próbnik stanów logicznych z woltomierzem.pdf

Próbnik stanów logicznych z woltomierzem

P R O J E K T Y

Próbnik stanów

logicznych z woltomierzem

kit AVT−397

Projekt ten powsta³

z†prawdziwej potrzeby

konstruktora-elektronika. Opis

konstrukcji tego prostego, lecz

bardzo przydatnego, przyrz¹du

autor przedstawia w†artykule.

W†laboratorium AVT mam co

prawda wspania³e warunki do pra-

cy, ale czasami trzeba coú zmon-

towaÊ w†domu. A†tu k³opot. Mia-

³em wprawdzie kiedyú ma³y war-

sztacik w†kuchni, ale øona wypÍ-

dzi³a mnie stamt¹d twierdz¹c, øe

ma juø doúÊ wyci¹gania obciÍtych

koÒcÛwek rezystorÛw z†zupy!

W†pokoju do pracy wszystko jest

zastawione sprzÍtem komputero-

wym i†nie ma gdzie po³oøyÊ nawet

miernika uniwersalnego.

W³aúnie, ale po co mi w³aúciwie

taki miernik? RobiÍ prawie wy³¹cz-

nie uk³ady cyfrowe, na widok

wzmacniacza operacyjnego dostajÍ

gÍsiej skÛrki, a†samo wspomnienie

o†strojonej indukcyjnoúci moøe

mnie przyprawiÊ o†kolejny atak

serca. Potrzebny mi po prostu ma³y

prÛbnik stanÛw logicznych! Nie, to

jednak za ma³o. MogÍ siÍ w†wy-

j¹tkowych sytuacjach obyÊ bez po-

miaru pr¹du, rezystancji czy induk-

cyjnoúci, ale trzeba mieÊ chociaø

moøliwoúÊ zmierzenia napiÍcia za-

silania. Ponadto, kiedy w†uk³adzie

cyfrowym wszystko ìgraî, to moø-

na siÍ pos³ugiwaÊ wy³¹cznie prÛb-

nikiem. Ale jeøeli np. na p³ytce

powsta³o zwarcie pomiÍdzy wyj-

úciami dwÛch uk³adÛw, to pomiar

napiÍcia moøe okazaÊ siÍ bardzo

potrzebny. A†wiÍc dobrze, zrobiÍ

sobie prÛbnik stanÛw logicznych

zblokowany z†proúciutkim mierni-

kiem napiÍcia o†zakresie do 20V.

Do cyfrÛwki wystarczy mi on ca³-

kowicie!

Powyøszy tekst ma charakter

øartobliwy, ale wyjaúnia jakie mo-

øe byÊ zastosowanie proponowane-

go uk³adu. Tak wiÍc wiemy juø

do czego s³uøy opisane niøej urz¹-

dzenie. Zapoznajmy siÍ wiÍc z†je-

go podstawowymi danymi tech-

nicznymi ( tab. 1 ).

Opis dzia³ania uk³adu

Schemat elektryczny propono-

wanego uk³adu pokazany zosta³ na

rys. 1 .

Obie czÍúci uk³adu: woltomierz

i†prÛbnik stanÛw logicznych maj¹

wspÛln¹ tylko masÍ. Obydwa bloki

funkcjonalne zosta³y na schemacie

oddzielone od siebie przerywan¹

lini¹. AnalizÍ uk³adu rozpocznie-

my od bloku woltomierza.

Woltomierz zosta³ skonstruowa-

ny z†wykorzystaniem jednego z†naj-

popularniejszych uk³adÛw scalo-

nych, jakie kiedykolwiek wypro-

dukowano. Mowa tu, oczywiúcie

o†popularnym uk³adzie ICL7106,

wspÛ³pracuj¹cym z†wyúwietlaczem

ciek³okrystalicznym 3,5 cyfry. Po-

wszechnie wiadomo, jakie s¹ wady

i†zalety tych wyúwietlaczy. Podsta-

wow¹ zalet¹ jest pomijalnie ma³y

pobÛr pr¹du, a†g³Ûwn¹ wad¹ s³aba

czytelnoúÊ wyúwietlanej informa-

cji.

Tabela 1.

