Logiktester mit Impulserkennung
Tester für Alltag
Ein Logiktester (Logic Probe oder Logikstift) ist
- schnell zur Hand,
- reicht aus, um die meisten Fehler in Digitalschaltungen zu finden und
- macht oft den Einsatz eines Oszilloskops oder Logikanalysators überflüssig.
Schlägt die Großen
Dieser Logiktester braucht sich hinter keinem wesentlich teuren Logiktester zu verstecken:
- Logikpegel werden gut erkannt
- für CMOS zwischen 3V und 12V
- für 3,3V TTL und 5V TTL
- Impulse werden erkannt
Robust
Dieser Logiktester toleriert Fehlbedienungen
- Betriebsspannung bis +12V
- Verpolung der Betriebsspannung bis -12V
- Eingangsspannung bis +-12V
Für Einsteiger
Der Logiktester eignet sehr gut für Einsteiger.
Der Aufbau ist einfach.
- Kostet etwas mehr als 1€.
Mehr über Logiktester
Wer mehr über Logiktester wissen möchte:
In der dynamischen Digitaltechnik haben wir uns mit der Erkennung von Impulsen beschäftigt. In diesem Zusammenhang haben wir auch die Erzeugung von Impulsen betrachtet.
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
Um Logikschaltungen zu untersuchen, genügt es nicht, nur den logischen Zustand der Ausgänge zu untersuchen, sondern auch ihr zeitliches Verhalten. Es ist hilfreich zu wissen, ob Impulse auftreten. In vielen Fällen kann es daran erkannt werden, wenn der Logiktester (Logic Probe) sowohl LOW als auch HIGH anzeigt. Problematisch wird es, wenn nur relativ kurze Impulse auftreten. Zum Beispiel ist der Ausgang immer HIGH und nur jede Sekunde wird für 1µs LOW ausgegeben. Das kurze Blitzen (1µs) einer LED nehmen wir nicht mehr wahr.
Wir brauchen eine Schaltung, die Impulse sichtbar macht. Im Praktikum Impulse erkennen haben wir dazu monostabile Multivibratoren verwendet. Wir beschreiten hier einen Weg, der einfacher ist. In Anlehnung an den Logiktester mit Transistoren wollen wir eine sehr einfache Schaltung verwenden.
Impulserkennung
Wir beginnen mit einer Schaltung, die davon ausgeht, dass der Zustand am Eingang fasst immer LOW ist. Nur für sehr kurze Zeit tritt ein Impuls mit HIGH auf.
- Beim Aufbau auf dem Steckboard
- zuerst R1 einsetzen
- dann den empfindlichen MOSFET 2N7000.
Das wesentliche Element der Schaltung in Bild 1 ist der N-MOSFET 2N7000.
Liegt am Eingang LOW, sperrt der MOSFET und die LED ist dunkel.
Ist Eingang HIGH, liegt über die Diode eine positive Spannung am Gate des MOSFETs. Der MOSFET schaltet ein und die LED zum leuchtet. Die Eingangsspannung lädt auch den Kondensator auf.
Geht der Eingang wieder auf LOW, sperrt die Diode und die Spannung am Kondensator fällt langsam ab. Der MOSFET bleibt noch eine gewisse Zeit eingeschaltet, bis die Spannung am Gate nicht mehr ausreicht. Diese Zeit wird durch das RC-Glied R1 und C2 bestimmt und kann wesentlich länger als der HIGH-Impuls am Eingang sein. Dadurch werden sehr kurze HIGH-Impulse verlängert und sichtbar gemacht.
Wenn am Eingang HIGH anliegt und ein kurzer LOW-Impuls auftritt, versagt die Schaltung in Bild 1. Der MOSFET ist immer eingeschaltet. Er kann nur kurze HIGH-Impulse erkennen.
Hier wird der MOSFET 2N7000 verwendet. Er ist sehr empfindlich gegen elektrostatische Entladungen.
Bitte Vorsicht-elektrostatische-Entladung beachten.
In Bild 2 ist der Schaltung von Bild 1 ein Kondensator C1 vorgeschaltet. Wenn nun ein Übergang von LOW nach HIGH auftritt, gibt der Kondensator C1 einen kurzen HIGH-Impuls ab. Beide Kondensatoren sind über die Diode D3 in Reihe geschaltet und laden sich auf. Da C2 viel kleiner als C1 ist, fällt an ihm fast die gesamte Spannung ab. Der MOSFET schaltet für eine bestimmte Zeit ein.
