Самодельные приборы
Как известно для диагностики устройств, выполненных на логических элементах, применяют специальные приборы- логические пробники, показывающие уровни логических сигналов- "ноль" или "единица".
Чаще всего индикация логического уровня осуществляется при помощи отдельных светодиодов, но гораздо удобнее использовать семисегментный индикатор, который будет показывать или "0" или "1". Схема такого логического пробника показана на рисунке.
Данный пробник отражает три состояния: сигнал лог.1, сигнал лог.0 и отсутствие какого либо цифрового сигнала. Информация выводится на индикатор АЛС324. Питается устройство от источника постоянного тока напряжением 9 Вольт.
Для усиления входного сигнала служит элемент DD1.1 и DD1.3 микросхемы DD1, элемент DD1.2 используется в качестве устройства сравнения. Транзистор VT1 выполняет роль ключа. Так как для питания микросхемы необходимо 5 вольт, то в схеме применен стабилитрон VD1 на 5 Вольт.
Работа пробника
Подадим на вход пробника сигнал лог1. Транзистор VT1 откроется в результате чего на входе 9 элемента DD 1.2 появится сигнал лог.0, а состояние элементов DD 1.1 и DD 1.3 не изменится и соответственно на выходе 1 элемента DD 1.3 будет лог.1. Так как на входе 8 элемента DD 1.2 лог.1, на входе 9 - лог.0, то выходе 10 появится лог.1 и сегмент «g» индикатора погаснет. В результате чего на индикаторе останутся гореть только сегменты «b» и «c» изображая единицу.
Теперь подадим на вход пробника лог.0. В этом случае транзистор VT1 будет находиться в запертом состоянии, а элементы DD 1.1 и DD 1.3 сменят свое состояние на противоположное, и как следствие на выходе 1 элемента DD 1.3 и выходе 8 элемента DD 1.2 появится лог.0. В результате чего на индикаторе будут гореть сегменты «a», «b», «c», «d», «e», «f» изображая логический ноль.
Если же на входе пробника будет отсутствовать какой-либо цифровой сигнал, то транзистор VT1 будет заперт и соответственно на входе 9 элемента DD 1.2 будет высокий уровень. Такой же уровень будет и на входах 5 и 6 элемента DD 1.1, что в свою очередь приведет к появлению на выходе 1 элемента DD 1.3 высокого уровня. В результате на индикаторе будут гореть сегменты «b», «c», «g».
Настройка. Так как резистор R11 и стабилитрон VD1 являются стабилизатором напряжения, то следует выставить при помощи резистора R11 напряжение в 5 вольт. Резистором R3, при отсутствии сигнала на щупах, устанавливают свечение сегмента «g».
О деталях. Транзистор КТ601, КТ603, КТ608. Индикатор АЛС324Б или аналогичный индикатор с общим анодом, например, АЛС321Б или АЛС338Б. Стабилитрон КС156А или КС147А.
Логический пробник , пожалуй, является неотъемлемой частью основного оборудования каждого радиолюбителя занимающегося сборкой или ремонтом цифровой техники.
В отличие от обычных статических измерений, где в большинстве случаев достаточно обычного мультиметра, измерения в цепях цифровых устройств все же немного отличаются, так как, за исключением особых случаев, здесь необходимо контролировать только два уровня логических сигналов – низкий (лог. 0) и высокий (лог. 1).
Значения лог. 1 и лог. 0 при помощи светодиодной индикации намного легче, чем считывание показаний напряжения цифровым или стрелочным вольтметром. Еще большая проблема возникает, если сигнал постоянно меняется с достаточно высокой частотой. Здесь, вольтметр не имеет никаких шансов, так как импульсы рабочего цикла могут быть настолько малыми, что вольтметр из-за его инерции просто не покажет истинного значения.
Поэтому самым лучшим вариантом будет использования логического пробника способного не только показать наличие логических уровней в цифровых схемах, но и регистрировать импульсы, возникающие при переключении логических состояний.
Описание работы светодиодного логического пробника
Схема подобного логического пробника приведена ниже. Логический пробник работает с цифровыми схемами, имеющими TTL логические уровни. Напряжение питания пробника составляет 5В, которое берется непосредственно от исследуемой схемы.
