Logik-Impuls-Injektor

Zum Kopf

Bei der Fehlersuche in logischen Schaltungen ist es hilfreich, wenn an bestimmten Stellen der Schaltung Impulse eingespeist werden können. Wir injizieren zusätzliche Impulse.

Logik-Impuls-Injektor und Logiktester

Ein Logik-Impuls-Injektor ist die ideale Ergänzung zu einem Logiktester.

Der Logiktester wertet die Signale einer digitalen Leitung (Ausgang) aus.

Der Logik-Impuls-Injektor erzeugt (injiziert) Signale in eine andere Leitung.

Der Logiktester zeigt die Wirkung der injizierten Signale.

Damit kann die Wirkung einer Digitalschaltung analysiert und

Fehler erkannt werden.

Wir wollen in eine bestehende Digitalschaltung eingreifen, ohne sie zu verändern.

Offene Eingänge sind unproblematisch: Wir brauchen nur ein digitales Signal einzugeben.

Problematisch sind dagegen Leitungen innerhalb einer Schaltung. Auf einer Leitung befinden sich zwar Eingänge von Logikbausteinen, aber auch der Ausgang eines Bausteins.

Dieser Ausgang ist das Problem.

Wir könnten die Leitung vom Ausgang trennen.

Wenn wir dem Ausgang des Bausteins einfach ein HIGH oder LOW aufzwingen, kann er überlastet werden.

Besser ist es, dem Ausgang nur für sehr kurze Zeit ein HIGH oder ein LOW aufzuzwingen. Wir geben Logik-Impulse in die Digitalschaltung ein.

LOW oder High

Wir verwenden hier die Pegel LOW und High.

Der Pegel LOW ist die logische 0

LOW ist unter 0,8V

Der Pegel HIGH ist die logische 1

HIGH ist über 2,4V

Mehr in Logikpegel

Fehlersuche mit

Logik-Impuls-Injektor und Logiktester

Wenn an einem Ausgang das Ergebnis nicht mit dem erwarteten entspricht,

gibt es grundsätzlich drei Strategien zur Fehlersuche:

vom Anfang zum Ende,

vom Ende zum Anfang und

zur Not von der Mitte zur Mitte.

Die Chaos-Strategie ist in der Regel wenig erfolgreich.

Es ist hilfreich,

Signale einzuspeisen, da in den meisten Fällen keine Leitungen unterbrochen werden müssen.

Dazu ist eine Schaltung erforderlich, die an den Ausgängen der Logikbausteine kurze Impulse erzeugen kann, die ihnen

LOW-Impulse oder

HIGH-Impulse aufprägen.

Wir können die Impulse einfach mit einem Taster auslösen. Der Taster muss natürlich entprellt sein und beim Drücken ein HIGH und beim Loslassen ein LOW erzeugen.

Für die kurzen Impulse eignen sich z.B. monostabile Multivibratoren. Um einem Logikausgang einen Pegel aufzuzwingen, ist jedoch ein starker Treiber erforderlich. Der Treiber sollte nur während der kurzen Impulse aktiv sein und die zu untersuchende Schaltung ansonsten nicht beeinflussen.

Manchmal ist es hilfreich, wenn auch eine Impulsfolge eingespeist werden kann.

In der Mitte der Schaltung wird ein Timer 555 als Schmitt-Trigger und als astabiler Multivibrator verwendet. Der LMC555 wird verwendet, weil damit der Impuls-Injektor mit einer Versorgungsspannung zwischen 3V und 15V betrieben werden kann.

Der Taster SW1 löst Einzelimpulse aus. Er wird durch das R-C-Glied R₃ und C₂ entprellt. Mit R₂ verhindert einen Kurzschluss des Kondensators. Der Timer 555 arbeitet als Schmitt-Trigger. Der Schmitt-Trigger vermeidet Probleme mit der langsam ansteigenden Spannung am Kondensator C₂. Am Ausgang des Timers liegt ein eindeutiger Logikpegel an: HIGH = Taster betätigt.

