Logikpegel messen
Als Praktiker messen wir die Spannungen an digitalen Schaltungen nach.
Einerseits messen wir, welchen Pegel der Ausgang eines Gatters liefert und andererseits, bei welchen Pegeln am Eingang ein Gatter reagiert.
Dazu benötigen wir natürlich ein Voltmeter.
Mit der linken Schaltung messen wir die Pegel am Ausgang. U1A liefert die Pegel bei unbelastetem Ausgang.
U1B liefert den LOW-Pegel am Ausgang unter Last. U1C liefert 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 den Eingangspegel. Wir stellen das Poti so ein, dass entweder nur die grüne LED3 oder nur die rote LDE4 leuchtet. Diese Spannung am Eingang ist die Spannung Uih bzw. Uil. Dabei müssen wir 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 Übersichtlichkeit halber den Technologien vorangestellt. CMOS (40xx, HC und HCT) kann sowohl mit 5V als auch mit 3,3V betrieben 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 gar nicht merken, aber ein Bild hilft.
In Bild 2 sind die Pegel der vier Technologien grafisch dargestellt.
- Die Pegel für TTL und LVT sind bis auf die Versorgungsspannung gleich.
- CMOS weicht davon ab.
- Es ist jedoch zu erkennen, dass Uol für alle Technologien einschließlich CMOS unter 0,4V liegt.
- Auch Uil ist bei allen Technologien über 0,8V und liegt über unseren 0,4V für Uol.
Pegel für LOW
- LOW am Eingang ist immer unter 0,8V.
- LOW am Ausgang ist immer unter 0,4V.
Die HIGH-Pegel sind nicht so einfach.
Der HIGH-Ausgangspegel für alle Technologien liegt ber 2,4V.
Der HIGH-Eingangspegel für TTL und LVT ist 2,0V, was bei allen Technologien unter dem minimalen Ausgangspegel von 2,4V liegt.
Bei CMOS ist es schwieriger. Bei Uv=3,3V beträgt der minimale HIGH-Eingangspegel 2,4V und bei Uv=5V sind es 3,5V. Die minimalen Ausgangspegel passen jedoch immer zu den minimalen Ausgangspegeln bei gleiche Versorgungsspannung.
Bei CMOS hängen die Pegel von der Betriebsspannung ab.
Pegel für HIGH
- Bei allen Technologien ist HIGH am Ausgang immer größer als 2,4V.
- Bei TTL und LVT ist HIGH am Eingang mindestens 2,0V.
- Bei CMOS ist HIGH am Eingang das 0.7-fache der Versorgungsspannung Uih=0,7*Uv.
CMOS
- HIGH am Eingang ist Uih=0,7*Uv.
- LOW am Eingang ist Uil=0,2*Uv.
- Einige Hersteller geben Uil=0,3*Uv an.
- HIGH am Ausgang ist Uol~Uv-0,4V
- LOW am Ausgang ist Uol~0,4V
Sicherheitsbereiche
Der Grafik in Bild 2 zeigt deutlich, dass
- zwischen der maximalen Ausgangsspannung für LOW und der maximalen Ausgangsspannung für LOW eine Spannungsdifferenz besteht.
- Die minimale Ausgangsspannung für HIGH ist größer als die minimale Eingangsspannung für HIGH.
- Diese Sicherheitsbereiche sind notwendig, um Störungen zu unterdrücken.
- Je höher diese Spannungsdifferenz ist, desto weniger anfällig ist die Technologie für Störungen.
Ungewisse Bereiche
Die in Bild 2 grau dargestellten Bereiche zwischen Uil und Uih stellen den Bereich dar, in dem der Ausgangspegel eines Gatters ungewiss ist.
Der Ausgangspegel kann dann
- LOW,
- HIGH oder
- zwischen Uol und Uoh sein,
- aber auch zwischen Uol und Uoh schwingen.
- Diese Schwingneigung tritt besonders bei HCMOS auf.
Pegel von CMOS
Bei CMOS hängen die Pegel von der Betriebsspannung ab. Die 74HCxx Bauelemente können mit Spannungen zwischen 2V und 6V betrieben werden.
In Bild 3 zeigt die Abhängigkeit der Pegel von der Betriebsspannung. Die Sicherheitsbereiche zwischen Ausgangspegel und Eingangspegel sind schraffiert dargestellt.
Die Auswirkung von Eingangsspannungen im Bereich von Uil und Uih wird im Praktikum Analoge Spannung an Digitaleingängen untersucht.
Logiktester
Im Praktikum Logikzustände 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 sowie den Logiktester mit Transistoren genauer untersuchen.
Später werden wir mit unserem Wissen über Operationsverstärker eine Schaltung entwickeln, die Logikpegel genauer untersucht.
Dieses werden wir aber in einem eigenen Praktikum durchführen.
Ströme
Zusammenfassung Ströme
Dieser Abschnitt ist für die Praxis nicht unbedingt notwendig.
Wir verwenden fast immer CMOS und da müssen wir nur wissen, dass
- in die Eingänge Strom von weniger als 1µA fließt und
- wir die Ausgänge der
- 74HCxx mit 5mA belasten können
- und die der 40xx mit 0,5mA belasten können ohne die Logikpegel zu verfälschen.
- Die Ausgänge können maximal mit 10mA belastet werden.
Bisher haben wir noch nicht über die Ströme in digitalen Bauelementen gesprochen. Wir haben CMOS (40xx oder 74HCxx) verwendet und da fließen keine Ströme 
Wenn wir genau hinsehen, können wir sehr kleine Ströme feststellen. In den Eingang eines CMOS-Gatters fließt etwa 1µA. Der Strom aus der Versorgungsspannung liegt beim 74HC00 bei 20µA.
Wir haben jedoch LEDs an den Ausgang von Gattern angeschlossen und dann fließt ein Strom. Dieser Strom wird begrenzt, weil
- das Gatter überlastet werden kann und
- der Ausgangspegel nicht mehr eingehalten wird.
Außerdem sind die zulässigen Ströme vom Ausgang zu 0V und von 5V zum Ausgang unterschiedlich.
Bei Standard-TTL (74xx, 74LSxx) ist zusätzlich zu beachten, dass bei LOW am Eingang ein Strom vom Gatter-Eingang zum 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 LOW 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 aus der Stromversorgung |
Raspberry Pi
Wir werden es immer wieder mit Ein- und Ausgängen von digitalen Systemen zu tun haben. Als Beispiel nehmen wir den Raspberry Pi.
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 mit 5V betrieben werden.
Ströme in / aus Ausgänge
Die GPIO-Ausgänge des Raspberry Pi sind vielseitig konfigurierbar. Als Ausgänge 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 minimal von einem GPIO-Anschluss entnommen werden, wenn die Logik-Pegel eingehalten werden sollen.
- Der eingestellte Strom ist nicht der maximale Strom, der von einem Pin entnommen werden kann, wenn die Pegel nicht eingehalten werden.
- Der Strom in oder aus einem Pin sollte 16mA nicht überschreiten.
- Die Summe aller Ströme in oder 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, sofern die Pegel eingehalten werden sollen.
- Die Digital-Ausgänge dürfen mit maximal 40mA belastet werden.
- Der Gesamtstrom aller Ausgänge darf 100mA nicht überschreiten.