Если на вход пробника поступает сигнал высокого уровня, то он через резистор R1 идет на транзистор Т1, который находится в закрытом состоянии. Напряжение на его эмиттере близко к напряжению питания, в результате чего на выходе IC1A появляется лог. 0 и это в сою очередь приводит к тому, что загорается светодиод LD1.
Если же на вход пробника поступает сигнал низкого уровня, то через диод D1 этот сигнал инвертируется, из-за чего на выходе элемента IC1C появляется высокий уровень, а на выходе IC1D низкий уровень. В этом случае загорается светодиод LD2.
При изменении уровней на входе элемента IC1B, на его выходе появляется короткий импульс, которым запускает таймер (IC2). Таким образом, можно фиксировать даже очень короткие импульсы, которые невозможно обнаружить на глаз. Длинный импульс зажигает светодиод LD3.
Для наладки и ремонта ZX-Spectrum совместимых компьютеров полезным приспособлением является логический пробник. По сути это прибор, отображающий логический уровень сигнала на входе (лог.0 или лог.1). Так как в зависимости от типа используемых микросхем (ТТЛ, КМОП) логические уровни могут быть разными, пробник в идеале должен быть настраиваемым для использования совместно с разными типами сигналов.
В ZX-Spectrum"ах почти всегда используются микросхемы с ТТЛ входами/выходами, поэтому будет уместно рассмотреть схему логического пробника с учётом уровней сигнала ТТЛ.
Тут я немного повторю прописные истины, которые и без того известны всем заинтересованным... Величины напряжений лог.1 и лог.0 для ТТЛ видны из следующего схематичного рисунка:
Как видно крайние уровни лог.0 и лог.1 для входов и выходов несколько отличаются друг от друга. Для входа лог.0 будет при напряжении от 0,8В и менее. А выходной уровень лог.0 - это 0,4В и менее. Для лог.1 это будет 2,0В и 2,4В соотвественно.
Это сделано для того, чтобы крайние уровни лог.0 и лог.1 для выходов гарантированно попадали в диапазон напряжений для входов. Поэтому и сделана такая небольгшая "разбежка" в уровнях входов и выходов.
Всё, что попадает в диапазон напряжений между лог.0 и лог.1 (от 0,8В до 2,0В) логическим элементом не распознаётся как один из логических уровней. Если бы не было такой разбежки в уровнях (2-0,8=1,2В) любая помеха расценивалась бы как смена уровня сигнала. А так логический элемент устойчив к действиям помех с амплитудой до 1,2В, что согласитесь, очень неплохо.
У ТТЛ-входов есть интересная особенность: если вход никуда не подключен, то микросхема "считает", что на него подана лог.1. Конечно же такое "неподключение" - это очень нехорошо, хотя бы потому, что при этом висящий "в воздухе" вход микросхемы "ловит" все помехи, в результате чего возможны ложные срабатывания. Однако нас интересует другое - на "висящем в воздухе" входе всегда присутствует некоторое напряжение, величина которого попадает в неопределённый промежуток между логическими уровнями:
Определение величины напряжения на неподключенных входах микросхемы
Такой уровень называют "висящая единица", т.е. как бы единица есть (расценивается микросхемой как лог.1), но на самом деле её нет:)
Применительно к процессу ремонта и наладки компьютеров понятие "висящей единицы" полезно тем, что в случае обрыва проводника на плате или отгорания выхода какой-либо микросхемы на входы связаных с ними микросхем не подаётся сигнал, а следовательно, там будет "висящая единица", и этот момент можно зафиксировать, т.к. примерные уровни напряжения в таком состоянии микросхемы нам уже известны (порядка от 0,9В и вплоть до 2,4В).
То есть если, допустим, по схеме вход микросхемы куда-то должен быть подключен, а на нём в реальности не 0 и не 1, а "висящая единица", то что-то тут не так. В плане процесса ремонта это очень полезно!
Исходя из всего вышесказанного можно сформулировать техническое задание на создание логического пробника:
- Напряжение от 0 до 0,8В включительно считаются как лог.0;
- Напряжение от 2,0В до 5,0В считаем как лог.1;
- Напряжения от 0,9В до 2,4В считаем как "висящую единицу".
