для чего нужен логический пробник
Логический пробник
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:
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 небольшая «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.
Your browser doesn’t support HTML5 video. Here is a link to the video instead.
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
Схема самого простого пробника был опубликована в журнале «Радиолюбитель» №9 за 1995 год:
Немного более «продвинутый» вариант этой схемы:
Для регистрации коротких импульсов, которые не видны глазом (например, импульс выбора порта) я приделал к пробнику «защёлку» на половинке триггера ТМ2:
Внешний вид пробника:
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 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:
P.S. Схема пробника не самая идеальная, и при желании наверняка можно сделать проще и лучше.
Описание схемы и процесс наладки логического пробника
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.
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. Учитывая 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).
Простой логический пробник
30 Мар 2018г | Раздел: Работы читателей
Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Для наладки тактового генератора появилась необходимость в логическом пробнике. На просторах интернета ничего толкового не нашел, так как схемы, которые я брал с сайтов, не работали, а если и работали, то не так как это было необходимо. Поэтому было решено разработать свою схему логического пробника, внешний вид которого Вы видите на фото ниже.
Схема пробника реализована на Советских микросхемах К176ИЕ8 (СD4017) и К155ЛА3 (SN7400), которые у меня оказались в наличии.
Микросхема К155ЛА3 состоит из четырех элементов 2И-НЕ, питающихся от общего источника постоянного тока, при этом каждый из элементов работает как самостоятельная микросхема. Все четыре элемента имеют по три вывода, где каждый элемент определяется по номерам выводов. Так, например, входные выводы 1, 2 и выходной вывод 3 относятся к первому элементу, а входные выводы 4, 5 и выходной 6 – ко второму элементу и т.д.
Выводы 7 и 14 микросхемы, служащие для подачи питания, на схемах не обозначают, так как ее элементы могут находиться в разных участках схемы устройства. На принципиальных схемах каждый элемент обозначают буквенно-цифровым индексом: DD1, DD2, DD3, DD4.
Микросхема К176ИЕ8 представляет собой десятичный счетчик с дешифратором и имеет три входа R, CN, СР и девять выходов Q0…Q9.
Вход R (вывод 15) служит для установки счетчика в исходное состояние;
На вход CN (вывод 14) подают счетные импульсы отрицательной полярности;
На вход СР (вывод 13) подают счетные импульсы положительной полярности;
Выхода Q0…Q9 (выводы 1 – 7 и 9 — 11) являются выходами счетчика. В исходном состоянии на выходах Q1…Q9 находится лог. 0, а на Q0 лог. 1;
Плюс питания подается на вывод 16, а минус – на вывод 8.
Установка счетчика микросхемы в 0 происходит при подаче на вход R логической единицы (лог.1), при этом на выходе Q0 появляется лог.1, а на выходах Q1 — Q9 – логический 0 (лог.0). Например. Требуется, чтобы счетчик считал только до третьего разряда Q2 (вывод 4). Для этого соединяем вывод 4 с выводом 15. При достижении счета до третьего разряда счетчик автоматически перейдет на отсчет с начала.
Переключение состояний (выходов) счетчика происходит по спадам импульсов отрицательной полярности, подаваемых на вход CN. При этом на входе СР должен быть логический 0. Можно также подавать импульсы положительной полярности на вход СР, тогда переключение будет происходить по их спадам. При этом на входе CN должна быть логическая единица.
Принципиальна схема логического пробника приведена на рисунке ниже.
Работа схемы очень простая.
При поступлении положительных импульсов на вход СР микросхемы DD2 происходит переключение выходов счетчика, индицируемое светодиодами. По миганию светодиодов наблюдают процесс работы проверяемого генератора или любого другого цифрового устройства.
Если на вход приходит напряжение меньше 2/3 напряжения питания, или его вообще нет, счетчик работает нестабильно. При этом переключение светодиодов происходит хаотично и такое состояние можно считать логическим 0. При подаче на вход логической 1 происходит четкое переключение счетчика, и пробник подает звуковой сигнал. Звуковой генератор собран на элементах DD1.1 и DD1.2 микросхемы К155ЛА3 и транзисторе VT1 КТ361Б.