HIGH am Eingang hat keine Wirkung mehr, weil es durch den Kondensator C1 blockiert wird.
Wechselt die Spannung am Eingang von HIGH auf LOW, wird der Kondensator C1 über die Diode D2 entladen. Die Diode D3 sperrt und C2 entlädt sich langsam.
Die Schaltung in Bild 2 kann nur steigende ↑ Flanken erkennen. Wenn ganz kurze Impulse auftreten, liegen die steigenden und fallenden Flanken sehr nahe beieinander. Wir brauchen sie nicht zu unterscheiden. Längere Impulse können nicht erkannt werden.
Eine ähnliche Schaltung wird im Praktikum Spannungen wandeln behandelt.
Logiktester und Impulserkennung
Die Schaltung in Bild 2 ist eine gute Ergänzung zum Logiktester mit Transistoren. Wir bauen einfach alles zusammen.
Die Schaltung in Bild 3 enthält den Logiktester mit 2 Transistoren und die eine Impulserkennung. Die Kondensatoren C1 und C2 sind wesentlich kleiner als in Bild 2. Der Widerstand zu Entladen von C2 ist nicht enthalten. Der Reststrom von D3 reicht aus, um C2 zu entladen. Die Zeitkonstante hängt damit also von den Werten der Dioden ab. Der 1MΩ Widerstand R5 parallel zu D2 sorgt für die Entladung von C1.
Die LED4 ist für die Funktion der Schaltung nicht erforderlich. Sie schützt die LED3 vor negativer Spannung, wenn die Versorgungsspannung versehentlich verpolt wurde und zeigt die Verpolung an. Die gelbe LED leuchtet relativ schwach. Eine superhelle LED ist etwas besser.
- Grundsätzlich kann der Logiktester nach Bild 3 nur ↑ Flanken erkennen.
- Bei sehr kurzen Impulsen liegen die ↑ und ↓ Flanken sehr nahe beieinander und die ↑ Flanke zeigt den Impuls an.
- Bei langen Impulsen erkennen wir an den LOW- und HIGH-LEDs den Pegelwechsel.
- Mit dem Logiktester erkennen wir Impulse.
Die Schaltung ist
- übersichtlich und einfach
- sehr robust
- eine Verpolung der Versorgungsspannung bis -12V ist kein Problem
- der Eingang ist gegen Spannungen von ±12 geschützt
- Die Versorgungsspannung kann zwischen +3V und +12V liegen.
Weitere Daten
- LOW wird nur angezeigt, wenn die Eingangsspannung kleiner als 0,8V ist.
- HIGH wird nur angezeigt, wenn die Eingangsspannung größer als 2,2V ist.
- Diese Spannungspegel gelten sowohl für TTL bei 5V als auch für CMOS zwischen 3V und 12V zu.
- Impulse mit 100ns werden erkannt. (Auch Einzelimpulse).
Der Nachteil dieser Schaltung
- ist eine relativ hohe Belastung des untersuchten Logikausgangs durch den Kondensator C2.
-
Messungen ergaben eine Eingangskapazität von 148pF.
Dieses entspricht dem Wert von C2=100pF plus der Gatekapazität des 2N7000 von etwa 50pF.
- C1 hat keine Wirkung, weil er nur mit der Ladung von C2 geladen wird.
Aufbau
Die Bauteile des Logiktesters sind für etwa ein Euro zu bekommen.
| Bauelement | Wert | Stück | Preis | Gesamtpreis |
| R1 | 100kΩ | 1 | 0.06 | 0.06 |
| R2, R4 | 10kΩ | 2 | 0.06 | 0.12 |
| R3 | 470Ω | 1 | 0.06 | 0.06 |
| R5 | 1MΩ | 1 | 0.06 | 0.06 |
| C1 | 10nF/50V | 1 | 0.02 | 0.02 |
| C2 | 100pF/50V | 1 | 0.04 | 0.04 |
| D1 | ZF3.3 | 1 | 0.05 | 0.05 |
| D2, D3 | 1N4148 | 2 | 0.05 | 0.10 |
| LED1 | 3mm/rot | 1 | 0.05 | 0.05 |
| LED2 | 3mm/grün | 1 | 0.05 | 0.05 |
| LED3 | 3mm/blau | 1 | 0.05 | 0.05 |
| LED4 | 3mm/gelb | 1 | 0.05 | 0.05 |
| Q1 | BC337 | 1 | 0.05 | 0.05 |
| Q2 | BC327 | 1 | 0.05 | 0.05 |
| Q3 | 2N7000 | 1 | 0.10 | 0.10 |
| Summe | 0.91 |
Die Transistoren Q1 und Q2 können durch andere Typen ersetzt werden. Die maximal zulässigen Spannungen sind unkritisch. Die Stromverstärkung sollt größer als 100 sein. Die Anschlussbelegung muss mit den angegebenen Typen übereinstimmen, wenn das Layout in Bild 3 verwendet werden soll.