Различные конструкции логических пробников
Схем логических пробников очень много. Достаточно поискать в любом поисковике забить фразу "логический пробник". Однако по разным критериям данные схемы мне не подходят:
- Вывод ведётся на семисегментный индикатор, яркость которого никак не позволяет определить примерную скважность импульсов;
- Нет определения "висящей единицы";
- Другие критерии типа "просто не понравилась схема" :)
Таким пробником я пользовался около 18 лет. Несмотря на простоту этот пробник показывает всё: лог.0, лог.1. Даже "висящую единицу" показывает - при этом светодиод (лог.1) еле светится. Можно определять скважность импульсов по яркости свечения светодиодов. Этот пробник даже не выгорает при подаче на его входы напряжений -5В, +12В и даже выше! При подаче на пробник -5В светодиод (лог.0) горит с очень большой яркостью. При +12В на входе горит с большой яркостью светодиод (лог.1). Короче, неубиваемая схема:)
Для регистрации коротких импульсов, которые не видны глазом (например, импульс выбора порта) я приделал к пробнику "защёлку" на половинке триггера ТМ2:
Внешний вид пробника:
 |
Логический пробник
Свой вариант логического пробника
Мной предпринимались попытки сделать логический пробник с индикацией "висящей единицы" на компараторах. В статике всё работало и определялось, но в динамике пробник оказался неработоспособен. Проблема кроется в быстродействии компараторов. Доступные мне компараторы (LM339, К1401СА1, КР554СА3 и т.п.) довольно "тормозные" и не позволяют работать на частоте выше 1,5-2МГц. Для работы со схемой ZX-Spectrum это совершенно не годится. Какой толк от пробника, если он не может даже показать тактовую частоту процессора?
Но совсем недавно на Youtube на глаза попалась видео-лекция по работе логического пробника:
Лекция по принципам работы логического пробника
Лекция очень интересная и познавательная. Посмотрите её полностью!
Данная конструкция пробника меня очень заинтересовала, и я решил её повторить и проверить. По схеме из лекции всё заработало за исключением каскада для определения уровня "висящей" единицы. Однако это не является проблемой, и я сделал каскад на компараторе. Вопрос быстродействия тут не стоит, т.к. термин "висящая единица" применим к статическому состоянию микросхемы.
В итоге получился пробник со следующей схемой:
Схема логического пробника (увеличивается по клику мышкой)
P.S. Схема пробника не самая идеальная, и при желании наверняка можно сделать проще и лучше.
Описание схемы и процесс наладки логического пробника
Входные каскады пробника выполнены на эмиттерных повторителях на транзисторах VT1 и VT2. В исходном состоянии (когда на вход пробника ничего не подано) транзисторы закрыты, поэтому на входы DD1.1 подан лог.0 через резистор R4, светодиод VD1 не горит. Точно так же закрыт транзистор VT2, и через резистор R5 на входы DD1.2 подаётся лог.1, светодиод VD3 не горит.
При подаче сигнала с уровнем лог.0 (0...0,8В) открывается транзистор VT2, на входы DD1.2 подаётся лог.0, светодиод VD3 загорается.
При подаче сигнала с уровнем лог.1 (2...5В) открывается транзистор VT1, на входы DD1.1 подаётся лог.1, светодиод VD1 загорается.
Резисторами R2-R3 на входе пробника устанавливается напряжение порядка 0,87-0,9В. Т.е. необходимо, чтобы это напряжение было в промежутке 0,8..0,9В, чтобы при никуда не подключенном входе пробника не горел светодиод VD3.
На компараторе DA3 сделана схема определения "висящей единицы". Резисторами R6-R7 устанавливается напряжение порядка 0,92..0,95В, при котором компаратор определит, что на входе находится уровень "висящей единицы", и загорится светодиод VD2. Напряжение на входе 2DA2 подбирается такой величины, чтобы при никуда не подключенном входе пробника не горел светодиод VD2.
Цвет свечения светодиодов можно выбрать таким, чтобы лог.0 показывался зелёным светом, лог.1 - красным, "висящая единица" - желтым. Не знаю как вам, а мне так удобнее. Светодиоды VD1 и VD3 лучше всего брать прозрачные (не матовые), чтобы хорошо был виден кристалл, и по возможности яркие, чтобы легче было заменить, если светодиод хоть чуть-чуть светится.
