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Ein einfacher Logiktester mit Impulserkennung.


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Logiktester mit Impulserkennung

Attention :-)

Tester für den Alltag

Ein Logiktester (Logic Probe oder Logikstift) ist

  • schnell zur Hand und
  • reicht beim Aufspüren der meisten Fehler in Digitalschaltungen
  • erübrigt oft den Einsatz eines Oszilloskops oder Logikanalysators
Attention :-)

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
Attention work

Robust

Dieser Logiktester toleriert Fehlbedienung

  • Betriebsspannung bis +12V
  • Verpolung der Betriebsspannung bis -12V
  • Eingangsspannung bis +-12V
Attention pin

Sehr gut für Anfänger

Der Logiktester ist sehr gut für Anfänger geeignet.

Der Aufbau ist einfach.

  • Kostet für etwas über 1€
Attention >

Mehr zum Logiktester

Wer mehr diese Logiktester wissen möchte:

In der dynamischen Digitaltechnik haben wir uns mit der Erkennung von Impulsen befasst. In diesem Zusammenhang haben wir auch die Erzeugung von Impulsen betrachtet.

Attention ;-)

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

Um Logikschaltungen zu untersuchen, genügt es nicht, nur den logischen Zustand der Ausgänge zu untersuchen, sondern auch deren zeitliches Verhalten. Hilfreich ist festzustellen, ob Impulse auftreten. Meistens kann es daran erkannt werden, wenn der Logik-Tester (Logic Probe) sowohl Low als auch High anzeigt. Problematisch wird es, wenn nur relativ kurze Impulse auftreten. Der Ausgang ist beispielsweise 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 dafür monostabile Multivibratoren verwendet. Wir beschreiten hier einen Weg, der einfacher ist. Wir wollen in Anlehnung an den Logiktester mit Transistoren 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.

LedTesterTransistoren-Impuls-1.png
Bild 1: Erkennung sehr kurzer 1 Impulse
  • 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.

Wenn am Eingang High liegt, liegt über die Diode eine positive Spannung am Gate des MOSFETs. Er schaltet ein und bringt die LED zum Leuchten. Mit der Eingangsspannung wird auch der Kondensator geladen.

Geht der Eingang wieder nach 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. Damit werden sehr kurze High-Impulse verlängert und sichtbar gemacht.

Wenn am Eingang High anliegt und ein kurzer Low-Impuls auftritt, wird die Schaltung in Bild 1 versagen. Der MOSFET ist immer eingeschaltet. Sie kann nur kurze High-Impulse erkennen.

Attention attention

Hier wird der MOSFET 2N7000 verwendet. Er ist sehr empfindlich gegen elektrostatische Entladung.

Bitte Vorsicht-elektrostatische-Entladung beachten.

LedTesterTransistoren-Impuls-2.png
Bild 2: Erkennung sehr kurzer *High* oder *Low* Impulse

In Bild 2 ist vor die Schaltung von Bild 1 ein Kondensator C1 gesetzt. Wenn jetzt 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 gewisse Zeit ein.

High am Eingang hat keine Wirkung mehr, weil es ist durch den Kondensator C1 abgeblockt wird.

Geht die Spannung am Eingang von High nach Low, wird der Kondensator C1 über die Diode D2 entladen. Die Diode D3 gesperrt 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 sind jedoch nicht zu erkennen.

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.

LedTesterTransistoren-Impuls_s.png
Bild 3: Logiktester mit Transistoren und Impulserkennung

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 von den Werten der Dioden ab. Ein Widerstand von über 10MΩ ist kaum zu beschaffen. Der 10MΩ Widerstand R5 parallel zu D2 sorgt für die Entladung von C1.

Die geringe Kapazität von C2 kann zu elektrostatischer Aufladung führen. Damit kann der sehr empfindliche 2N7000 beschädigt werden. Bei Spannungen über 3,3V führt die Diode D4 die Ladung an die Z-Diode D1 ab.

Die LED4 ist für die Funktion der Schaltung nicht nötig. Sie schützt die LED3 vor negativer Spannung, wenn versehentlich die Versorgungsspannung verpolt wurde und zeigt die Verpolung an. Die gelbe LED leuchtet relativ schwach. Eine superhelle LED ist etwas besser. Der Kondensator C3 ist ein Entkopplungskondensator für die Versorgungsspannung.

  • Im Prinzip kann der Logiktester nach Bild 3 nur ↑ Flanken erkennen.
  • Bei sehr kurzen Impulsen liegen die ↑ und ↓ Flanke sehr dicht beieinander und die ↑ Flanke zeigt den Impuls an.
  • Bei langen Impulsen erkennen wir an den Low- und High-LED 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 unter 0,8V ist.
  • High wird nur angezeigt, wenn die Eingangsspannung über 2,2V ist.
  • Diese Spannungspegel treffen sowohl für TTL bei 5V und 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.
    Das entspricht dem Wert von C2=100pF plus des Gate-Kapazität 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 0.05 0.05
R2, R4 10kΩ 2 0.05 0.10
R3 470Ω 1 0.05 0.05
R5 10MΩ 1 0.05 0.05
C1 1nF/50V 1 0.05 0.05
C2 100pF/50V 1 0.05 0.05
C3 100nF 1 0.05 0.05
D1 ZF3.3 1 0.05 0.05
D2, D3, D4 1N4148 3 0.05 0.15
LED1 3mm/rot 1 0.10 0.10
LED2 3mm/grün 1 0.10 0.10
LED3 3mm/blau 1 0.10 0.10
LED4 3mm/gelb 1 0.10 0.10
Q1 BC337 1 0.05 0.05
Q2 BC327 1 0.05 0.05
Q3 2N7000 1 0.10 0.10
Summe 1.20

Die Transistoren Q1 und Q2 können gegen andere Typen ausgetauscht werden. Die maximal zulässigen Spannungen sind unkritisch. Die Stromverstärkung sollt über 100 sein. Die Anschlussbelegung muss mit den angegebenen Typen übereinstimmen, wenn das Layout von 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 ZPD3.3 hat eine Leistung von 400mW. Ein vergleichbarer Typ kann eingesetzt werden.