Woltomierz

Zakres pomiarowy:

0,01..19,99VDC

(w wersji podstawowej).

Zasilanie: 9V (bateria).

Próbnik stanów logicznych

Wykrywanie:

stanu wysokiego, niskiego, stanów za−

kazanych i wysokiej impedancji, krótkich im−

pulsów ujemnych i dodatnich.

Zasilanie: z badanego układu.

Poniewaø nasz przyrz¹d bÍdzie

obserwowany wy³¹cznie z†ma³ej

odleg³oúci, zdecydowaliúmy siÍ na

zastosowanie wyúwietlacza ciek-

³okrystalicznego, co umoøliwia za-

silanie uk³adu z†baterii. Waøne

jest teø to, øe ICL7106 jest zasi-

lany napiÍciem pojedynczym, ty-

powo 9VDC.

SzczegÛ³owego omÛwienia wy-

maga jedynie fragment urz¹dzenia

z†tranzystorem T1 i†rezystorami R5

i†R6. Uk³ad scalony ICL7106 ma

jedn¹ wadÍ: nie daje moøliwoúci

Elektronika Praktyczna 3/98

Próbnik stanów logicznych z woltomierzem

bezpoúredniego sterowania kropka-

mi dziesiÍtnymi i†innymi dodatko-

wymi elementami wyúwietlacza.

Na czym polega problem? Ano na

tym, øe jeøeli wyúwietlacz LCD

zasilimy napiÍciem sta³ym, to

moøe on ulec zniszczeniu. Autor

przestrzega przed takimi ekspery-

mentami. Wyúwietlacze s¹ wpraw-

dzie doúÊ tanie, ale po co je bez

powodu naraøaÊ na uszkodzenie!

Wyúwietlacz LCD posiada dwa

rodzaje elektrod: elektrodÍ wspÛl-

n¹ (ang. Back Plane) oraz elektro-

dy segmentÛw i†dodatkowych sym-

boli umieszczonych na wyúwietla-

czu. PomiÍdzy

elektrodÍ BP

i†elektrody seg-

mentÛw musi

byÊ doprowa-

dzone napiÍcie

przemienne , zmieniaj¹ce sw¹ po-

laryzacjÍ z†czÍstotliwoúci¹ nie

mniejsz¹ niø ok. 50Hz. W†przypad-

ku segmentÛw cyfr i†znaku pola-

ryzacji nie mamy siÍ o†co martwiÊ.

ICL7106 dba o†to, aby wyúwietla-

czowi zapewniÊ bezpieczeÒstwo

i†polaryzacja segmentÛw zmienia

siÍ nieustannie. W†naszym urz¹-

dzeniu przyda³oby siÍ ìzapaliÊî

kropkÍ oddzielaj¹c¹ dziesi¹tki

i†jednostki od dziesi¹tych i†set-

nych czÍúci wolta. Wyúwietlacz

LCD moøe wyúwietliÊ poza krop-

kami dziesiÍtnymi

jeszcze inne sym-

bole (np. BATT

LOW), ktÛre mog¹

znaleüÊ zastosowa-

nie w†bardziej roz-

budowanych uk³a-

dach. Jednak do³¹-

czenie tych seg-

mentÛw do plusa

lub minusa zasila-

nia spowodowa³o-

by ich nieodwra-

calne uszkodzenie.

Do rozwi¹zania te-

go problemu s³uøy

w³aúnie tranzystor

T1. Odwraca on fa-

zÍ sygna³u pobiera-

nego z†wyjúcia BP

i†z†kolektora tego

tranzystora moøemy

bezpiecznie zasilaÊ

segmenty kropek

dziesiÍtnych i†in-

nych symboli.

Jak juø wspo-

mniano, woltomierz

pracuje na zakresie

pomiarowym 2V.

Jest to jednak nieco

za ma³o do wyko-

nywania pomiarÛw

napiÍcia w uk³a-

dach cyfrowych

i†dlatego zastosowa-

no dzielnik napiÍ-

cia wejúciowego

o†wspÛ³czynniku

podzia³u 1:10. Zre-

alizowano go na re-

zystorach R7 i†R8.

