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Logikschaltung mit einem Logik-Impuls-Injektor untersuchen.


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Logik-Impuls-Injektor

Beim Suchen von Fehlern in Logikschaltungen ist es hilfreich, wenn an bestimmte Stellen der Schaltung Impulse injiziert werden könnten. Dieses ist häufig schwierig, weil an dieser Stelle zwar Eingänge von Logikbausteinen liegen, aber auch der Ausgang eines Bausteins. Dieser Ausgang ist das Problem.

Wenn wir dem Ausgang des Baustein einfach eine 1 oder 0 aufzwingen, kann dieser überlastet werden. Wir prägen dem Ausgang nur für eine ganz kurze Zeit eine 1 oder 0 auf. Wir injizieren Logik-Impulse in die Schaltung.

Dazu brauchen wir eine Schaltung, die

  • kurze Impulse erzeugt,
  • dem Ausgang von Logikbausteinen eine 0 und
  • eine 1 aufprägen kann,
  • sowie die Möglichkeit die Impulse auszulösen.

Die Impulse können wir einfach mit einem Taster auslösen. Der Taster muss natürlich entprellt sein und beim Betätigen eine 1 und beim Loslassen eine 0 erzeugen.

Für die kurzen Impulse wären z.B. monostabile Multivibratoren geeignet. Um einem logischen Ausgang einen Pegel aufzuzwingen, wird allerdings ein kräftiger Treiber benötigt. Der Treiber soll aber nur während der kurzen Impulse aktiv sein und ansonsten die untersuchte Schaltung nicht beeinflussen.

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Bild 1: Schaltung des Impuls-Injektors

In der Mitte der Schaltung wird ein Timer 555 als Schmitt-Trigger verwendet. Der Taster wird durch das R-C-Glied R3 und C2 entprellt. Mit R2 wird ein Kurzschluss des Kondensators vermieden. Der Schmitt-Trigger vermeidet Probleme mit der langsam steigenden Spannung am Kondensator. Am Ausgang des Timers liegt ein eindeutiger logischer Pegel: 1 = Taste betätigt.

Der Transistor Q2 ist notwendig, weil der Timer die Ströme für Ausgangstransistoren nicht liefern kann. Q2 wird als einfacher Schalter eingesetzt.

Die Treiber für den Ausgang sind einfache Transistor-Schalter, die aber einen Strom von bis zu 200mA schalten können. Der PNP-Transistor Q3 für den 1-Impuls und der NPN-Transistor Q4 für die 0.

Für die Erzeugung der kurzen Impulse ist ein monostabiler Multivibrator zu aufwändig. Die Transistoren werden einfach über R-C-Glieder angesteuert. Q3 wird über R7 und C5 sowie Q4 über R6 und C6 angesteuert. Die Zeit ist etwa R7*C5=1kΩ*1nF=1µs.

Q4 wird nur bei der steigenden Flanke an Ausgang von Q2 eingeschaltet, Q3 bei der fallenden. Wenn beide Transistoren Q3 und Q4 gleichzeitig angesteuert würden, würden sie einen Kurzschluss der Versorgungsspannung erzeugen. Dieses kann nicht geschehen, weil durch das Entprellen des Tastes zwischen den Flanken mindestens 0,1s liegen.

Der LMC555 wird verwendet, weil damit der Impuls-Injektor für eine Versorgungsspannung von 3V bis 15V eingesetzt werden kann. Q1 verhindert eine Beschädigung bei Verpolung der Versorgungsspannung. LED1 zeigt die Verpolung an. LED1 zeigt das eine korrekte Versorgungsspannung anliegt und dient zur Beleuchtung der Messspitze. Q7 und R10 schützen den Impuls-Injektor, wenn versehentlich die Messspitze an eine fehlerhafte Spannung gelegt wird.

Wenn die Impulse abgegeben werden, fließen relativ hohe Ströme. Um Störungen zu vermeiden ist der Keramik-Kondensator C4 mit 1µF nötig.

Der Impuls-Injektor wird an die Versorgungsspannung der untersuchten Schaltung angeschlossen. Die Zuleitungen sollten möglichst kurz sein, um saubere Impulse generieren zu können.

Aufbau

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Die Darstellung des Layout wird ausführlich in Darstellung in KiCAD beschrieben.

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Bild 2: Layout des Impuls-Injektors

Der Impuls-Injektor kann auf eine kleine Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötinseln von 1,5cm*8cm aufgebaut werden. Das Layout geht von einer 2cm*8cm Patine aus, die im Internet leicht zu beschaffen ist. Sie wird längs auf beiden Seiten beschnitten.

Es werden fast nur SMD-Bauelemente verwendet. Der Aufbau erfordert also etwas Erfahrung im Löten.

Die weiße LED wird horizontal eingebaut, so dass sie die Messspitze beleuchten kann.

Im Layout wird zwar ein einzelner Pin eines Steckers dargestellt. Am besten wird aber ein Tapetennagel aus Stahl verwendet. Er ist viel robuster als ein Pin, stellt allerdings beim Löten ein Problem dar. Der zu verlötende Teil des Nagels muss gut gereinigt werden, z.B. mit Schmirgel und Messer.

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Bild 3: Impuls-Injektor von oben in 3D

Die Drahtbrücken sind gut zu erkennen.

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Bild 4: Impuls-Injektor von unten in 3D

Auch auf der Unterseite sind Drahtbrücken nötig.

Die Platine wird am besten einen durchsichtigen Schrumpfschlauch "eingebaut".

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Lochrasterplatine

Dieses Projekt wird auf einer Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötpunkten aufgebaut.

Wie es geht, beschreibt dieses Praktikum.

Ergebnisse

Der Impuls-Injektor erzeugt beim Betätigen der Taste einen einzelnen 1 Impuls und beim Loslassen einen einzelnen 0 Impuls mit einer Dauer von 1,5µs bis 2µs.

Bei einer Betriebsspannung von 5V wird der Ausgang eines 74HC4049 bei 0 auf unter 0,4V gezogen und bei 1 über 4,5V. Ebenso werden Pegel der Bustreiber 74HC245 und 75LS245 sauber behandelt.

Der Impuls-Injektor

  • arbeitet bei Betriebsspannungen von 3V bis 15V.
  • negative Betriebsspannung werden als fehlerhaft angezeigt.
  • eine Spannung von -15V bis +15V werden am Ausgang verkraftet
  • dabei fließt ein Strom von maximal 1,5mA
  • wenn keine Betriebsspannung anliegt, aber am Ausgang eine positive Spannung, leuchtet die weiße LED.
  • liegt der Ausgang unmittelbar an +5V, bzw. bei 5V Versorgung an Masse, wird ein Impuls von 2µs und 500mA erzeugt.
  • bei +15V sind es bis zu 1,5A.

Der Prototyp

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Bild 5: Prototyp des Impuls-Injektors

Die Drahtbrücken wurden mit lötbarem Kupferlackdraht hergestellt.

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Bild 6: Prototyp des Impuls-Injektors von oben
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Bild 7: Prototyp des Impuls-Injektors von unten