Digistick - HTL Mödling

Digistick
Projektarbeit im dritten Jahrgang
Dipl. Ing. Dr. Peter Fröhling
HTL-Mödling, Elektronik-Abteilung
Technikerstr. 1 – 5
A-2340 Mödling
Aufgabenstellung
Es ist ein Messgerät für die Anzeige von logischen Zuständen in elektronischen Schaltungen zu entwickeln und aufzubauen. Die Vorrichtung soll in einem Kugelschreiber ähnlichen Gehäuse untergebracht sein, welches gut in der Hand liegt und die Messung leicht durchführen lässt. Die Messung
der logischen Zustände bedeutet, dass die Spannungspegel an verschiedenen Messpunkten erfasst
werden müssen. Abhängig von den Bausteinen die in der Logikschaltung eingesetzt werden und von
der Betriebsspannung sind die Spannungswerte zu klassifizieren und anzuzeigen.
Logikpegel
Weit verbreitete Logikschaltungen arbeiten mit TTL-Pegel. Eine Spannung im Bereich von 0V bis
0.8V bedeutet eine logische Null, ein Pegel von 3.2V bis 5V bedeutet eine logische Eins. Werte
zwischen 0.8V und 3.2V sind nicht eindeutig zugeordnet und bedeuten einen undefinierten Zustand.
Mindestens genau so weit verbreitet sind CMOS-Schaltungen. Bei diesen gilt für Spannungen von
0V bis ⅓ der Betriebsspannung die Zuordnung einer logischen Null, bei ⅓ bis ⅔ der
Betriebsspannung der undefinierte Bereich und von ⅔ der Betriebsspannung bis zur
Betriebsspannung die logische Eins.
Logikfamilie
TTL
CMOS
logisch Null
0V .. 0.8V
(0 .. ⅓)UB
undefiniert
0.8V .. 3.2V
(⅓ .. ⅔)UB
logisch Eins
3.2V .. 5.0V
(⅔ .. 1.0)UB
Schaltung
Bild 1: Die Gesamtschaltung des Messgerätes
Dipl. Ing. Dr. Peter Fröhling
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Funktionsbeschreibung
Die Widerstände R1, R2 und R3 bilden einen Spannungsteiler, der die Vergleichsspannungen erzeugen soll. Da in die Eingänge des Operationsverstärkers praktisch kein Strom fließt, kann der
Spannungsteiler als unbelasteter Spannungsteiler dimensioniert werden. Falle des Messstiftes für
CMOS-Schaltungen ist er aus drei gleichen Widerständen aufgebaut. Im Falle des Messstiftes für
TTL-Schaltungen müssen R1, R2 und R3 so dimensioniert werden, dass die Vergleichsspannungen
0.8V und 3.2V auftreten.
Hat der Eingang 'In' keine Verbindung zum Messaufbau, wäre sein elektrisches Potential undefiniert
und könnte sowohl in den gültigen Pegelbereichen logisch Null oder logisch Eins als auch im
Spannungsbereich zwischen logisch Null und logisch Eins oder über oder unter der Versorgungsspannung liegen. Die Widerstände R5 und R6 legen jene Anzeige fest, die dann auftritt, wenn keine
galvanische Verbindung zwischen der Messspitze und der zu untersuchenden Schaltung vorhanden
ist.
Die Diode D1 verhindert, dass die Spannung an den '+'-Eingängen der beiden Operationsverstärker
mehr als etwa 0.7V über der Versorgungsspannung angehoben werden kann. Wird die Spannung an
der Messspitze höher, beginnt die Diode D1 zu leiten und der Widerstand R4 begrenzt den Strom in
die Diode. Die Funktion der Diode D2 ist analog dazu. Unterschreitet die Eingangsspannung -0.7V,
wird die Diode D2 leitend und der Strom durch D2 wird mit Hilfe des Widerstandes R4 begrenzt.