Wprawdzie wydaje

mi siÍ w¹tpliwe,

aby ktokolwiek po-

trzebowa³ w†takim

przyrz¹dzie zakresu

do 200V, ale na

wszelki wypadek

dodany zosta³ jesz-

Rys. 1. Schemat elektryczny układu.

Elektronika Praktyczna 3/98

Próbnik stanów logicznych z woltomierzem

Ω

- R9. Za pomoc¹ zworki JP1

moøemy wybraÊ jeden z†dwÛch

zakresÛw pomiarowych: do 20 lub

do 200V.

Drug¹ czÍúci¹ uk³adu jest prÛb-

nik stanÛw logicznych zrealizowa-

ny na uk³adach IC2 i†IC3. Dwa

wzmacniacze operacyjne zawarte

w†strukturze uk³adu scalonego IC2

zosta³y po³¹czone w†typowy i†wie-

lokrotnie juø w†naszych projektach

stosowany sposÛb: pracuj¹ one

jako komparator okienkowy. Jeden

wzmacniacz sygnalizuje przekro-

czenie pewnego poziomu napiÍcia,

a†drugi spadek napiÍcia poniøej

innego zadanego poziomu. Z†wyjúÊ

wzmacniaczy wysterowywane s¹

tranzystory T2 i†T3 tak, øe stan

niski jest sygnalizowany úwiece-

niem diody D2, a†stan wysoki na

wejúciu spowoduje w³¹czenie dio-

dy D1.

Na wejúcia 6†IC2B i†3†IC2A po-

dane zosta³y napiÍcia odniesienia

wytwarzane przez dzielnik napiÍ-

cia z†rezystorami R11, R12 i†R10.

Tu w³aúnie zaczynaj¹ siÍ pewne

problemy. Dla wartoúci rezystorÛw

podanych na schemacie, napiÍcie

zasilania jest dzielone dok³adnie

na trzy rÛwne czÍúci i†poziomy

graniczne wynosz¹: 1,66 i†3,33V

(oczywiúcie, przy napiÍciu zasila-

nia 5V!). S¹ to poziomy do przy-

jÍcia dla uk³adÛw CMOS, ale nie

odpowiadaj¹ce normom stosowa-

nym w†standardzie TTL.

Autorowi, ktÛry praktycznie

wszystkie swoje uk³ady realizuje

w†technologii CMOS, zupe³nie to

nie przeszkadza, ale inni konstruk-

torzy mog¹ zmieniÊ napiÍcia od-

niesienia, odpowiednio dobieraj¹c

wartoúci rezystorÛw R10..R12. Moø-

na teø niczego nie zmieniaj¹c

uøywaÊ przyrz¹du do badania uk³a-

dÛw TTL. Wprawdzie w uk³adach

TTL napiÍcie np. 2,9V jest uzna-

wane za stan wysoki, ale w†po-

prawnie wykonanym uk³adzie stan

wysoki powinien jednak zawsze

wynosiÊ ok. 3,6V, a†stan niski ok.

0,2V i†nasz prÛbnik okaøe siÍ

w†pe³ni uøyteczny.

Kolejny fragment uk³adu - dwa

uniwibratory zrealizowane na uk³a-

dzie 4098 - s³uøy do detekcji

krÛtkich impulsÛw. Przed³uøaj¹

one ich czas trwania, umoøliwiaj¹c

wizualn¹ obserwacjÍ. Ten blok

uk³adu nie jest jego najmocniejsz¹

stron¹: zastosowanie stosunkowo

wolnego wzmacniacza operacyjne-

go spowodowa³o, øe wykrywane

bÍd¹ wy³¹cznie impulsy d³uøsze

od ok. 2

ry, otworÛw w†obudowie. Jeøeli

nie mamy takiego wiert³a, to mo-

øemy jedynie napunktowaÊ obudo-

wÍ za pomoc¹ cienkiej ig³y kra-

wieckiej. NastÍpnie w†zaznaczo-

nych miejscach wiercimy w†obu-

dowie otwory o†úrednicy 5mm,

przeznaczone na w³oøenie w†nie

czterech diod LED. W†ten sposÛb

mamy absolutn¹ pewnoúÊ, øe dio-

dy LED idealnie bÍd¹ pasowaÊ do

obudowy.