Der Taster SW2 schaltet den Timer 555 in den astabilen Betrieb. Mit den Widerständen R₄, R₅ und dem Kondensator C₁ wird eine Frequenz von ca. 4,8kHz eingestellt, d.h. eine Periode von ca. 210µs.

Der Transistor Q2 wird benötigt, da der Timer LMC555 die Ströme für die Ausgangstransistoren nicht liefern kann. Q2 wird als einfacher Schalter verwendet.

Die Ausgangstreiber sind ebenfalls einfache Transistorschalter, die jedoch einen Strom von bis zu 200mA schalten müssen. Der PNP-Transistor Q3 erzeugt den HIGH-Impuls und der NPN-Transistor Q4 den LOW-Impuls.

Um die kurzen Impulse für die Ausgangstreiber zu erzeugen, sind monostabile Multivibratoren zu aufwendig. Die Transistoren werden einfach über R-C-Glieder angesteuert. Q3 wird über R₈ und C₄ sowie Q4 über R₇ und C₅ angesteuert. Die Zeit beträgt etwa R₇ * C₅ = R₈ * C₄ = 1kΩ * 1nF = 1µs.

Q4 wird nur mit der steigenden Flanke am Ausgang von Q2 eingeschaltet, Q3 mit der fallenden. Würden beide Transistoren Q3 und Q4 gleichzeitig eingeschaltet, würden sie die Versorgungsspannung kurzschließen. Dies kann nicht passieren, weil durch die Entprellung des Tasters mindestens 0,1s zwischen den von R₃ und C₁ erzeugten Flanken liegen. Beim Betrieb als astabiler Multivibrator beträgt die Zeit zwischen LOW und HIGH mindestens 70µs.

Q1 verhindert Schäden bei Verpolung der Versorgungsspannung. LED1 zeigt die Verpolung an. LED2 zeigt die korrekte Versorgungsspannung an und dient gleichzeitig zur Beleuchtung der Messspitze.

C₇ und R₁₁ schützen den Impuls-Injektor, falls die Messspitze versehentlich an eine falsche Spannung angeschlossen wird.

Bei der Abgabe von Impulsen fließen kurzzeitig relativ hohe Ströme in der Stromversorgung. Um Störungen zu vermeiden, ist der Keramikkondensator C₃ mit 1µF erforderlich.

Der Impuls-Injektor wird an die Versorgungsspannung der zu prüfenden Schaltung angeschlossen. Die Zuleitungen sollten so kurz wie möglich sein, um saubere Impulse zu erzeugen.

Aufbau

Stückliste

Bauelement	Wert	Typ	Stück	Preis	Gesamtpreis	Reichelt ebay Suche
R₁, R₄, R₅, R₇, R₈, R₉, R₁₀	1kΩ	SMD 603	7	0.02	0.14	RND 1550603 BK
R₂, R₁₁	10k	SMD 603	2	0.02	0.04	RND 0603 1 10K
R₃	910kΩ	SMD 603	1	0.02	0.02	RND 155HP03 EP
R₆	4,7kΩ	SMD 603	1	0.02	0.02	RND 0603 1 4,7K
C₁, C₂	100nF/25V	SMD 603	2	0.02	0.04	KEM Y5V0603 100N
C₃	1µF/25V	SMD 1206	1	0.05	0.05	KEM Y5V1206 1,0U
C₄, C₅	1nF/50V	SMD 603	2	0.03	0.06	KEM X7R0603 1,0N
C₆	1µF/25V	Scheibe, RM 5mm	1	0.40	0.40	Keramikkondensator 1µf
LED1	3mm/rot		1	0.07	0.07	LED 3MM RT
LED2	3mm/weiß		1	0.23	0.23	EVL 264-15/T2C4
U1	LMC 555	DIL8	1	0.28	0.28	TLC 555 CP
Q1	IRLML6402	SOT-23	1	0.86	0.86	IRLML 6402
Q2, Q4	BC817	SOT-23	2	0.03	0.06	BC 817-25 DIO
Q3	BC807	SOT-23	1	0.05	0.05	RND BC807
SW1, SW2	Kurzhubaster	6x6mm, Höhe: 4,3mm	2	0.16	0.32	TASTER 3301
Lochrasterplatine	20mm x 80mm	beidseitig RM 2,54mm	1	2.20	2.20	Lochrasterplatine 20 x 80
Summe					4.84

Der Kondensator C₃ ist eine Keramik-Scheibe mit einem Raster von 5mm. Er kann auch bei Pollin oder Conrad bezogen werden.