На микросхеме DD3 выполнен счётчик импульсов, поступающих на вход пробника. При коротких имульсах, не видных глазу, светодиоды VD4-VD7 будут исправно показывать количество импульсов в двоичной форме:) Кнопкой SB1 счётчик сбрасывается с погасанием всех светодиодов.
Инверторы микросхемы DD2 используются для того, чтобы активным уровнем (когда зажигается светодиод) был лог.0, т.к. ТТЛ-выход при лог.0 способен отдать в нагрузку ток до 16 мА. При выходной лог.1 выход способен отдать ток 1 мА, и если мы к нему подключим светодиод (чтобы он зажигался при лог.1 на выходе) мы перегрузим выход. Токоограничивающие резисторы подобраны так, чтобы максимальный ток, протекающий через светодиоды, не превышал 15 мА.
Пробник питается от отдельного блока питания (я использовал источник питания от магнитофона "Беларусь"). На плате пробника расположен стабилизатор напряжения DA2. Учивая не слишком большой ток потребления пробника микросхема стабилизатора используется без дополнительного теплоотвода, и при этом не перегревается.
Входные цепи пробника VT1, VT2, DA3 питаются от отдельного источника опорного напряжения DA1. Сделано это потому, что при изменении тока потребления пробника (например, когда горит большинство светодиодов) выходное напряжение стабилизатора DA2 несколько меняется, при этом соответственно будут меняться все опорные напряжения, что недопустимо.
К проверяемой конструкции от пробника отдельно подключается "общий" провод (GND).
Быстродействия микросхем пробника хватает для индикации импульсов вплоть до частоты 10 МГц. При частоте 12МГц уже пропадает индикация лог.0, но лог.1 показывается. По этой же причине вход счётчика подключен именно к DD1.1 - при проверке частоты выше 10 МГц счётчик будет считать импульсы с индикацией на светодиодах VD4..VD7.
Пробник собран на макетной плате:
Плата логического пробника в корпусе от маркера
 |
Логический пробник с источником питания
Процесс работы с пробником на плате компьютера "Байт" можно посмотреть на видео:
Работа с логическим пробником
Схема логического пробника для отыскания неисправностей цифровых схем, описание его возможностей и приемов работы с пробником.
Общеизвестно, что для ремонта и налаживания электронных цифровых схем необходим . Конечно, сейчас прошли те времена, когда приходилось на заводах ремонтировать большие ЭВМ. Зато появились устройства различного назначения на , специализированных микросхемах, большое количество устройств с использованием цифровых микросхем малой степени интеграции (еще не все предприятия и организации успели приобрести современное импортное оборудование).
Обычным авометром невозможно увидеть процессы, происходящие в импульсных схемах и сделать выводы о работе схемы в целом. Но осциллограф под рукой может оказаться не всегда. Вот в этом случае может оказать неоценимую помощь описываемый логический пробник.
Подобных устройств в литературе было описано немало и все они при одинаковом назначении все-таки имеют совершенно разные параметры: есть такие, что просто неудобны и непонятны в работе. Такие пробники выпускались отечественной промышленностью до конца прошлого века.
Много лет мне довелось пользоваться логическим пробником, конструкция которого описана ниже. Схема показала себя надежной и удобной в работе.
Основное отличие данной схемы от подобных - минимальное количество деталей при достаточно широких возможностях. Одной из особенностей схемы является наличие второго входа, что иногда позволяет обходиться без двулучевого осциллографа.
Описание принципиальной схемы.
Питание пробника (+5В) осуществляется от проверяемой схемы.
Исследуемый сигнал поступает на базы входных транзисторов VT1, VT2, предназначенных для увеличения входного сопротивления прибора. Далее, через диоды VD1, VD2 сигнал проходит на D1.2, D1.3, D1.4, которые зажигают красный и зеленый светодиоды.
Приемы работы с пробником.
Свечение красного светодиода говорит о наличии на входе 1 логической единицы, а зеленого - логического нуля.
Для описываемого пробника напряжение логического нуля 0…0,4В, а логической единицы 2,4…5,0В. Если вход 1 пробника никуда не подключен, оба светодиода погашены.