Z-Diode
Die Z-Diode D1 muss ein 3,3V Typ sein. Sie verhindert, dass LED1 und LED2 bei offenem Eingang leuchten. Das Gehäuse ist DO36. Die angegebene ZF3.3 hat eine Leistung von 400mW. Ein vergleichbarer Typ kann verwendet werden.
Z-Diode 3,3V: ZF3.3, ZPD3.3, BZX79C3V3, 1N5226, 1N4728
NPN Transistor
NPN-Transistor: BC337, BC338, BC547
Der 2N4401 passt elektrisch, hat aber eine andere Anschlussbelegung CBE gegenüber EBC beim BC337, d.h. er müsste mit der runden Seite zu Platine eingebaut werden.
PNP Transistor
PNP-Transistor: BC237, BC238, BC557
Der 2N4403 passt elektrisch, hat aber eine andere Anschlussbelegung CBE gegenüber EBC beim BC237, d.h. er müsste mit der runden Seite zur Platine eingebaut werden.
MOSFET
Anstelle des 2N7000 kann auch ein 2N7002 verwendet werden.
-
Beide sind sehr empfindlich gegen elektrostatische Entladung.
Bitte Vorsicht-elektrostatische-Entladung beachten.
Widerstand R3
An R3 fällt bei Verpolung die gesamte Versorgungsspannung ab. Bei 12V sind es 0,3W.
- Ein Widerstand mit 0,25W ist nicht ausreichend.
- Bis 15V kann ein Metallschicht-Widerstand mit 0,6W verwendet werden.
Es reicht ein Widerstand mit 5% Toleranz.
Widerstände
Alle anderen Widerstände kommen mit 0,25W aus. Es reichen 5% Toleranz.
Kondensatoren
Es sollten nur Keramikkondensatoren verwendet werden. An besten ist eine Spannung von 50V.
LEDs
Es werden 3mm LEDs verwendet. Der Strom durch die grüne oder rote LED ist bei 12V nur etwas weniger 20mA.
- Die maximal zulässige Spannung für den Logiktester darf 12V nicht überschreiten, weil über 12V mehr als 20mA durch die LEDs fließen.
- Für die gelbe LED kann eine superhelle LED verwendet werden.
Layout
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 Logiktester kann einfach auf einer Lochrasterplatine aufgebaut werden. Die beiden Drahtbrücken werden auf der Unterseite mit isoliertem Draht durchgeführt. Die Transistoren und der MOSFET werden mit der flachen Seite des TO-92-Gehäuses zur Platine eingebaut. Die Anschlüsse sind gekennzeichnet. Die Transistortypen sind unkritisch. Es ist jedoch auf die Anschlussbelegung zu achten. EBC wie im Layout in Bild 4 oder CBE. Bei CBE muss die runde Seite nach unten eingebaut werden.
Die beiden Drahtbrücken sind gut zu erkennen.
Als Prüfspitze eignet sich ein Pin einer Stiftleiste oder ein Tapetennagel. Ein transparenter Schrumpfschlauch ist ein gutes Gehäuse.
Messspitze
Als Messspitze eignet sich ein Tapetennagel aus Stahl.
Stahl lässt sich jedoch nicht gut löten.
- Vor dem Löten mit Schmirgel blank putzen.
- Kein Lötfett oder gar Säure verwenden.
Hier wird der MOSFET 2N7000 verwendet. Er ist sehr empfindlich gegen elektrostatische Entladung.
- Vorsicht-elektrostatische-Entladung beachten.
- Der 2N7000 wird am besten zuletzt eingebaut.
- Seine Anschlüsse werden noch in der ESD-Verpackung nahe am Gehäuse mit einem dünnen Draht kurzgeschlossen.
- Die Anschlüsse werden passend gebogen.
- Dann wird der 2N7000 eingelötet und der Draht entfernt.
Prototyp
Im Prototyp wurde die gelbe LED4, die Verpolung anzeigt, durch eine Diode ersetzt.