В пробнике я применил четыре светодиода и считаю, что этого вполне достаточно для визуализации процесса. При этом даже имеется некоторое удобство при измерении, которое дает небольшую паузу при переключении счетчика в начальное состояние. Если кто захочет использовать большее количество светодиодов, то вывод 15 микросхемы DD2 подключают к следующему по порядку выходу. В моем варианте вывод 15 соединен с выводом 1 счетчика.
Пробник можно использовать и без звуковой сигнализации. Для этого из схемы исключаем звуковой генератор, собранный на элементах DD1, VT1 КТ361Б, R1, R2, C1, звуковой сигнализатор ЗП-22. В этом случае измеряемый уровень сигнала подается только на вход СР счетчика.
Пробник питается от проверяемого устройства, что очень удобно.
Схема собрана на односторонней плате и имеет небольшие размеры, что позволяет сделать прибор компактным. Светодиоды можно использовать любые низковольтные. Корпус пробника выполнен от футляра для очков.
Щупом послужил кусочек медного провода сечение 3мм и длиной 5см. В рабочем варианте пробника входная часть выполнена без диода и транзистора, которые по этой причине не показаны на принципиальной схеме. Как показала практика, такое изменение существенно увеличило чувствительность логического пробника.
Также посмотрите видеоролик, в котором показывается работа пробника.
Плату в формате lay можно скачать по этой ссылке.
До встречи на страницах сайта!
Анатолий Тихомиров (picdiod), г. Рига
Удачи!
С.А Бирюков «Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах».
Универсальный логический пробник
Эта конструкция корпуса предполагает, что на печатной плате установлены светодиоды 3 мм и наконечник пробника 12 SWG (2,6 мм). Если компоненты отличаются от указанных размеров, то может потребоваться соответствующая корректировка компоновки корпуса.
Верхняя и нижняя части корпуса собираются с помощью клея.
Так же файлы для печати можно скачать ниже.
Top Cover.stl
Bottom Cover.stl
Шаг пятый: тестирование логического пробника
Схема используемая для проверки логики зонда состоит из таймера NE555, двух CD4040 (двоичный счетчик на 12 разрядов) и CD4017 (счетчик имеет 10 выходов). В этой схеме NE555 обеспечивает выходную частоту 16 кГц с рабочим циклом примерно 50%. Счетчики CD4040 используются в качестве делителя частоты для генерации сигналов 500 Гц и 15 Гц.
Шаг шестой: использование логического пробника
Этот пробник имеет три светодиодных индикатора и отображает логические уровни ( высокий и низкий уровень ) и импульсные сигналы с частотой до 1,8 МГц (при рабочем цикле 60%).
Для работы этого логического пробника нужно подключить провод питания логического пробника к источнику постоянного тока. Напряжение питания должно быть от 3В до 15В. Напряжения выше этого диапазона могут повредить ИС логического пробника.
В зависимости от проверяемой схемы нужно установить переключатель в положение CMOS или TTL и можно начинать тестирование, прикоснувшись наконечником пробника к компонентам печатной платы. Для расшифровки выходного сигнала смотрим прилагаемую таблицу.
Индикатор импульсов (красный светодиод) чувствителен к импульсным сигналам с более высокой частотой в диапазоне от 13 кГц до 200 кГц со средним рабочим циклом 50%. Максимальная частота, поддерживаемая этим логическим пробником, составляет 1,8 МГц при рабочем цикле 60%.
Простые логические пробники
Для проверки схем, в которых используются цифровые интегральные микросхемы, необходимы устройства, определяющие напряжения высокого и низкого уровней ( соответственно логические 1 или 0 ). Для их индикации используют разнообразные логические пробники, т. е. пробники, реагирующие лишь на уровни напряжений логических сигналов.