Liegt die Spannung der Messspitze unter der Obergrenze für den logisch Null Pegel, werden die
Ausgangsspannungen des Operationsverstärkers IC1 und IC2 nahezu 0V sein. Dann ist die die
Leuchtdiode LED_RT (rot) in Flussrichtung gepolt und wird leuchten. An LED_GE (gelb) und
LED_GN (grün) liegt eine Spannung weit unterhalb der Flussspannung. Diese Dioden werden
daher nicht leuchten.
Liegt die Spannung der Messspitze zwischen der Obergrenze für den logisch Null Pegel und der
Untergrenze für den logisch Eins Pegel, wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers IC1
nahezu die Betriebsspannung und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers IC2 nahezu 0V
sein. Dann ist die die Leuchtdiode LED_GE (gelb) in Flussrichtung gepolt und wird leuchten. An
LED_RT (rot) und LED_GN (grün) liegt eine Spannung weit unterhalb der Flussspannung. Diese
Dioden werden daher nicht leuchten.
Liegt die Spannung der Messspitze über der Untergrenze für den logisch Eins Pegel, werden die
Ausgangsspannungen des Operationsverstärkers IC1 und IC2 nahezu die Betriebsspannung erreichen. Dann ist die die Leuchtdiode LED_GN (grün) in Flussrichtung gepolt und wird leuchten.
An LED_RT (rot) und LED_GE (gelb) liegt eine Spannung weit unterhalb der Flussspannung.
Diese Dioden werden daher nicht leuchten.
Die Widerstände R7, R8 und R9 dienen als Strombegrenzungswiderstände für die jeweilige Leuchtdiode und sind so zu dimensionieren, dass die Leuchtkraft der LEDs ausreichend ist.
Störungen, die durch Induktion auf den Zuführungsdrähten der Stromversorgung auftreten und die
Messung nachteilig beeinflussen könnten, werden durch den Kondensator C1 kurzgeschlossen.
Die Schottky-Diode D3 dient als Verpolschutz der Schaltung und soll einen möglichst geringen
Spannungsabfall verursachen.
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Dimensionierung
Spannungsteiler für Referenzpegel
TTL-Pegel
An den Knotenpunkten zwischen den Widerständen R1, R2 und R3 sollen die Spannungen U12 = 3.2V
und U23 = 0.8V auftreten. Der Strom Iq durch den Spannungsteiler soll in der Größenordnung von
100 μA liegen. Die Spannung U+ am Spannungsteiler ist nominal 5V minus dem Spannungsabfall
an der Schottky-Diode D3 und ist 4.7V. Dann erhält man mit Iq = 100 μA:
R3 = 80kΩ,
R2 = 240kΩ , R1 = 180kΩ.
Die nächst gelegenen Normwerte aus der Bauteilreihe E12 sind:
R3 = 82kΩ,
R2 = 220kΩ , R1 = 180kΩ.
Setzt man diese Werte in die Schaltung ein, werden die Referenzspannungen
U 12=U +
R2R3
22082
=4.7V
=2.95V
R1R2 R3
18022082
U 23=U +
R3
82
=4.7V
=0.800V
R1R 2R3
18022082
und
erreicht. U12 liegt um 7.8 % zu tief. Die Rechnung mit anderen Widerständen aus E12 bringt keine
wesentliche Verbesserung. Erst der Einsatz von Widerständen aus Der E24-Reihe bringt eine
Verbesserung. Daher werden die oben berechneten Wert verwendet.
CMOS-Pegel
An den Knotenpunkten zwischen den Widerständen R1, R2 und R3 sollen die Spannungen U12 = ⅔UB
und U23 = ⅓UB auftreten. Der Strom Iq durch den Spannungsteiler soll in der Größenordnung von
100 μA liegen. Die Spannung U+ am Spannungsteiler ist nominal UB minus dem Spannungsabfall
an der Schottky-Diode D3. Dann erhält man mit Iq = 100 μA bei UB = 5V:
R3 = 157kΩ, R2 = 157kΩ , R1 = 157kΩ.
Die nächst gelegenen Normwerte aus der Bauteilreihe E12 sind:
R3 = 150kΩ, R2 = 150kΩ , R1 = 150kΩ.
