GRUNDLAGENLABOR DIGITALTECHNIK VERSUCH 5 VERSUCHSTHEMA DER SCHMITT-TRIGGER

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1 Prof. Dr.-Ing. Walter Anheier Institut für Theoretische Elektrotechnik und Mikroelektronik Universität Bremen Grundlagenlabor Digitaltechnik ITEM GRUNDLAGENLABOR DIGITALTECHNIK VERSUCH 5 VERSUCHSTHEMA DER SCHMITT-TRIGGER Inbetriebnahme und Messung PROTOKOLLANT/ -IN WEITERE GRUPPENMITGLIEDER VERSUCHSWOCHE: VERSUCHSTAG: VERSUCHSGRUPPE: VORTESTAT OK NOK DATUM: BETREUER: TESTAT OK NOK DATUM: BETREUER:

2 Der Schmitt-Trigger 2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Arbeitsweise Schmitt-Trigger der TTL-Serie 74xx Versuchsvorbereitung Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung Diskreter Aufbau Inbetriebnahme und Messung Messung 1, Funktionsprüfung: Messung 2, Übertragungskennlinie: Messung 3, Hystereseänderung über Frequenz: Messung 4, Hystereseänderung über R 6 : Messung 5, Einfluss von C 1 : Messungen am TTL-Baustein Messung 1, Funktionsprüfung: Versuchsprotokoll Einleitung In Versuch 3 wurde eine Schmitt-Trigger-Platine mit dem Layout-Programm Eagle erstellt. Die gefertigte Platine soll in diesem Versuch bestückt und in Betrieb genommen werden. Zusätzlich sind einige Messungen daran durchzuführen, um das Verhalten dieser diskreten Schaltung kennenzulernen. Im letzten Versuch werden zusätzliche Schmitt-Trigger benötigt, weshalb im letzten Teil dieses Versuchs ein integrierter TTL-Schmitt-Triggerbaustein besprochen wird. 2 Arbeitsweise Die Arbeitsweise wurde bereits im 3. Versuch beschrieben. Es wurden aber keine Angaben zu Dimensionierungsvorschriften gemacht. Die Berechnung der Bauteilwerte eines Schmitt-Triggers ist sehr kompliziert und kann im Rahmen des Labors nicht in allen Einzelheiten besprochen werden. In der Praxis haben sich einige Faustregeln bezüglich der Dimensionierung durchgesetzt, die im folgenden aufgeführt sind: R 1 und R 2 sollen etwa gleich groß sein (einige kω) Um steile Schaltflanken zu realisieren, sind R 1 und R 2 klein zu wählen. Es ist aber auf die maximale Verlustleistung des Transistors zu achten. Ist R 1 grösser als R 2 erhöht sich die Hysterese. R 6 hat den größten Einfluss auf die Schaltung. Bei Erhöhung verbessert sich die Flankensteilheit und es erhöht sich die Hysterese. R 6 soll etwa 0,1 0,01 R 1 sein (um die 100Ω). R 5 und R 7 arbeiten nur als Spannungsteiler zur Basis von T 2 und haben kaum Einfluss auf die Hysterese. Der Strom durch R 7 soll 3-5 mal grösser sein als der Basissättigungsstrom. R 4 soll so gewählt werden, dass T 1 sicher in Sättigung gehen kann. C 1 lässt sich nicht exakt berechnen. Er soll im Bereich von nf bis einigen 100nF liegen. Alle vorgenannten Regeln können sich je nach Anwendung stark ändern. Die genauen Bauteilwerte können nur mit einer Simulation bestimmt werden.

3 Der Schmitt-Trigger 3 3 Schmitt-Trigger der TTL-Serie 74xx Der Baustein 7414 enthält sechs gleichartige Schmitt-Trigger mit einem Eingang und negiertem Ausgang. Abbildung 1 zeigt das Schaltzeichen für einen dieser sechs Schmitt- Trigger und in Abbildung 2 ist die Anschlußbelegung zu sehen. +U B A6 Q6 A5 Q5 A4 Q A1 Q Schmitt-Trigger Abb.: 1 Schaltzeichen A1 Q1 A2 Q2 A3 Q3 Masse Als typische Werte für den TTL-Schmitt-Trigger werden angegeben: Abb.: 2 Anschlußbelegungen U U ein aus = + 1,7 V (+1,5V bis 2V) =+ 0,9 V (+0,6V bis 1,1V) Die nachgestellten Klammerwerte geben die Streubreite der Schwellspannungen an. Diese Schwellspannungen sind fest vorgegeben und lassen sich nicht, wie zum Beispiel beim Schmitt-Trigger mit Transistoren oder Operationsverstärker, verändern. U / V A 5 0,9 1,7 U / V E Abb. 3: Übertragungskennlinie des 7414 Aus der Differenz der beiden Schwellspannungen ergibt sich die typische Schalthysterese des TTL-Schmitt-Triggers zu U = 08, V. Alle Schmitt-Trigger der TTL-Serie haben die vorteilhafte Eigenschaft, daß sie auch mit langsamsten Eingangsflanken und unmittelbar durch Gleichspannung getriggert werden können. Sie werden daher auch zur Verbesserung von nicht mehr TTL-gerechten Anstiegsflanken eingesetzt.