Lochrasterplatine

Dieses Projekt wird auf einer Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötpunkten aufgebaut.

Wie es geht, beschreibt dieses Praktikum.

Die Darstellung des Layouts ist in Darstellung in KiCAD ausführlich beschrieben.

Der Impuls-Injektor kann auf einer kleinen Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötinseln von 1,5cm * 8cm aufgebaut werden. Das Layout geht von einer 2cm * 8cm großen Platine aus. Sie wird nach der Bestückung an beiden Seiten längs beschnitten und vorne abgeschrägt.

Es werden fast ausschließlich SMD-Bauteile verwendet. Der Aufbau erfordert daher etwas Erfahrung im Löten.

Die Taster haben vier Anschlüsse, die jeweils paarweise verbunden sind. Im Layout ist dies durch die hellroten Linien angedeutet.

Die weiße LED wird liegend eingebaut, damit sie die Messspitze beleuchten kann.

Als Messspitze wird ein Tapetennagel aus Stahl verwendet.

Der Logik-Impuls-Injektor wird am besten in einen transparenten Schrumpfschlauch "eingebaut".

Die Drahtbrücken sind gut zu erkennen.

Auch auf der Unterseite sind Drahtbrücken nötig.

Iterativer Aufbau

Siehe Pragmatische Vorgehensweise

Test-Geräte

Wir brauchen eine Test-LED: eine LED mit einem Vorwiderstand von 1kΩ und zwei Messleitungen.

Wer den Spannungs-Tester hat, ist bestens ausgerüstet.

Zusätzlich wird ein Logiktester mit Impulserkennung benötigt:

Logiktester mit Impulserkennung oder

LogicProbe mit PIC

Beschriftung

Die 2cm * 6cm Platinen sind mit A, B, ... beschriftet.

Dieses ist hilfreich beim Bestücken.

Aber die Zählweise der Ober- und Unterseite kann unterschiedlich sein.

Nomenklatur

(C,02) sind die Koordinaten eines Lötpunkts.

(C,02)+(C,03) sind Lötpunkte, an die ein Bauelement gelötet wird.

(C,02)-(D,03) Verbindung von (C,02) nach (D,03) wie im Layout dargestellt.

U1(8) bezeichnet den Anschluss 8 des Bauelements U1.

Runde 1 (Stromversorgung)

Die Drahtbrücken wurden mit lötbarem Kupferlackdraht erstellt

Wir beginnen mit den beiden Anschlussdrähten. Die Löcher für die Durchführungen müssen aufgebohrt werden. Erst anlöten und dann durchziehen.

C₁ (Z,02)+(Y,02) und R₁ (X,05)+(X,04) auf der Oberseite eingelötet Die LED1 (X,03)+(Y,03) wird von der Oberseite eingesetzt und auf der Unterseite angelötet.

Danach wird Q1 auf der Unterseite bei (V,04), und (V,03) angelötet.

Die folgenden Verbindungen werden alle auf der Unterseite hergestellt:

Von U+ (Z,05) zu R₁ (X,05) und der Drain von Q₁ (W,04) und (W,03).

Ebenso wird LED1 (Y,03) über U- (Z,03) mit C₁ (Z,02) verbunden.

Schließlich werden R₁ (X,04) und LDE1 (X,03) verbunden.

R₁₀ (E,02)+(E,03), C₅ (G,02)+(H,02) und R₂ (V,02)+(W,02) werden von der Oberseite gelötet, weil diese nach dem Einsetzen der Drahtbrücken für GND nicht mehr gut zu löten wären.

Wir setzen die Drahtbrücken JP1 bis JP5 für GND von (C,02) über (F,02), (I,02), (K,02), (T,02) bis (A',02) von der Oberseite ein. Einige werden in das gleiche Lötloch gesetzt.