Setzt man diese Werte in die Schaltung ein, hat man als Referenzspannungen
U 12=U +
R2R3
150150
=4.7V
=3.13V
R1R 2R3
150250150
U 23=U +
R3
150
=4.7V
=1.57V
R1R 2R3
150150150
und
Sowohl U12 als auch U23 liegen bei eine Betriebsspannung von 5V um 6.0 % zu tief. Die Abweichung wird kleiner je größer die Betriebsspannung ist. Bei UB = 15V ist U+ = 14.7V und die
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beiden Fehler betragen jeweils -2.0%. Das stellt im gesamten Einsatzbereich der Betriebsspannung
eine ausreichende Genauigkeit dar. Daher werden die oben berechneten Werte verwendet.
Anzeige bei offenem Eingang
Da bei offenem Eingang an der Messspitze nahezu jedes beliebige Potential sein kann, muss sicher
gestellt werden, dass bei offenem Eingang, also bei nicht definierten Eingangspotential die Leuchtdiode LED_GE, die gelbe LED leuchtet.
TTL-Version
Dann muss der Spannungsteiler aus R5 und R6 eine Spannung zwischen 0.8V und 3.2V liefern. In
der obigen Dimensionierung hat die Rechnung gezeigt, dass der Eingangspegel zwischen 0.80V und
2.95V als undefiniert angezeigt wird. Werden die Widerstandswerte für R 5 und R6 gleich groß
gewählt, liegt das „undefinierte“ Potential auf 2.35V, die gelbe LED leuchtet. Bei eingestreuten
Wechselsignalen bis zu ±0.6V wird nur die gelbe LED leuchten. Bei Störsignalen zwischen ±0.6V
und ±1.55V wird die Helligkeit der gelben LED ein wenig abnehmen und die Helligkeit der grünen
LED zunehmen, da auf die Dauer dieses Störsignals die grüne LED leuchtet und die gelbe LED
ausgeschaltet wird. Die positiven Störspitzen überschreiten kurzzeitig 2.95V. Daher wechselt die
Anzeige kurzzeitig von Gelb auf Grün. Wegen des schnellen Wechsels scheinen beide LEDs gleichzeitig, aber etwas schwächer zu leuchten. Übersteigt das Wechselsignal auch die untere Schwelle,
wird das Eingangssignal kurzzeitig kleiner als 0.8V, beginnt auch die rote LED zu leuchten. Durch
diese Wahl der Widerstandswerte für R5 und R6 kann auch die Amplitude von Störungen abgeschätzt werden.
Um das Messobjekt möglichst wenig zu belasten, werden für die Widerstände
R5 = 1MΩ,
R6 = 1MΩ
gewählt.
CMOS-Version
Dann muss der Spannungsteiler aus R5 und R6 eine Spannung zwischen ⅓UB und ⅔UB liefern. Ein
5
U . Bei eingestreuten Wechselsignalen bis zu
günstiger Wert liegt bei einem Pegel von
9 B
1
1
2
U B wird nur die gelbe LED leuchten. Bei Störsignalen zwischen
U B und
U
wird
9
9
9 B
die Helligkeit der gelben LED ein wenig abnehmen und die Helligkeit der grünen LED zunehmen,
da auf die Dauer dieses Störsignals die grüne LED leuchtet und die gelbe LED ausgeschaltet wird.
2
U . Daher wechselt die Anzeige kurzzeitig
Die positiven Störspitzen überschreiten kurzzeitig
3 B
von Gelb auf Grün. Wegen des schnellen Wechsels scheinen beide LEDs gleichzeitig, aber etwas
schwächer zu leuchten. Übersteigt das Wechselsignal auch die untere Schwelle, wird das Eingangs1
U , beginnt auch die rote LED zu leuchten. Durch diese Wahl der
signal kurzzeitig kleiner als
3 B
Widerstandswerte für R5 und R6 kann auch die Amplitude von Störungen abgeschätzt werden.