4 Der Schmitt-Trigger 4 4 Versuchsvorbereitung Man soll sich mit der Funktion und den Dimensionierungsmöglichkeiten des Schmitt- Triggers vertraut machen (siehe auch Versuch3). 5 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung 5.1 Diskreter Aufbau Im ersten Teil des Versuchs soll die Schmitt-Trigger-Platine bestückt werden. Die Werte der Bauteil und deren Lage sind dem Bestückungsdruck aus Labor 3 zu entnehmen. Es ist darauf zu achten, dass die Versorgungsbuchsen auf die Unterseite gesteckt und die Transistoren gesockelt werden müssen. Um den Schmitt-Trigger auf die Laborplatine stecken zu können, müssen noch die drei Stiftleisten bestückt werden. Diese sollen auf die +5V und GND Leisten der Trägerplatine gelötet werden. 5.2 Inbetriebnahme und Messung In Teil zwei wird die fertige Platine in Betrieb genommen. Dazu ist zunächst eine Sichtkontrolle auf mögliche Bestückungs- oder Lötfehler durchzuführen. Dann kann die Platine auf die Laborplatine gesteckt und mit den Messungen begonnen werden Messung 1, Funktionsprüfung: Es werden die Werte für R 6 und C 1 laut Schaltplan eingesteckt und der Ausgang mit einem Oszilloskop verbunden. Der Eingang wird nun an +5V bzw. GND gelegt und die Funktion des Ausgangs geprüft Messung 2, Übertragungskennlinie: C 1 entfernen. Eine positive Dreieck- oder Sinusspannung mit der Frequenz von 1kHz an dem Funktiongenerator einstellen und den Messaufbau in Abbildung 4 stecken. B A Abbildung 4: Messaufbau zu Messung 2

5 Der Schmitt-Trigger 5 Auf dem Oszilloskop sind nun die Schaltvorgänge des Schmitt-Triggers in Abhängigkeit der Eingangsspannung zu erkennen. P 1: Es sollen die Schaltschwellen U ein und U aus, sowie die High- und Low-Pegel des Ausgangs geplottet und bestimmt werden. A 1: Zeichnen Sie daraus die Übertragungskennlinie des Schmitt-Triggers Messung 3, Hystereseänderung über Frequenz: Legen Sie Dreieck- oder Sinusspannungen der folgenden Frequenzen an den Eingang und bestimmen Sie die Hysterese, indem Sie das Oszilloskop als xy-schreiber verwenden. f 2 = 1 khz f 3 = 10 khz f 4 = 100 khz P 2: Drucken Sie die Oszillogramme aus. A 2: Bestimmen Sie daraus die Hysteresen. A 3: Erklären Sie kurz die Funktion des xy-schreibers. Wie ist die Kurve auf dem Oszilloskop zu lesen (Achsenbeschriftung,...)?. A 4: Welche Aussagen können Sie aus den Messergebnissen treffen? Messung 4, Hystereseänderung über R 6 : A 5: Stellen sie eine Frequenz von 1kHz ein und bestimmen Sie die Hysteresen für folgenden Widerstandswerte. R 6,1 = 56Ω R 6,2 = 68Ω R 6,3 = 82Ω R 6,4 = 100Ω R 6,5 = 110Ω R 6,6 = 120Ω (aus Messung 2) P 3: Drucken Sie einen xy-plot für R 6,1 aus, aus dem ersichtlich wird wie gemessen wurde. A 6: Wie sehen die Änderungen der Hysterese aus und wie können sie erklärt werden. A 7: Welche Aussagen können Sie über die Flankensteilheit machen, siehe Ausdrucke für R 6,1 und R 6,6?. A 8: Welchen Nachteil hat die Vergrösserung der Hysterese durch Erhöhung von R 6 auf den Ausgang, im Hinblick auf nachfolgende Schaltungen?

6 Der Schmitt-Trigger Messung 5, Einfluss von C 1 : Verwenden sie R 6,6 und verändern Sie die Größe des Kondensators C 1. A 9: Welche Aussagen können über den Einfluß der Kapazität auf das Ausgangssignal (Hysterese und Flankensteilheit) gemacht werden? 5.3 Messungen am TTL-Baustein 7414 Teil 3 des Versuchs behandelt den TTL-Baustein Dieser Baustein wird in Versuch 6 als Signalverstärker bzw. Inverter genutzt. Der Baustein 7414 wird in den vorgesehenen Sockel eingesteckt und die Spannungsversorgung (5 Volt) angeschlossen Messung 1, Funktionsprüfung: Der Ausgang wird mit dem Osziloskop verbunden und der Eingang wird auf +5V bzw. GND gelegt. Die korrekte Funktion mindestens der Schmitt-Trigger 1,2 und 3 ist zu prüfen. 6 Versuchsprotokoll Zum Protokoll gehören unter anderem: Kurze Einleitung: Was wurde gemacht? Kurze Beschreibung des Versuchsablaufs: Wie wurde vorgegangen? Dokumentation der Versuchsergebnisse von allen Messungen und allen Aufgaben A1-A9 Sämtliche beschriftete Ausdrucke P1-P3 aus denen Ersichtlich ist, wie die ermittelten Werte gemessen wurden.

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