JP5 (A',02) wird auf der Unterseite mit C₂ (Z,02) verbunden.

Nun muss noch die Verbindung von GND (T,02) zum Gate von Q1 (V,03) auf der Unterseite hergestellt werden.

Test 1: Stromversorgung

Wenn U+ mit +5V verbunden wird, darf LED1 nicht leuchten. Die antiparallel zu LED1 (X,03)+(Y,03) gelegte Test-LED sollte leuchten.

An der Source von Q1 (V,04) muss +5V liegen. Die Test-LED sollte zwischen Source von Q1 (V,04) und GND (Z,03) leuchten.

Wird die Stromquelle verpolt (Minus an U+), muss LED1 leuchten und zwischen der Source von Q1 (V,04) und GND (Z,03) darf keine Spannung liegen. Die Test-LED darf zwischen der Source von Q1 (V,04) und GND (Z,03) nicht leuchten.

Runde 2 (Timer)

U1 (L,02)+(O,05), SW1 (P,02)+(R,05) und SW2 (S,02)+(U,05) von der Oberseite einsetzen und auf der Unterseite verlöten.

R₃ (R,04)+(S,04), R₄ (O,03)+(P,03), R₅ (M04)+(N,04), R₆ (L,03)+(M,03) und C₂ (O,04)+(P,04) auf der Unterseite einlöten.

Auf der Unterseite:

U1(7) (M,05), R₅ (N,04) und R₄ (O,03) verbinden.

U1(4) (O,02), R₅ (M,04) mit U1(8) (L,05) und JP6 (K05) verbinden, aber (K05) noch nicht verlöten.

U1(3) (N,02) mit R₆ (M,03) verbinden.

JP3 und JP4 bei (K,02) mit U1(1) (L,02) verbinden.

C₂ (O,04) mit U1(5) (O,05) verbinden.

R₂ (V,02) mit SW1 (U,02) verbinden.

JP1 (T,01) mit SW1 (S,01) und C₂ (P,04) verbinden.

R₄ (P,03) mit SW1 (R,02) verbinden.

SW2 (P,05) über (Q,05) mit und R₃ (R,04) auf der Unterseite verbinden, aber (Q,05) noch nicht verlöten.

Dann JP8 (Q,05)+(N,05) auf der Unterseite einsetzen.

U1(2) (M,05) mit SW2 (P,05) auf der Unterseite mit JP8 verbinden.

JP10 (Q,02)+(X,02) auf der Unterseite einbauen und über (Q,02)-(P,02) sowie (X,02)-(Y-02) verbinden.

JP6 (K,05)+(T,05) von der Oberseite einbauen.

R₃ (S,04) mit Q1 (V,04) auf der Unterseite verbinden und dann mit JP6 (T,05)-(T,04).

Test 2: Timer

U+ an +5V und U- an 0V anschließen. Den Logiktester an dieselbe Stromversorgung anschließen.

Mit dem Logikstift: Liegt an U1(1) 0V (LOW) und an U1(8) und U1(4) 5V (HIGH)?

Mit dem Logikstift: Liegt an U1(3) (LOW)?

Wenn nicht, die Leitungen der Stromversorgung überprüfen.

Wird der Taster SW1 betätigt, gibt U1(3) (HIGH) ab.

Wird der Taster SW1 wieder losgelassen, gibt U1(3) wieder (LOW) ab.

Wird der Taster SW2 betätigt, liegen an U1(3) Impulse.

Der Logikstift muss sowohl (HIGH) als auch (LOW) und Impulse anzeigen.

Wenn an U1(3) keine Impulse liegen:

Fehlersuche

Wenn keine Taster betätigt sind, liegt an U1(2) ein schwaches (HIGH), weil es über R₃ mit 910k erzeugt wird.

An U1(2) muss (LOW) liegen, wenn SW1 betätigt wird.

Am Taster SW1 (U,02) muss wie an U1(2) ein schwaches (HIGH) liegen, wenn SW1 nicht betätigt ist.

Am Taster SW1 (U,02) muss (LOW) liegen, wenn SW1 betätigt wird.

