Здравствуйте, уважаемые читатели сайта . 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.
До встречи на страницах сайта!
Анатолий Тихомиров (picdiod
), г. Рига
Удачи!
Литература:
С.А Бирюков «Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах».
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".
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
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.
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
Данный простой логический пробник предназначен для ремонта и наладки цифровых схем. Для простоты использования, питание данного логического пробника производится от источника питания, от которого запитано само исследуемое устройство. При ремонте схем с использованием микросхем серии К561 и К176 это будет 9 вольт, и 5 вольт для схем с применением 155 и 555 серии.
Индикатором логических уровней в логическом пробнике служат два светодиода, подключенных встречно параллельно. За их свечение отвечают два транзистора VT1 и VT2. При поступлении на щуп логического пробника уровня лог. 0, транзистор VT1 заперт, а VT2 открыт по причине протекающего тока сквозь резисторы R2, R3 в его базовой электроцепи.
Транзистор VT2 отпирается, и тем самым зажигается зеленый светодиод. При поступлении на щуп логического пробника уровня лог. 1, отпирается транзистор VT1, а VT2 закрывается, поскольку отсутствует ток его базы. Отпирание VT1 позволяет включить красный светодиод, а зеленый светодиод в этот же момент гаснет.
В случае, если на щупе логического пробника окажется сигнал с некоторой частота, то включится как красный, так и зеленый светодиод. В схеме могут быть применены любые светодиоды схожие по параметрам с АЛ307. Транзисторы можно заменить на КТ315, КТ3102.
Многие радиолюбители сталкиваются с цифровыми схемами и устройствами работающими по законам Булевой алгебры-логики. Имеющие только два состояния «ноль» или «единица» цифровые схемы относительно просты в настройке и надёжны в работе. При настройке цифровых устройств очень удобно пользоваться различного рода логическими пробниками, именно об одном из простейших логических пробников и пойдёт речь в этой статье.
Одним из вариантов самых простых пробников представлен на рисунке №1.
Рисунок №1 – схема простого логического пробника
R1, R2 – 4,7 КОм
VT1, VT2 – 2N2222
VD1 – зелёный светодиод (любого номинала)
VD2 – красный светодиод (любого номинала)
Питается схема от батарейки типа «крона» 9 вольт. Принцип работы схемы довольно простой, транзисторы VT1, VT2 имеют n-p-n проводимость, таким образом, когда вы касаетесь логического нуля горит светодиод VD1 (зелёный, или того цвета который вы впаяете).
Когда вы касаетесь щупом, уровня логической единицы, то транзистор VT1 отпирается и загорается светодиод VD2. Если вы попадёте на ножку микросхемы, генерирующей динамические сигналы то оба светодиода будут тускло гореть. Вместо VD1, и VD2 можно впаять сдвоенный светодиод типа MV5491, который имеет два цвета свечения (при динамических сигналах на входе такой светодиод загорится янтарным светом). Подстройка работы пробника осуществляется путём подбора резисторов R1, R2 (вместо них удобнее использовать подстроечные резисторы).
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.