Nieco gorzej wygl¹da sprawa

z†wykonaniem otworu pod wy-

úwietlacz, co jednak bynajmniej

nie oznacza, øe nie poradzimy

sobie i†z†tym problemem. Tak siÍ

szczÍúliwie sk³ada, øe otwÛr, przez

ktÛry bÍdziemy obserwowaÊ wy-

úwietlacz, moøe byÊ dok³adnie

takich samych wymiarÛw co 40-

nÛøkowa kostka ICL, ktÛra na

p³ytce zosta³a umieszczona do-

k³adnie poúrodku wyúwietlacza.

Zatem do zaznaczenia punktÛw

bazowych, ktÛre nastÍpnie pos³u-

ø¹ do wytrasowania okienka, uøy-

jemy czterech skrajnych pun-

ktÛw lutowniczych uk³adu IC1!

CzynnoúÊ tÍ wykonamy identycz-

nie jak w†przypadku zaznaczania

punktÛw pod diody LED. Czytel-

nicy, ktÛrzy do tej operacji bÍd¹

uøywaÊ wiert³a, z†pewnoúci¹ bÍd¹

siÍ obawiaÊ o†ca³oúÊ metalizacji

wewn¹trz punktÛw lutowniczych.

Nie obawiajcie siÍ, ostroønoúÊ

wprawdzie nie zawadzi, ale p³yt-

ka zosta³a tak zaprojektowana, øe

ewentualne uszkodzenie metaliza-

cji tych czterech otworÛw niczym

nie grozi: úcieøki zosta³y do nich

doprowadzone wy³¹cznie od stro-

ny lutowania, a†nawet zosta³a wy-

konana jedna dodatkowa, pozor-

nie niepotrzebna úcieøka i†przelot-

ka.

s. Musimy siÍ jednak

z†tym pogodziÊ, poniewaø zastoso-

wanie szybkiego wzmacniacza zna-

cz¹co podwyøszy³oby koszt wyko-

nania uk³adu. Prze³¹cznik S2 po-

zwala na wybranie aktualnego try-

bu pracy uk³adu: jako woltomierza

lub jako prÛbnika stanÛw logicz-

nych.

Montaø i uruchomienie

Na rys. 2 przedstawiono roz-

mieszczenie elementÛw na p³ytce

drukowanej, a†widok úcieøek znaj-

duje siÍ na wk³adce wewn¹trz

numeru.

DoúÊ dziwaczny kszta³t p³ytki

zosta³ podyktowany koniecznoúci¹

dopasowania jej do obudowy typu

Z14 i†maksymalnym wykorzysta-

niu miejsca w†jej wnÍtrzu. Zanim

jednak rozpoczniemy montaø, mu-

simy najpierw wykorzystaÊ p³ytkÍ

drukowan¹ jako matrycÍ do wy-

wiercenia otworÛw w†obudowie.

Z†pewnoúci¹ wielu CzytelnikÛw za-

uwaøy³o dziwaczne, pozornie ni-

czemu nie s³uø¹ce, otworki

umieszczone na p³ytce pomiÍdzy

wyprowadzeniami diod LED. Za

chwilÍ dowiemy siÍ, øe ich

umieszczenie na p³ytce by³o abso-

lutnie konieczne. P³ytkÍ wk³adamy

do obudowy (do bardziej p³askiej

jej czÍúci, tej bez pojemnika na

baterie). Jeøeli po-

siadamy wiert³o

o†odpowiedniej

úrednicy, to moøe-

my go uøyÊ do prze-

wiercenia, poprzez

te dodatkowe otwo-

Zanim zajmiemy siÍ montaøem

uk³adu, pozostaÒmy jeszcze chwilÍ

przy obudowie. Druga jej czÍúÊ

posiada pojemnik na bateriÍ 9V,

ktÛry zosta³ zaprojektowany z†nie-

potrzebnym rozmachem - jest po

prostu za duøy i†p³ytka nie zmieú-

ci³aby siÍ w†obudowie. Musimy go

usun¹Ê za pomoc¹ kombinerek,

a†bateria bÍdzie dobrze przytrzy-

mywana przez krawÍdü p³ytki.

