Digistick Projektarbeit im dritten Jahrgang 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 -1-
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 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 es 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. -2-
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 -3-
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 swerte 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 swerte 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 swerte 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. -4-
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 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 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 -5-
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. -6-
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) -7-
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 180k 10 R2 220k 11 R3 82k 12 R4 22k 13 R5 1M 14 R6 1M 15 R7 1200 16 R8 680 17 R9 820 Sollen CMOS-Pegel detektiert werden, sind die folgenden Positionen zu ändern: 10 11 12 R1 R2 R3 150k 150k 150k 14 R5 680k 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. -8-
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. -9-
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. -10-