Um das Messobjekt möglichst wenig zu belasten, werden für die Widerstände
R5 = 680kΩ, R6 = 1MΩ
gewählt.
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Schutz gegen Über- und Unterspannungen an der Messspitze
So lange die Eingangsspannung an der Messspitze Werte zwischen GND-Potential und U+ hat, sind
die Dioden D1 und D2 in Sperrrichtung gepolt und haben außer ihrer Sperrschichtkapazität keine
Wirkung. Wird aber die Spannung an der Messspitze höher als U+, wird die Diode in Flussrichtung
gepolt und beginnt zu leiten. Da die Diode mit der Kathode auf der fixen Versorgungsspannung
liegt und die Flussspannung der Diode zwischen 0.5V und 0.7V liegt, kann die Spannung an der
Anode von D1 nicht größer als die Versorgungsspannung plus der Flussspannung der Diode
werden. Die Spannungsdifferenz fällt am Widerstand R4 ab. Er dient nur zur Strombegrenzung an
der Messspitze. Wird die Spannung an der Messspitze negativ wird die Diode D2 in Flussrichtung
gepolt und beginnt zu leiten. Da die Diode mit der Anode Null-Potential liegt und die Flussspannung der Diode zwischen 0.5V und 0.7V liegt, kann die Spannung an der Kathode von D2 nicht
kleiner als die Flussspannung der Diode werden. Die negative Spannung fällt am Widerstand R 4 ab.
Daher gilt für den Eingangsspannungsbereich der Operationsverstärker
−0.7V≤U in ≤U + 0.7V
und der Operationsverstärker ist daher gegen Überspannungen am Eingang geschützt. Um die
Belastung des Eingangssignals gering zu halten, wird für
R4 = 22 kΩ
gewählt.
Auswahl der Operationsverstärker
Für die Operationsverstärker wurde aus Platzgründen ein Zweifach-Operationsverstärker (dual OPAMP) gewählt. Die Bauform wird einerseits durch den vorhandenen Platz und andererseits durch
die zur Verfügung stehenden Fertigungsmöglichkeiten bestimmt. Damit ist die Auswahl auf zwei
Operationsverstärker in einem SO-8 Gehäuse gefallen. Seine Funktion soll im Betriebsspannungsbereich unter 5V bis über 15V liegen, sodass bei der TTL- und CMOS-Version der gleiche Baustein
eingesetzt werden kann. Die Ausgangsspannung soll sich über den gesamten Versorgungsspannungsbereich erstrecken. Daher können nur „output rail-to-rail“-Verstärker zum Einsatz
kommen. Auch der Preis ist von Bedeutung. Daher ist die Wahl auf
LM 386
gefallen.
LED-Anzeige und ihre Vorwiderstände
Um die Vorwiderstände zu berechnen, müssen die jeweiligen Ströme durch die LEDs und die
Spannungsabfälle an den LEDs bekannt sein. Im Versuch konnte ermittelt werden, dass der
Helligkeitsunterschied bei einem Strom von etwa 3mA und 10mA kaum merklich ist. Daher wird
der Strom bei der TTL-Version mit 3mA festgelegt. Der Spannungsabfall ist von der ausgesendeten
Farbe, also von der Wellenlänge des Lichts abhängig. Es gilt für den Zusammenhang zwischen
Energie und Frequenz W = h * f mit dem Planckschen Wirkungsquantum h = 662.606976*10-36Js
c
und der Frequenz f = 0 mit der Lichtgeschwindigkeit c0 = 299.972458*106 m/s. Die Energie

W
=
q
kann auch aus
∣ e∣∗U ausgedrückt werden, wobei q e =−1.602176462∗10−19 As . Dann
erhält man schließlich
U LED =
h∗c 0
.