Der Prototyp in Bild 7 weicht geringfügig vom Layout in Bild 4 ab.
Der Prototyp wurde bei 5V und 3,3V untersucht.
| Uv | LOW | HIGH | fmax | Tp | 20MHz |
| 3,3V | 0,4V | 2,2V | 100kHz | 100ns | blau |
| 5V | 0,8V | 2,2V | 500kHz | 100ns | blau |
Tp ist die Zeit der erkannten Einzelimpulse.
- Der Pegel für LOW, 0 und HIGH, 1 ist für TTL und CMOS an 5V und 3,3V akzeptabel.
- Die rote und grüne LED beginnen erst bei Frequenzen von 100kHz / 500kHz zu leuchten.
- Mit der blauen LED werden 20MHz erkannt.
- Einzelimpulse von 100ns, die nur einmal pro Sekunde erzeugt werden, werden angezeigt.
- Bei 3,3V leuchtet die blaue LED nur schwach. Eine gelbe LED wäre etwas besser.
Diese Werte sind für eine einfache Schaltung beachtlich.
- Die maximale Frequenz für LOW und HIGH ist wahrscheinlich höher als angegeben.
- Manchmal wird noch LOW angezeigt oder HIGH oder beides angezeigt.
- Vermutlich sind die Signalpegel nicht eindeutig LOW oder HIGH.
- Dazu erfordert es genaue und teure Messgeräte.
- Dieser Logiktester kann mit einer Versorgungsspannung von bis zu 12V betrieben werden.
Bessere Ergebnisse liefert die LogicProbe mit PIC Sie erkennt einzelne Impulse unter 20ns und zeigt auch bei Frequenzen über 20MHz die Pegel an.
So wird gemessen
- Masse/0V des Logiktesters wird mit Masse/0V der zu messenden Schaltung verbunden.
- U+ des Logiktesters wird mit der Stromversorgung der zu messenden Schaltung verbunden. Eine 5V- oder 3V-Versorgung ist geeignet.
- Den Messeingang (die Messspitze) an Masse und U+ legen, um zu prüfen, ob die Stromversorgung richtig angeschlossen ist. Die grüne bzw. rote LED muss leuchten.
- Den Pegel der Logikausgänge der Schaltung messen.
Die Anzeige auswerten
| Anzeige | Aussage |
| keine LED leuchtet | 1. der Messeingang ist offen 2. der Pegel des Logikausgangs ist weder HIGH noch LOW |
| die grüne LED leuchtet | der Logikausgang ist LOW |
| die rote LED leuchtet | der Logikausgang ist HIGH |
| beide LEDs leuchten | der Pegel am Logikausgang wechselt zwischen LOW und HIGH |
| die blaue LED blinkt | am Logikausgang war ein Impuls |
| die blaue LED leuchtet | am Logikausgang liegen Impulse |
Problem Stromversorgung
Es kann vorkommen, dass der Logiktester bereits Impulse anzeigt,
Die Ursache ist in der Regel die Stromversorgung des Logiktesters, d.h. die Stromversorgung des Gerätes an das der Logiktester angeschlossen ist.
- In den meisten Fällen ist das Netzteil des Gerätes die Ursache.
Im 1. Fall wurde meistens ein Steckernetzteil oder ein Tischnetzteil verwendet, das
- zwar schutzisoliert ist,
- aber Spannungen gegen Erde abgibt, die so hoch sind, dass sie elektronische Schaltungen stören können.
- Wer ein Steckernetzteil beim Testen des Logiktesters verwendet, erfährt unmittelbar, warum Steckernetzteile für das Elektroniklabor ungeeignet sind.
Im 2. Fall kann es sein, dass
- das Gerät, das berührt wird, an einem solchen Netzteil betrieben wird.
Was können wir tun?
- Bei Messungen an solchen Geräten können wird einerseits
- davon ausgehen (hoffen), dass die Messungen korrekt sind, also keine Störungen vorliegen.
- Dieses ist in der Regel der Fall, wenn stabile Zustände angezeigt werden.
- Bei Impulsen ist die Situation unsicherer.
- Wir können aber auch ein geeignetes Netzgerät anschließen,
- ein Labornetzgerät, das auf die Versorgungsspannung eingestellt ist oder
- eine Batterie oder eine Powerbank, wenn die Spannung passt.
Impulse injizieren
Ein Logik-Impuls-Injektor ist die ideale Ergänzung für den Logiktester mit Impulserkennung. Damit können Impulse in Signalpfaden verfolgt werden.