На Рис.1 изображена схема самого простого логического пробника. В нём всего лишь один транзистор и светодиод, включённый в коллекторную цепь транзистора.
Если на щупы ХР2 и ХР3 подано напряжение питание, но щуп ХР1 никуда не подключен, светодиод горит “вполнакала”. Такой режим обеспечивается подбором резистора R2, задающим напряжение смещения на базе транзистора. Когда же щуп ХР1 будет касаться вывода микросхемы, на которой логический 0, транзистор закроется и светодиод погаснет. И, наоборот, при подключении этого щупа к цепи с логической 1 транзистор откроется настолько, что светодиод вспыхнет ярким светом.
Данные режимы справедливы, если прибор питается от измеряемой схемы. Если пробник имеет автономное питание, например батарея 3336, щуп ХР3 дополнительно соединяют с общим проводом конструкции.
Пробник можно использовать и для “прозвонки” монтажа; тогда его питают от батареи, а щупом ХР1 и проводником, соединяющим с щупом ХР3, касаются нужных участков проверяемых цепей. Если между ними есть соединение, светодиод гаснет.
В пробнике можно использовать любой маломощный кремниевый транзистор со статическим коэффициентом передачи тока не менее 100. Вместо АЛ102Б подойдёт любой светодиод серий АЛ102, АЛ307. Резистор R2 подбирают таким сопротивлением, чтобы светодиод горел “вполнакала”.
Другая конструкция простого пробника ( Рис.2 ) содержит два светодиода. Пробник позволяет не только контролировать логические уровни в разных цепях устройства, но и проверять наличие импульсов, а также приблизительно оценивать их скваженность ( отношение периода следования импульсов к их длительности ). Кроме того, он позволяет фиксировать и “третье состояние”, когда логический сигнал находится между 0 и 1. В этих целях в пробнике в пробнике установлены диоды разного свечения: зелёного (HL1) и красного (HL2).
На транзисторе VT1 выполнен усилитель, повышающий входное сопротивление пробника. Далее следуют электронные ключи на транзисторах VT2 и VT3, управляющие диодами соответствующим свечением..
Если напряжение на щупе ХР1 относительно общего провода ( минус источника питания ) более 0,4 В, но менее 2,4 В (“третье состояние”), транзистор VT2 открыт, светодиод HL1 не горит. В то же время транзистор VT3 закрыт, поскольку падение напряжения на резисторе R3 недостаточно для полного открывания диода VD1 и создания нужного смещения на базе транзистора. Поэтому светодиод HL2 также не светится.
Как только напряжение на входном щупе пробника станет менее 0,4 В транзистор VT2 закроется и загорится светодиод HL1, индицируя логический 0. При напряжении на щупе ХР1 более 2,4 В открывается транзистор VT2, загорается светодиод HL2 – он индицирует логическую 1.
В случае поступления на вход пробника импульсного напряжения скваженность импульсов приблизительно оценивают по яркости свечения того или другого светодиода.
Кроме указанных на схеме транзисторов можно применить транзисторы серий КТ312, КТ201 (VT1, VT3), КТ203 (VT2), любой кремниевый диод (VD1), светодиоды серий АЛ102, АД307, АЛ314 соответственного свечения.
Налаживая пробник, подбором резистора R1 добиваются отсутствия свечения светодиодов в исходном состоянии – при отключённом щупе ХР1. Подав же на этот щуп напряжение 2,4 В ( относительно щупа ХР3 ), подбором резистора R6 добиваются зажигания свечения светодиода HL2. Яркость свечения, а значит предельно допустимый ток через светодиод, ограничивают резисторами R4 и R7.
Логический пробник
Логический пробник предназначен для проверки и налаживания радиоэлектронной аппаратуры, собранной на цифровых микросхемах структуры КМОП и ТТЛ. Он имеет световую индикацию, позволяет определить низкий и высокий логические уровни напряжений, наличие импульсов и цепь с большим сопротивлением. Кроме того, его можно использовать в качестве генератора импульсов.