∗∣q e∣
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Die Berechnung ergibt
UB
ILED
V
5,0
mA
3,0
Farbe
Wellenlänge
nm
750,00
620,00
580,00
rot
gelb
grün
ULED
RV
V
1,65
2,00
2,14
kΩ
1,12
1,00
0,95
Für die Vorwiderstände aus der Bauteilreihe E12 wird
R7 = 1kΩ,
R8 = 1kΩ,
R9 = 1kΩ
gewählt. Wird die Schaltung auch bei CMOS-Pegeln eingesetzt, gilt bei der Betriebsspannung von
15V:
UB
RV
V
15,0
kΩ
1,0
Farbe
Wellenlänge
nm
750,00
620,00
580,00
rot
gelb
grün
ILED
mA
13,35
13,00
12,86
Der Strom durch die LEDs ist weit unter dem maximal zulässigen Wert von 20 mA. Daher kann die
Bauteilauswahl bei der TTL- und der CMOS-Version eingesetzt werden.
Schutz gegen Verpolung und Störungen auf den Versorgungsleitungen
Die Schottky-Diode D3 wirkt als einfacher Schutz gegen die Vertauschung der Versorgungsleitungen beim Anschließen an das Messobjekt. Ist die Versorgung richtig mit dem Messobjekt verbunden, ist D3 in Flussrichtung gepolt und es tritt ein Spannungsabfall von etwa 0.3V auf. Die
Versorgung der Messschaltung ist gewährleistet. Werden die Versorgungsleitungen falsch
angeschlossen, ist die Diode in Sperrrichtung gepolt und es kann kein Strom durch die Messschaltung fließen und sie ist geschützt.
Da die Messschaltung mit etwa 0.5m langen Leitungen an die Stromversorgung angeschlossen ist,
kann in diesen Leitungen eine Störspannung durch Magnetfelder induziert werden. Dadurch käme
es zu Schwankungen in der Versorgung, zu schwankenden Vergleichsspannungen und zu
Fehlmessungen. Diese Wechselspannungen werden mit Hilfe des Kondensators C1 weitgehend
kurzgeschlossen und so die Fehlfunktion durch Einstreuungen verhindert.
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Layout
Die Platine ist so zu gestalten, dass sie in das leere Gehäuse eines Kugelschreibers passt. Der zur
Verfügung stehende Kugelschreiber hat einen Innendurchmesser von 9mm und ist innen etwa
130mm lang. An der Spitze läuft er konisch zusammen. Bei einer Platinendicke von üblicherweise
1.5mm bleiben für die Bauteile auf der Ober- und Unterseite der Platine je 3.75mm halbkreisförmig
Platz. Für die vorgesehenen Bauteile ist das zu wenig. Daher wird ein Platinenmaterial mit 0.5mm
Dicke eingesetzt. Mit den verbleibenden 4.25mm Höhe wird ausreichend Platz für die Bauelemente
gefunden. Der Platinenteil mit der Messspitzenhalterung wird rechteckig gefertigt. Er muss an das
jeweils eingesetzte Kugelschreibergehäuse angepasst werden. Der Minenkopf der Kugelschreibers
hat 2.4mm Durchmesser. Daher wird die Messspitze aus einem spitz zusammenlaufenden Messingstab, 35mm lang mit 2.5mm Durchmesser, gefertigt und in den Schlitz in der Platine eingelötet.
Es ist vorgesehen, dass die Bauteile sowohl auf der Leiterbahnseite und auf ihrer gegenüberliegenden Seite eingelötet werden. Dann kann die folgende Leiterbahnführung gewählt werden:
Bild 2: Leiterbahnführung am Top-Layer (top view)
Die Bauteilbestückung auf der Leiterbahnseite ist im folgenden Bild dargestellt.
Bild 3: Bauteile am Top-Layer (top view)
Die Bauteilbestückung auf der Unterseite der Platine ist im folgenden Bild dargestellt.
Bild 4: Bauteile am Bottom-Layer (bottom view)
Sieht man von der Leiterbahnseite auf die bestückte Platine, sieht man den Serviceplan.
Bild 5: Die bestückte Platine (top view)
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Stückliste
Die elektrische Stückliste ist für TTL-Pegel zusammengestellt.
Lfde.Nr.
