Logikpegel messen

Wir entwickeln einen Logiktester, der die Logikpegel genau misst.

Zuerst müssen wir entscheiden, was wir messen wollen. Die Pegel aus der Sicht eines Logikausgangs oder aus der Sicht eines Eingangs.

Meist messen wir an einem Ausgang, der mit Eingängen verbunden ist. Daher ist es sinnvoll, den Logikpegel aus der Sicht eines Eingangs zu messen.

Wir untersuchen, ob ein HIGH größer als U_ih und ein LOW kleiner als U_il ist.

Aber welche Pegel betrachten wir? Die für CMOS, TTL, ...?

CMOS messen

Beginnen wir mit CMOS. Hier gilt U_ih = 0,7* U_v und U_il = 0,25 * U_v.

Die Pegel hängen von der Versorgungsspannung U_v ab.

Technologie	Uv	Uil	Uih
5 V-CMOS	5 V	1 V	3,5 V
3,3 V-CMOS	3,3 V	0,8 V	2,3 V

Tabelle 1: Spannungspegel von CMOS

Wie messen wir die Pegel? Wir brauchen die Spannung nicht zu messen, sondern nur festzustellen, ob die Pegel unter- oder überschritten werden. Dazu brauchen wir Komparatoren, die wir aus dem Praktikum Spannungen mit Operationsverstärkern vergleichen kennen.

Wir benötigen zwei Komparatoren. Einen, der prüft, ob U_i>U_ih ist, und einen, der prüft, ob U_i<U_il ist.

Die beiden Komparatoren in Bild 1 liefern ein LOW, wenn die obigen Bedingungen erfüllt sind. Sie invertieren also. Der Komparator U1A vergleicht U_i mit U_ih. U1B vergleicht U_i mit U_il. Die Spannungen U_il und U_ih werden von den Spannungsteilern R₄, R₅ und R₆ gebildet: Sie werden von der Versorgungsspannung U_v abgeleitet. Der offene Eingang wird mit dem Spannungsteiler R₁ und R₂ auf U_v/2 eingestellt.

TTL messen

Die Pegel von TTL und LVT sind identisch. Sie sind von der Versorgungsspannung unabhängig.

Technologie	Uv	Uil	Uih
5 V-TTL	5 V	0,8 V	2,0 V
3,3 V-LVT	3,3 V	0,8 V	2,0 V

Tabelle 2: Spannungspegel von TTL und LVT

Im Prinzip können wir die Schaltung für CMOS in Bild 1 verwenden. Allerdings müssen wir andere Spannungspegel einstellen und diese müssen von der Versorgungsspannung unabhängig sein. Diese Referenzspannung können wir z. B. mit einer Z-Diode erzeugen. Eine Z-Diode um 2 V ist ziemlich ungenau. Besser ist es, eine Referenzspannungsquelle zu verwenden.

Der TL431 liefert 2,495 V (2,44 V bis 2,55 V). Die Spannungsteiler R₄, R₅ und R₆ liefern die Spannungen U_ih und U_il. Der offene Eingang wird mit dem Spannungsteiler R₁ und R₂ auf 1,5 V eingestellt.

CMOS und TTL messen

Die Schaltungen in Bild 1 und Bild 2 sind sehr ähnlich. Wir können sie zusammenfassen. Allerdings müssen die Pegel zwischen TTL und CMOS umgeschaltet werden. Um dies mit einem einfachen Umschalter zu erreichen, muss die Referenzspannung angepasst werden.

Der Spannungsteiler R₁ und R₃ sorgt dafür, dass die Eingangsspannung immer 1,5 V unter der Versorgungsspannung liegt. Dies wird sowohl vom Operationsverstärker TLC3702 als auch vom LM358 gefordert. Da R₁=R₃ ist, wird die Eingangsspannung halbiert. Die Spannungsteiler R₇, R₈ und R₉ wurden entsprechend angepasst, sodass U_il und U_ih ebenfalls halbiert werden.

Mit der Referenzspannungsquelle VR1 wird über den Spannungsteiler R₄ und R₅ eine Referenzspannung von 2,78 V eingestellt. Diese Referenzspannung wird nur für TTL verwendet. Anstelle des TL431 mit einer internen Referenzspannung von 2,5 V kann auch der TVL431 mit einer Referenzspannung von 1,24 V verwendet werden. Beim TL431 ist R₄=1,8 kΩ und R₅=16 kΩ. Beim TVL431 ist R₄=15 kΩ und R₅=12 kΩ.

Mit diesem Logiktester können die Pegel relativ genau gemessen werden.

Nur für niedrige Frequenzen

Der Logiktester nach Bild 3 ist nur für Frequenzen bis 200 kHz geeignet. Mit dem LM358 sind nur 20 kHz möglich.

Für höhere Frequenzen sind spezielle Komparatoren für hohe Frequenzen erforderlich.

Einfache Logiktester

Die in den Projekten Logiktester mit Transistoren bzw. Logiktester mit Impulserkennung vorgestellten Logiktester reagieren auf die folgenden Pegel:

Uv	LOW	HIGH
3,3 V	0,4 V	2,2 V
5 V	0,8 V	2,2 V

Der HIGH-Pegel ist für TTL etwas zu hoch und für CMOS zu niedrig. Bei CMOS liegt er bei 5 V unter U_v/2, wodurch falsche Pegel angezeigt werden können. Der Logiktester ist einfach und für die meisten Messungen ausreichend.

Digitale Logiktester

Digitale Logiktester sind in der Regel mit Mikrocontrollern aufgebaut. Geeignete Mikrocontroller enthalten Komparatoren. Die Referenzspannungen werden durch interne Digital-Analog-Wandler erzeugt. Dadurch werden Spannungsteiler überflüssig und die Pegel können genau an die jeweilige Technologie angepasst werden. Dies wird bei der LogicProbe mit PIC eingesetzt.

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