Z-Diode 3,3V: ZF3.3 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 zu Platine eingebaut werden.

MOSFET

Anstelle des 2N7000 kann auch ein 2N7002 eingesetzt werden.

Widerstand R3

An R3 fällt bei Verpolung die gesamte Versorgungsspannung ab. Bei 12V sind es 0,3W.

  • Ein Widerstand mit 0,25W reicht nicht.
  • Ein Metallschicht-Widerstand mit 0,6W kann bis zu 15V 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 knapp unter 20mA.

  • Die maximal zulässige Spannung für den Logiktester darf nicht höher als 12V sein, weil über 12V mehr als 20mA in den LEDs fließen.

Layout

Attention >

Lochrasterplatine

Dieses Projekt wird auf einer Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötpunkten aufgebaut.

Wie es geht, beschreibt dieses Praktikum.

LedTesterTransistoren-Impuls-brd_s.png
Bild 4: Aufbau des Logiktesters mit Transistoren und Impulserkennung
Attention >

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

Der Logiktester kann leicht auf einer Lochrasterplatine aufgebaut werden. Die drei Drahtbrücken werden auf der Oberseite mit isoliertem Draht durchgeführt. Die Transistoren und der MOSFET werden mit der flachen Seite des TO92-Gehäuses zur Platine eingebaut. Die Anschlüsse sind bezeichnet. Die Typen der Transistoren sind unkritisch. Allerdings muss auf die Anschlussbelegung geachtet werden. EBC wie im Layout in Bild 4 oder CBE. Bei CBE muss die runde Seite nach unten eingebaut werden.

LedTesterTransistoren-Impuls-brd-top-3D_s.png
Bild 5: Logiktester in 3D von oben

Die drei Drahtbrücken sind gut zu erkennen.

LedTesterTransistoren-Impuls-brd-bottom-3D_s.png
Bild 6: Logiktester in 3D von unten

Als Prüfspitze eignet sich ein Pin eines Jumpers. Ein transparenter Schrumpfschlauch ist ein gutes Gehäuse.

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Messspitze

Als Messspitze eignet sich ein Tapetennagel aus Stahl.

Stahl lässt sich allerdings nicht gut löten.

  • Vor dem Verlöten mit Schmirgel blank putzen.
  • Kein Lötfett oder gar Säure verwenden

Hier wird der MOSFET 2N7000 verwendet. Er ist sehr empfindlich gegen elektrostatische Entladung.

  • Am besten wird der 2N7000 als letztes eingebaut.
  • Seine Anschlüsse werden noch in der ESD-Verpackung unmittelbar am Gehäuse mit einem dünnen Draht kurzgeschlossen.
  • Die Anschlüsse werden passend gebogen.
  • Dann wird der 2N7000 eingelötet und der Draht entfernt.

Prototyp

Der Prototyp wurde anstelle der gelben LED für Anzeige bei Verpolung mit einer Diode aufgebaut. Damit die Anschlussdrähte auf der Rückseite nicht durch den Schrumpfschlauch dringen können, wurde eine dünne Pappe eingelegt.

LogikTester-Impuls-Prototyp_s.png
Bild 7: Aufgebauter Logiktesters mit Impulserkennung

Der Prototyp in Bild 7 weicht geringfügig von 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 von erkannten Einzelimpulsen.

  • Der Pegel für Low, 0 und High, 1 ist für TTL und CMOS an 5V und 3,3V akzeptabel.
  • Die rote/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 vermutlich höher als angegeben.
  • Manchmal wird noch Low angezeigt oder High oder beides angezeigt.
  • Vermutlich sind die Pegel der Signale nicht eindeutig Low oder High.
  • Dazu bedarf es genaue und teure Messgeräte
  • Dieser Logiktester darf mit einer Versorgungsspannung 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

  • Die Masse/0V des Logiktesters mit Masse/0V der zu messenden Schaltung verbinden.
  • U+ des Logiktesters mit der Stromversorgung der zu messenden Schaltung verbinden. Eine 5V- oder 3V-Versorgung sind geeignet.
  • Den Messeingang (die Messspitze) zur Überprüfung an Masse und U+ legen. Die grüne bzw. rote LED müssen leuchten.
  • Wird der Messeingang an U+ gelegt, leuchtet die blaue LED kurz auf.
  • Den Pegel der Logikausgänge der Schaltung messen.
  • Impulse an Logikausgängen erkennen.

Die Anzeige auswerten

Anzeige Aussage
keine LED leuchtet 1. der Messeingang ist offen
2. der Pegel des Logikausgangs ist weder Low noch High
die grüne LED leuchtet am Logikausgang liegt Low an
die rote LED leuchtet am Logikausgang liegt High an
beide LEDs leuchten am Logikausgang schaltet der Pegel zwischen Low und High um
die blaue LED blinkt am Logikausgang war ein Impuls
die blaue LED leuchtet am Logikausgang liegen Impulse
Attention >

Ein Logik-Impuls-Injektor ist die ideale Ergänzung für den Logiktester mit Impulserkennung.