Для индикации, в пробнике использованы два светодиода разного цвета свечения. Светодиод красного цвета свечения светит постоянно при высоком входном уровне и вспыхивает с частотой несколько герц при поступлении на вход импульсов. Включение светодиода зеленого цвета сигнализирует о подключении пробника к высокоомной цепи. При низком логическом уровне на входе пробника ни один из светодиодов не горит.
После подачи питающего напряжения загорается светодиод HL2 зеленого цвета свечения. Обусловлено это тем, что транзисторы VT1, VT2 открыты, и через этот светодиод протекает ток. Он будет светить и в том случае, если вход пробника подключен к цепи с большим сопротивлением (более 40…50 кОм). При поступлении на вход пробника высокого или низкого уровня закроется транзистор VT1 или VT2 и светодиод HL2 погаснет.
Если на входе высокий уровень, на выходе логического элемента DD3.3 также высокий уровень и светит светодиод HL1 красного цвета свечения. При низком логическом уровне он светить не будет. Резистор R7 ограничивает ток через светодиод HL1.
На логических элементах DD1.1 и DD1.2 собран генератор прямоугольных импульсов с частотой следования около 150 Гц, на D-триггерах DD2.1 и DD2.2 — одновибраторы, первый из одновибраторов запускается по фронту входного импульса, второй — по спаду импульса на выходе первого. Генератор и одновибраторы предназначены для обеспечения индикации входных импульсов различной скважности с логическими уровнями. При поступлении на вход пробника высокого уровня он через конденсатор C1 поступает и на вход D-триггера DD2.1, в момент появления на входе С импульса генератора на прямом выходе триггера DD2.1 также установится высокий уровень и светодиод HL1 светит. Одновременно начинается зарядка конденсатора C1 через резистор R4. Если длительность входного импульса превышает продолжительность зарядки этого конденсатора, то на выходе первого одновибратора формируется импульс длительностью Т1 ≈ 0,7*R4*C1.
Спад этого импульса запускает второй одновибратор, и на выходе триггера DD2.2 на Т2 ≈ 0,7*R5*C3 установится высокий уровень. Он запрещает на время зарядки конденсатора СЗ (через резистор R5) переключение триггера DD2.1 и устанавливает на его выходе низкий уровень — светодиод HL1 гаснет. После зарядки конденсатора С3 одновибраторы возвращаются в исходное состояние и первый из них снова запускается входными импульсами. Поэтому при поступлении на вход пробника импульсов с логическими уровнями светодиод HL1 будет вспыхивать с частотой несколько герц. Если частота входных импульсов будет меньше, светодиод HL1 вспыхивает с этой частотой.
Диод VD1 совместно с резистором R2 защищает вход пробника от напряжения отрицательной полярности, стабилитрон VD2 — от превышения напряжения питания, а диод VD3 — от его неправильной полярности.
Устройство можно использовать как генератор прямоугольных импульсов. При нажатии на кнопку SB1 выходной сигнал генератора поступит на вход пробника, а светодиод HL1 станет вспыхивать. Этот режим можно также применить для контроля работоспособности пробника. Для его питания используют источник напряжением 5…10 В, потребляемый ток составляет 10 мА при напряжении питания 5 В.
В устройстве можно применить резисторы С2-23, МЛТ, конденсаторы К10-17. Транзисторы КТ315Б и КТ361Б допустимо заменить на приборы серий КТ315, КТ3102 и КТ361, КТ3107 соответственно с любыми буквенными индексами. Светодиод АЛ307БМ заменим на КИПД21М-К, а АЛ307ГМ — на КИПД21М-Л. Диоды VD1, VD3 — любые кремниевые серий КД102, КД103, КД503, КД510, КД522. Все микросхемы серии К176 можно заменить аналогичными из серии К561, в этом случае напряжение питания может быть от 3 до 15 В. Питать пробник желательно от того же источника, что и проверяемое устройство, это обеспечит совместимость логических уровней.
Устройство в налаживании не нуждается и начинает работу сразу после подачи на него питания.