Montaø uk³adu rozpocz-

niemy od wlutowania pod-

stawki pod uk³ad IC1. W†ki-

cie znajduje siÍ jeszcze jedna

podstawka 40-nÛøkowa. TÍ

podstawkÍ musimy przeci¹Ê,

Rys. 2. Rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej.

Elektronika Praktyczna 3/98

cze jeden rezystor o†wartoúci 11k

Próbnik stanów logicznych z woltomierzem

Rys. 3. Sposób montażu płytki

w obudowie.

umieúci³ jakichkolwiek ko³kÛw mo-

cuj¹cych. Moøe to nawet lepiej,

zajmowa³yby niepotrzebnie miejsce,

a†my i†tak znakomicie poradzimy

sobie bez nich.

Zmontowan¹ p³ytkÍ wk³adamy

do tej czÍúci obudowy, w†ktÛrej

wykonaliúmy otwory do obserwacji

wyúwietlacza i†na diody LED.

Sprawdzamy, czy p³ytka leøy rÛwno

w†obudowie i†nastÍpnie w†otwory

oznaczone ìXî wk³adamy odcinki

srebrzanki lub obciÍte koÒcÛwki

rezystorÛw. KoÒce tych drutÛw po-

winny dotykaÊ wewnÍtrznej p³asz-

czyzny obudowy i†wystawaÊ ponad

powierzchniÍ p³ytki na†ok. 12mm.

Przylutowujemy druciki i†nastÍpnie

sk³adamy razem dwie czÍúci obu-

dowy z†umieszczon¹ wewn¹trz p³yt-

k¹. Najprawdopodobniej nie uda siÍ

to nam, poniewaø w†z³oøeniu obu-

dowy bÍd¹ przeszkadzaÊ zbyt jesz-

cze d³ugie koÒcÛwki drutÛw wlu-

towanych w†punktach ìXî. Przyci-

namy teraz po kawa³ku te koÒcÛw-

ki, aø do momentu, kiedy obudowa

da siÍ z³oøyÊ, a†p³ytka bÍdzie

pewnie umocowana w†jej wnÍtrzu.

Opisany sposÛb montaøu ilustruje

rys. 3 .

Jako sondÍ pomiarow¹ najlepiej

wykorzystaÊ grub¹ ig³Í krawieck¹.

Do uk³adu naleøy jeszcze do³¹czyÊ

dwa przewody: jeden s³uø¹cy do

do³¹czenia prÛbnika do masy ba-

danego uk³adu, a†drugi doprowa-

dzaj¹cy napiÍcie do bloku prÛbni-

ka stanÛw logicznych. Obydwa te

przewody najwygodniej jest zakoÒ-

czyÊ ma³ymi krokodylkami, tak jak

to zosta³o zrobione w†uk³adzie

modelowym.

Pozosta³y nam jeszcze dwie

sprawy do poruszenia. W†uk³adzie

modelowym jako prze³¹cznik S2

i†w³¹cznik S1 zastosowano minia-

turowe prze³¹czniki düwigienkowe.

Nie wygl¹da³o to zbyt estetycznie

i†dlatego w†kicie dostarczane bÍd¹

miniaturowe prze³¹czniki hebelko-

we, zapewniaj¹ce znacznie bardziej

elegancki wygl¹d zbudowanego

urz¹dzenia. Naleøy na nie wyci¹Ê

otwory w†ìwolnymî miejscu obu-

dowy, najlepiej na jej bocznych

úciankach. Drug¹ spraw¹ jest zamo-

cowanie baterii 9V.

Mieúci siÍ ona dos-

konale w†obudowie

i†jej po³oøenie jest

stabilizowane przez

p³ytkÍ obwodu dru-

kowanego. Niestety,

niektÛre rodzaje klipsÛw od prze-

wodÛw zasilaj¹cych mog¹ zawa-

dzaÊ o†krawÍdü p³ytki, uniemoøli-

wiaj¹c z³oøenie przyrz¹du. W†takim

wypadku musimy po prostu przy-

lutowaÊ koÒcÛwki przewodÛw za-

silaj¹cych bezpoúrednio do stykÛw

baterii. Bior¹c pod uwagÍ, øe ba-

teria alkaliczna dobrej jakoúci po-

winna wystarczyÊ nawet na kilka

lat eksploatacji naszego przyrz¹du,

i†to, øe bÍdzie on uøywany wy³¹cz-

nie w†pracowni elektronicznej, ko-

niecznoúÊ lutowania przewodÛw

podczas wymiany baterii nie wy-

daje siÍ byÊ zbyt uci¹øliwa.