В том случае, когда вход 1 подключен к проверяемой схеме, и оба светодиода погашены, можно предположить, что есть неисправность. Такой уровень называется «серым».
Кроме показа логических уровней нуля и единицы пробник также может показывать наличие импульсов. Для этих целей служит двоичный счетчик D2, к выходам которого подсоединены светодиоды HL1…HL4 желтого цвета.
С приходом каждого импульса состояние счетчика увеличивается на единицу. Если частота следования импульсов невелика, то можно увидеть мигание светодиодов счетчика, даже если импульс длительностью несколько микросекунд появляется раз в секунду или еще реже. Такой процесс можно зафиксировать только с помощью запоминающего осциллографа - прибора достаточно дорогого и редкого.
Когда импульсы следуют с высокой частотой, кажется, что светодиоды HL1…HL4 светятся непрерывно, хотя на самом деле зажигаются импульсами.
По характеру свечения красного и зеленого светодиодов можно приблизительно оценить форму импульсов. Если яркость свечения обоих светодиодов одинакова, то длительность импульса (лог.1) равна длительности паузы (лог.0). Более интенсивное свечение красного светодиода говорит о том, что длительность импульса (лог.1) больше, чем длительность паузы (лог.0) и наоборот.
Соотношение импульса и паузы может быть таким, что заметно свечение только лишь одного светодиода. Но если при этом счетчик продолжает считать, то значит идут импульсы. Для сброса счетчика используется кнопка S1: если после ее нажатия и отпускания светодиоды HL1…HL4 погасли и своего состояния не изменяют, то импульсов нет, а пробник показывает просто логический уровень нуля или единицы.
Несколько слов о деталях.
Диоды VD1, VD2 могут быть заменены любыми импульсными маломощными диодами. Только при этом следует помнить, что VD1 должен быть кремниевым, а VD2 обязательно германиевым: именно они разделяют уровень нуля и единицы. Транзисторы могут быть с любыми буквенными индексами, либо заменены на КТ3102 и КТ3107.
Микросхемы могут быть заменены импортными аналогами: К155ЛА3 на SN7400N, а К155ИЕ5 на SN7493N.
Конструкция пробника произвольна, но лучше всего выполнить его с помощью печатного монтажа в виде щупа, поместив в подходящий пластмассовый корпус.
При работе с пробником необходимо внимательно следить за тем, чтобы не подключить питание к цепям с напряжением более 5В, а также не касаться таких цепей измерительным щупом. Подобные касания приводят к ремонту прибора.
- логический пробник со строго определенными логическими уровнями и входным сопротивлением около 1 МОм;
- пробник для контроля целостности цепей с верхним пределом сопротивления от десятков ом до десятков мегаом;
- генератор одиночных или периодических импульсов, или простой генератор сигналов;
- звуковой пробник с высоким сопротивлением.
Собрать все эти устройства можно с помощью 6 инверторов микросхемы 4069, двух или трех транзисторов и нескольких пассивных элементов.
В КМОП/ТТЛ-совместимом логическом пробнике, образованном двумя логическими элементами, резисторы R1 - R4 задают смещение на входах инверторов (Рисунок 1). Высокое входное сопротивление вентилей позволяет выбрать номиналы резисторов из диапазона от 100 кОм до 1 МОм. Втекающий и вытекающий ток щупа пробника мал из-за высокого сопротивления резисторов R1 - R4, поэтому влияние пробника на логические уровни напряжений в проверяемой схеме несущественно. Зная величины входных логических порогов вентилей, вы сможете рассчитать номиналы резисторов.
Верхний по схеме логический элемент детектирует уровень логического нуля, нижний - логической единицы. Установите верхний предел уровня логического нуля и рассчитайте сопротивление резисторов R1 и R2. Сопротивление R1 произвольно выберем равным 1 МОм, и найдем такое сопротивление R2, при котором напряжение на входе верхнего логического элемента в точности равно пороговому напряжению. Таким образом:
- V T - пороговое значение напряжения,
- V L - напряжение логического нуля,
- V S - напряжение питания.
Аналогичным образом установите нижний предел уровня логической единицы напряжения V T и найдите значение сопротивления резистора R4 при известном R3. При надлежащем выборе R3, учитывающем смещение на входах логических элементов в состоянии покоя, когда при отключенном от проверяемой схемы щупе оба светодиода выключены, можно рассчитать сопротивление R4:
- I P - ток пробника,
- V I - напряжение на щупе пробника.
Отсюда следует, что сопротивление пробника при любом напряжении на щупе превышает 1 МОм. Если в корпусе используемой вами микросхемы 4069 пороговые напряжения оказались повышенными, и равными, скажем, 3 В, их можно уменьшить, включив последовательный диод в положительную шину питания и резистор 10 кОм на землю между выводом питания микросхемы и диодом.
Пробники для прозвонки схем (Рисунок 2) очень часто используются разработчиками, такие приборы незаменимы на рабочем месте. Высокое входное сопротивление и четкий порог переключения логического элемента микросхемы 4069 позволяют сделать на нем тестер целостности цепей с переключаемым сопротивлением срабатывания. Общее сопротивление между щупами пробника и сопротивление на переключателе образуют резистивный делитель, напряжение с которого поступает на вход логического элемента. В случае равенства двух сопротивлений напряжение на входе логического элемента равно половине напряжения питания. Примерно такой же величины будет и порог переключения логического элемента. Таким образом, выбранный с помощью переключателя резистор определяет приблизительное пороговое сопротивление проверяемой цепи.
Полезной альтернативой коммутируемым резисторам и переключателю может быть один потенциометр, который позволит, во-первых, существенно сократить размеры пробника, а во-вторых, произвольно устанавливать порог срабатывания, подключая к щупам известное сопротивление и наблюдая за свечением светодиода при вращении ручки. Потенциометр должен быть установлен так, чтобы светодиод полностью погас. Еще один переменный резистор номиналом от 1 до 2 кОм, включенный в схему последовательно с положительным щупом, сделает возможной установку порогового сопротивления на уровне порядка 100 Ом или меньше. Точно так же, как в предыдущей схеме, уменьшить пороговое напряжение логического элемента вы можете с помощью пары диодов в цепи положительной шины питания и резистора 10 кОм между выводами питания микросхемы. Такая конструкция, с соответствующей доработкой, может использоваться и для проверки силовых линий переменного тока (это уже будет пятый пробник).
Остаются свободными еще три логических элемента микросхемы 4069, два из которых вы можете использовать, чтобы сделать схему автоколебательного генератора/генератора одиночных импульсов с усилительным каскадом на комплементарной паре биполярных транзисторов Q1 и Q2 (Рисунок 3). Выбор режима генерации одиночного импульса («О») или последовательности импульсов («П») осуществляется однополюсным переключателем на два направления. При нажатии на кнопку S1 в режиме одиночного импульса на входе второго элемента формируется короткий отрицательный импульс, и конденсатор C2 начинает заряжаться. Соответственно, на выходе логического элемента и на выходе схемы в точке соединения транзисторов Q1 и Q2 возникает сигнал высокого уровня. Этот уровень защелкивается, а дребезг контактов устраняется положительной обратной связью через конденсатор C1, который начинает заряжаться с постоянной времени, определяемой резисторами R1, R2 или R3. Когда напряжение на C1 достигнет порогового уровня, выход второго элемента возвратится обратно в низкое состояние, вследствие чего уровень напряжения на его входе, опять же, с участием положительной обратной связи через C1, станет высоким, и генерация импульса завершится.
Включенный параллельно C2 диод всегда смещен в обратном направлении и выполняет роль высокоомного резистора для разряда конденсатора C2. Если предположить, что типовой ток утечки диода равен 1 нА, то эквивалентное сопротивление при напряжении 2.5 В будет около 2.5 ГОм. Постоянная времени разряда RC около 125 мс вполне соответствует скорости нажатия кнопки человеком.
Резисторы R1 - R3 задают частоту импульсов автоколебательного генератора или длительность одиночного импульса. Резистор 220 кОм на входе второго элемента служит для ограничения утечки тока конденсатора на вход логического элемента, когда напряжение на нем ниже «земли» или на 0.6 В выше напряжения питания. Импульсы генерируются с частотой порядка 1/(2.2RC), в то время как пороговое напряжение определяет длительность одиночного импульса, лежащую в диапазоне примерно от 0.7RC до 1.1RC.