Bauteilname
Bauteil
Wert
Anmerkung
1
C1
Kondensator
1.5uF
25V
2
D1
Diode
1N4148
DO-35
3
D2
Diode
1N4148
DO-35
4
D3
Schottky-Diode
BAT 32
DO-35
5
IC1
Operationsverstärker
TLC272D
SO-8
6
LED_RT
Leuchtdiode
rot
3mm
7
LED_GE
Leuchtdiode
gelb
3mm
8
LED_GN
Leuchtdiode
grün
3mm
9
R1
Widerstand
180k
0204
10
R2
Widerstand
220k
0204
11
R3
Widerstand
82k
0204
12
R4
Widerstand
22k
0204
13
R5
Widerstand
1M
0204
14
R6
Widerstand
1M
0204
15
R7
Widerstand
1200
0204
16
R8
Widerstand
680
0204
17
R9
Widerstand
820
0204
Sollen CMOS-Pegel detektiert werden, sind die folgenden Positionen zu ändern:
10
11
12
R1
R2
R3
Widerstand
Widerstand
Widerstand
150k
150k
150k
0204
0204
0204
14
R5
Widerstand
680k
0204
Mechanische Teile, die Platine sowie Anschlussdrähte für die Stromversorgung sind nicht enthalten.
Mechanische Teile und die Platinengröße sind vom verwendeten Kugelschreibergehäuse abhängig,
als Verbindungsleitungen zur Stromversorgung können je nach Einsatzbereich unterschiedliche
Formen gewählt werden.
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Einbau in das Kugelschreibergehäuse
Der Kugelschreiber wird in seine Einzelteile zerlegt.
Bild 6: Der Kugelschreiber und seine Einzelteile
Von diesem Kugelschreiber werden die Spitze, der Mittelteil, der Endteil, der Haltebügel und der
Druckknopf verwendet. Das grüne Endstück wird bis zum Gewindeansatz gekürzt, der Druckknopf
wird mit einem Durchmesser von 2mm aufgebohrt.
Bild 7: Kugelschreiber mit der Platine; von der
LED-Seite gesehen
Durch den Haltebügel und durch den ins Endstück eingeklebten Druckknopf werden die Leitungen
zur Stromversorgung gezogen. Anschließend sind die Krokodilklemmen an den Drähten anzulöten.
Bild 8: Kugelschreiber mit der Platine; von der
Leiterbahnseite gesehen
Nun ist die Platine ins Kugelschreibergehäuse zu stecken und das Endstück ist aufzuschrauben.
Dabei ist zu beachten, das die Versorgungsleitungen nicht verdrillt werden, da sonst zu wenig Platz
für die Verschraubung zur Verfügung steht.
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Zusammenfassung
Mit geringem Aufwand kann eine sehr hilfreiche Anzeige gebaut werden, welche die Untersuchung
von digitalen Schaltungen wesentlich vereinfacht. In den folgenden Bildern ist der „Digistick“ im
Einsatz.
Bild 9: High-Pegel
Bild 10: Undefiniert
Bild 11: Low-Pegel
Wegen der relativ dunklen Farbe des Kugelschreibergehäuses ist die grüne Anzeige relativ schwach
sichtbar. Da aber die Anzeigen nicht mit Hilfe einer Mehrfarben-LED auf einem Punkt platziert
sind, erkennt man aber deutlich eine Änderung in der Anzeige wegen der Änderung der
Leuchtposition .
Weil der Digistick ohne Zuhilfenahme von speziellen Werkzeugen oder Maschinen auf einer einseitig kupferkaschierten Platine fertigbar sein soll, wurde der Aufbau des Digisticks ist mit bedrahteten Bauelementen konstruiert und durchgeführt. Beim Redesign des Sticks werden aber LEDs zur
Oberflächenmontage (SMD-LEDs) zum Einsatz kommen, da diese eine wesentlich geringere Bauform als die Standard-3mm-LEDs haben und den Einbau ins Gehäuse enorm vereinfachen.
Dipl. Ing. Dr. Peter Fröhling
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