Liegt am Taster SW1 (S,02) (LOW)?

Am Taster SW2 (R,02) muss (HIGH) liegen, wenn SW2 nicht betätigt ist.

Wird der Taster SW2 betätigt, muss das (HIGH) an (U,02) heller werden.

Das Signal an U2(6) muss mit U1(2) identisch sein.

An U2(7) muss (LOW) liegen, wenn kein Taster betätigt wird.

An U2(7) muss (HIGH) liegen, wenn SW1 betätigt wird.

An U2(7) müssen Impulse liegen und (LOW) als auch (HIGH) erzeugt werden.

An C₁ (Z,02) muss (LOW) liegen.

An C₁ (Y,02) müssen die gleichen Pegel liegen wie an U2(6) und U1(2).

Sind C₁, R₂, R₃, R₄ und R₅ korrekt angeschlossen?

Runde 3 (Ausgangsstufe)

R₇ (I,05)+(I,04), R₈ (G,03)+(H,03), R₉ (F,05)+(F,04), R₁₁ (B,04)+(B,03), C₄ (G,04)+(H,04) und Q3 (E,05)+(E,04) auf der Oberseite einlöten.

C₃ (I,05)+(I,03) von der Oberseite einsetzen und auf der Unterseite anlöten.

C₆ (B,04)+(B,03), Q2 (K,03)+K(02) und Q4 (E,03)+(E,02) auf der Unterseite einlöten.

Auf der Oberseite den Kollektor von Q3 mit (D,05) und (D,04) verbinden.

Weiter auf der Unterseite:

R₆ (L,03) mir der Basis von Q2 (K,03) verbinden.

Kollektor von Q2 (J,02) und (J,03) mit R₇ (J,04) über (I,04) mit R₈ (H,03) weiter mit C₅ (H,02) verbinden.

R₈ (H,04) und C₄ (G,03) sowie C₄ (G,04) über R₉ (F,04) mit Q3 (E,04) verbinden.

Die Basis von Q4 (E,03) mit C₅ (G,02) verbinden.

Den Kollektor von Q4 (D,02) mit dem Kollektor von Q3 (D,04) verbinden .

Den Kollektor von Q3 (D,05) über (B,05) mit C₆ (B,04) verbinden.

Den Emitter von Q4 (E,02)-(F,02) mit GND verbinden.

Den Emitter von Q3 (E,05) mit JP6 (K,05) verbinden. Damit wird auch R₉, C₃ und R₇ mit VCC verbunden.

Test 3: Ausgangsstufe

U+ an +5V und U- an 0V anschließen. Der Logiktester wird an dieselbe Stromversorgung angeschlossen.

An (B,03) wird ein Draht gelötet und als provisorischer Ausgang verwendet.

Wenn der Ausgang offenen ist, zeigt der Logiktester am Ausgang weder (LOW) noch (HIGH) an, also (OFFEN).

Einen 100Ω Widerstand zwischen Ausgang und Masse (GND) legen und mit dem Logiktester am Ausgang messen:

Der Logiktester zeigt (LOW) an.

Wenn der Taster SW1 betätigt wird, gibt der Ausgang einen Impuls ab.

Wenn der Taster SW2 betätigt wird, gibt der Ausgang Impulse ab.

Einen 100Ω Widerstand zwischen Ausgang und U+ legen und mit dem Logiktester am Ausgang messen:

Der Logiktester zeigt (HIGH) an.

Wenn der Taster SW1 betätigt wird, gibt der Ausgang erst dann einen Impuls ab, wenn der Taster losgelassen wird.

Wenn der Taster SW2 betätigt wird, gibt der Ausgang Impulse ab.

Fehlersuche

Wenn der Taster SW2 betätigt wird, gibt der Ausgang U1(3) Impulse aus.

Wir messen am Kollektor von Q2 (J,02) und (J,03):

dort liegt normalerweise (HIGH).

Wenn SW1 betätigt wird, liegt dort LOW.

Wenn SW2 betätigt wird, werden Impulse ausgegeben.

Am Emitter von Q3 (E,05) liegt (HIGH).