Pozostaje mi juø tylko øyczyÊ

Czytelnikom, aby wykonane urz¹-

dzenie pomog³o Im w†budowie

nowych, wyj¹tkowo ciekawych

uk³adÛw elektronicznych.

Zbigniew Raabe, AVT

tak aby powsta³y jedynie dwa

rzÍdy z†otworami na nÛøki wy-

úwietlacza. OperacjÍ na podstawce

najlepiej wykonaÊ za pomoc¹

brzeszczota od pi³ki do metalu,

zachowuj¹c duø¹ ostroønoúÊ (pod-

stawka ³atwo pÍka). Ewentualne

nierÛwnoúci naleøy wyg³adziÊ pil-

nikiem. Uzyskane listwy z otwo-

rami wlutowujemy w†oznaczone

miejsca i†dopiero teraz montujemy

pozosta³e elementy. NiektÛre z†nich

naleøy pracowicie ìupchaÊî we-

wn¹trz podstawki pod uk³ad sca-

lony i†na przestrzeni pomiÍdzy t¹

podstawk¹ i†dwoma z³¹czami do

zamocowania wyúwietlacza. Przy

odrobinie zrÍcznoúci operacja ta

powinna nam siÍ udaÊ, a†zawsze

pozostaje moøliwoúÊ zamocowania

niektÛrych elementÛw od strony

druku. Po wlutowaniu wszystkich

elementÛw wk³adamy uk³ady sca-

lone w†podstawki i†montujemy wy-

úwietlacz. Jego pierwszy pin nie

jest wyraünie zaznaczony i†dlatego

moøe siÍ zdarzyÊ, øe w³oøymy go

w†podstawkÍ odwrotnie. Nie grozi

to jednak øadnymi przykrymi kon-

sekwencjami: po prostu wyúwiet-

lacz bÍdzie pokazywa³ kompletne

bzdury!

Kolejn¹ czynnoúci¹ jest prosta

regulacja miliwoltomierza, polega-

j¹ca na ustawieniu za pomoc¹

potencjometru montaøowego PR1

napiÍcia 1000mV pomiÍdzy wy-

prowadzeniami REF LO i†REF HI.

Do wykonania regulacji bÍdzie

nam potrzebny woltomierz cyfro-

wy dobrej klasy.

Nadesz³a teraz pora na wyjaú-

nienie kolejnej tajemnicy, jak¹ kry-

je p³ytka naszego przyrz¹du: dziw-

nych, nie po³¹czonych z†niczym

punktÛw oznaczonych literami ìXî.

Zmontowany i†wyregulowany uk³ad

musimy teraz zamontowaÊ w†obu-

dowie, w†ktÛrej producent nie

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

PR1: 1k

Ω

R2, R23: 1,5M

Ω

R4: 470k

Ω

R6, R17, R18: 10k

R7: 1M

/1%

R8: 100k

/1%

R10, R11, R12, R19, R20: 2,2k

R13, R14, R15, R16: 1M

R21, R22: 560

Kondensatory

C1: 100pF

C2, C7, C8, C9: 100nF

C3: 47nF

C4: 220nF

C5: 10nF

C6: 100

F/16V

Półprzewodniki

D1, D2, D3, D4: LED

2 czerwone, 2 zielone

IC1: ICL7106

IC2: LM358

IC3: 4098

T1, T2, T3: BC548 lub odpowiednik

Różne

DP1: wyświetlacz LCD 3,5 cyfry

S1, S2: przełącznik miniaturowy

2−pozycyjny

przewód z kontaktami do baterii

dwa krokodylki miniaturowe

podstawki pod układy scalone

gniazdo LPV20 − 2 szt.

Uwaga! Rezystory R7, R8, R9

mogą mieć wartości zbliżone do

podanych. Ważne jest, aby ich

stosunek był równy jak 100:10:1.

Elektronika Praktyczna 3/98

Ω

R1, R5: 100k

R3: 1,5k

R9: 10k

C10: 10

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: