ausgang nach 0V
Iol maximaler Ausgangsstrom vom Ausgang nach Uv bei korrektem Uol
Io+ maximaler Ausgangsstrom vom Ausgang nach Uv
Iv Strom pro Gatter von der Stromversorgung

Raspberry Pi

Wir werden immer wieder mit Ein- und Ausgängen von digitalen Systemen zu tun haben. Wir betrachten hier den Raspberry Pi als Beispiel.

Der Raspberry Pi ist ein 3,3V-System obwohl er auch eine 5V Versorgung hat. Alle digitalen Ein- und Ausgänge (GPIO) sind für 3,3V ausgelegt.

Raspberry Pi Uv Uil Uih Uol Uoh
GPIO 3,3V 0,8V 2,0V 0,4V 2,4V
  • Der Raspberry Pi entspricht einem 3,3V-LVT-System.
  • Die GPIO-Ein- und -Ausgänge dürfen nicht an 5V betrieben werden.

Ströme in / aus Ausgänge

Die GPIO-Ausgänge des Raspberry Pi sind vielseitig einstellbar. Als Ausgang können sie für Ströme zwischen 2mA und 16mA in Schritten von 2mA programmiert werden. Diese Ströme können nur für den GPIO-Block als Ganzes und nicht Pin für Pin eingestellt werden.

  • Nach einem Reset sind 8mA eingestellt.

Die eingestellten Ströme können einem GPIO-Anschluss minimal entnommen werden, wenn die Logik-Pegel eingehalten werden sollen.

  • Der eingestellte Strom ist nicht etwa der maximal einem Pin entnehmbare, wenn die Pegel nicht eingehalten werden.
  • Der Strom in bzw. aus einem Pin sollte 16mA nicht überschreiten.
  • Die Summe aller Ströme in bzw. aus allen Pins des GPIO darf 50mA nicht überschreiten.

Arduino UNO

Der Arduino UNO ist ein 5V-System.

Er hat die typischen CMOS-Pegel mit Uih = 0,7*Uv und Uil=0,25*Uv.

Arduino UNO Uv Uil Uih Uol Uoh
Ports 5V 1,5V 3,5V 0,4V 4,5V
  • Der Arduino UNO entspricht einem 5V-CMOS-System

Ströme in / aus Ausgänge

  • Die Ausgänge können in beide Richtungen mit 20mA belastet werden, wenn die Pegel eingehalten werden sollen.
  • Die Digital-Ausgänge dürfen mit maximal 40mA belastet werden.
  • Der Gesamtstrom in/aus alle Ausgänge darf 100mA nicht überschreiten.