An der Basis von Q3 (E,04) liegt (HIGH).

Wenn SW2 betätigt wird, werden an der Basis von Q3 (E,04) keine Impulse angezeigt.

Am Emitter von Q4 (E,02) liegt (LOW).

An der Basis von Q4 (E,03) liegt (LOW).

Wenn SW2 betätigt wird, werden an der Basis von Q4 (E,03) keine Impulse angezeigt.

Wenn SW2 betätigt wird, liegen am Kollektor von Q3 (D,05) und (D,04) Impulse.

Wenn SW2 betätigt wird, liegen am Kollektor von Q4 (D,02) und (D,03) Impulse.

Runde 4 (Fertig aufbauen)

LED2 (C,04)+(C,03) von der Oberseite einlöten.

LED2 mit GND (C,02)-(C03) auf der Unterseite verbinden.

Die Drahtbrücke JP7 (C,04)+(Y-04) auf der Unterseite einlöten.

Test 4 Funktionsprüfung

U+ mit +5V und U- mit 0V verbinden. Den Logiktester an dieselbe Stromversorgung anschließen.

An (B,03) wird ein Draht gelötet und als provisorischer Ausgang benutzt.

Der Tapetennagel wird erst eingebaut, wenn der Logik-Impuls-Injektor alle Tests bestanden hat und die Platine auf die richtige Größe gebracht wurde.

Wenn die Stromversorgung korrekt angeschlossen ist, leuchtet LED2.

Wenn die Stromversorgung verpolt ist, leuchtet LED1.

Vorbereitung auf einem Steckboard:

Alle Eingänge der sechs Inverter eines 74HC4049 parallel schalten und über einen 1kΩ Widerstand an +5V legen. Alle Ausgänge der Inverter des 74HC4049 parallel schalten. Der 74HC4049 hat dieselbe Stromversorgung wie der Logik-Impuls-Injektor und der Logiktester.

Wenn der Logik-Impuls-Injektor an die Ausgänge des 74HC4049 angeschlossen wird und Taster SW2 betätigt wird, zeigt der Logiktester Impulse an.

Wenn die Eingänge des 74HC4049 auf GND (0V) gelegt werden, zeigt der Logiktester ebenfalls Impulse an.

Die Tests mit einer 3,3V und einer 12V Stromversorgung wiederholen.

Platine fertig stellen

Die Platine wird auf Maß bearbeitet.

Anstelle des blanken Drahts wird der Tapetennagel angelötet.

Die Platine wird anschließend mit Spiritus gereinigt und dann in einen transparenten Schrumpfschlauch "eingebaut".

Messspitze

Als Messspitze eignet sich ein Tapetennagel aus Stahl.

Stahl lässt sich jedoch nicht gut löten.

Vor dem Löten mit Schmirgel blank schleifen.

Kein Lötfett oder gar Säure verwenden.

Ergebnisse

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

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

Der Impuls-Injektor

arbeitet mit Betriebsspannungen zwischen 3V und 15V,

negative Betriebsspannungen werden als Fehler angezeigt,

am Ausgang werden Spannungen von -15V bis +15V toleriert.

Liegt der Ausgang unmittelbar an +5V, wird ein Strom-Impuls nach Masse (GND) von 500mA für 2µs erzeugt.

Liegt der Ausgang direkt an Masse (GND), wird ein Strom-Impuls von 500mA für 2µs erzeugt.

Bei +15V sind es bis zu 1,5A.

Messungen

Die folgenden Messungen wurden am Ausgang von sechs parallel geschalteten Invertern 74HC4049 bei einer Versorgungsspannung von 5V durchgeführt.

Bild 5: Sechs parallelen 74HC4049-Ausgängen mit LOW wird HIGH aufgeprägt

Bild 6: Sechs parallelen 74HC4049-Ausgängen mit HIGH wird LOW aufgeprägt

Der Prototyp

Bild 8: Prototyp des Impuls-Injektors von oben

Die Drahtbrücken wurden mit lötbarem Kupferlackdraht hergestellt.

Bild 7: Prototyp des Impuls-Injektors von unten