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.

Meistens 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
5V-CMOS	5V	1V	3,5V
3,3V-CMOS	3,3V	0,8V	2,3V

Tabelle 1: Spannungspegel von CMOS

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

Wir brauchen 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. Bei U1B wird U_i mit U_il verglichen. Die Spannungen U_il und U_ih werden über die Spannungsteiler 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 stimmen überein. Sie sind unabhängig von der Versorgungsspannung.

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

Tabelle 1: Spannungspegel von TTL und LVT

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

Der TL431 liefert 2,495V (2,44V bis 2,55V). 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 1,5V 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. Wenn dieses mit einem einfachen Umschalter gelingen soll, muss die Referenzspannung angepasst werden.

Der Spannungsteiler R₁ und R₃ sorgt dafür, dass die Eingangsspannung immer 1,5V 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 2,78V eingestellt. Diese Referenzspannung wird nur für TTL verwendet. Anstelle des TL431 mit einer internen Referenzspannung von 2,5V kann auch der TVL431 mit einer Referenzspannung von 1,24V verwendet werden. Beim TL431 ist R₄=1,8kΩ und R₅=16kΩ. Beim TVL431 ist R₄=15kΩ und R₅=12kΩ.

Mit diesem Logiktester können die Pegel relativ genau gemessen werden.

Nur für niedrige Frequenzen

Der Logiktester nach Bild 3 ist nur für Frequenzen bis 200kHz geeignet. Mit dem LM358 sind nur 20kHz 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
3,3V	0,4V	2,2V
5V	0,8V	2,2V

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

Digitale Logiktester

Digitale Logiktester sind in der Regel mit Mikrocontrollern aufgebaut. Geeignete Mikrocontroller enthalten Komparatoren. Die Referenzspannungen werden von internen Digital-Analog-Wandlern erzeugt. Dadurch entfallen Spannungsteiler und die Pegel können genau an die jeweilige Technologie angepasst werden. Dieses Verfahren wird bei der LogicProbe mit PIC verwendet.

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