Автор: BitMan
Опубликовано 21.09.2011.
Создано при помощи КотоРед.

Логический пробник.

Мои наилучшие пожелания радиокоту и всем, кто его кормит и лелеет.

Предлагаемая ниже схема логического пробника, являет собой реинкарнацию, на современной элементной базе, TTL пробника, опубликованного Л.Буровым в журнале «Радио» в 1978 году. Повторенный, с использованием ТТЛ микросхем 134 и 133 серии, этот пробник долгое время был незаменимым инструментом при наладке цифровых схем. Да и после появления в моем «бардачке» логического анализатора-приставки к ПК, руки так и тянулись к нему, наверно также, как электрик тянется к отвертке-неонке, несмотря на цифровой мультиметр в кармане. Однако, сегодня ТТЛ логика уже в прошлом и давно пора было заиметь инструмент заточенный под CMOS чипы с разными напряжениями питания и хорошим быстродействием. В итоге,  приведенная схема работает с CMOS уровнями в диапазоне 1,65 – 15 вольт, и реагирует на отдельные импульсы с длительностью 7-10ns в зависимости от напряжения питания, и обойдется не дороже 150 рублей. 

Описание работы схемы: Сигнал с входа пробника через дифференцирующую цепочку C1R2D1, поступает на детектор импульсов (одновибратор), собранный на микросхеме 74LVC1G08 фирмы TI (один элемент 2И в миниатюрном корпусе SOT23-5), срабатывающий по «заднему» фронту входного импульса. Если амплитуда отрицательного импульса больше порога срабатывания вентиля, то результатом будет смена состояния на выходе и соответственно начнется зарядка конденсатора C3. Через время, определяемое номиналами R5C3, одновибратор вернется в исходное состояние, конденсатор С3 быстро разрядится через диодную сборку D1 на шину питания. Время, в течение которого на выходе одновибратора удерживается «0», достаточно для фиксации микроконтроллером изменившегося состояния одновибратора. Если на входе пробника присутствуют импульсы с высокой частотой повторения, то одновибратор срабатывает практически постоянно.

Диодная сборка BAS70-05, два диода с общим катодом (можно заменить на  BAT54C или BAV70), выполняет быструю разрядку конденсаторов C1 и С3, а также защищает входы микросхемы детектора импульсов от перенапряжения,  в связи с тем, что на входах 74LVC1G08 отсутствуют «верхние» защитные диоды.

Помимо детектора импульсов, входное напряжение через интегрирующую цепочку R1R3R4R5C4 поступает на вход микроконтроллера ATTiny13A, который выполняет всю остальную работу по определению и индикации логических состояний «0» и «1», а также состояния «обрыв». С делителя напряжения R1R3R4R5 снимается напряжение пропорциональное входному, если сигнал статический, и скважности, если сигнал быстроизменяющийся. 

Индикация сделана на светодиодах разного цвета: D3 - «0» - красный, D4 - «1» -зеленый, а также красным светодиодом индицируется наличие импульсов на входе (D2), при «обрыве» ни один из светодиодов не горит. При наличии на входе пробника периодического сигнала, горит D2 и оба индикатора «0» и «1». По их суммарному цвету можно оценить скважность импульсной последовательности. При потере соединения с цепью питания исследуемой схемы пробник мигает пять раз светодиодами «0» и «1» одновременно, а затем «засыпает». Светодиоды могут быть использованы любого типа, с хорошей яркостью свечения при токе 1-2 мА. Питание микроконтроллера и светодиодов обеспечивают две миниатюрные батарейки по 1,5 В каждая. Детектор импульсов питается от исследуемой схемы с применением ограничителя питающего напряжения на стабилитроне D5.

При отсоединении пробника от исследуемой схемы, через 3 - 5 секунд, микроконтроллер переходит в режим «глубокого сна», при котором он потребляет ток около 200 нА, соизмеримый с током саморазряда батареек. Для того, чтобы снова запустить пробник нужно вылючить и включить питание. При работе пробник потребляет 1-2 мА от батареек на светодиодную индикацию и не более 10 мА от исследуемой схемы. Однако, если пробником пользоваться время от времени, то лучше предусмотреть выключатель питания или отсоединение батарей. Конденсатор C2 используется для уменьшения влияния паразитной индуктивности проводов питания от исследуемой схемы. Конструктивно он соединен с металлическим кольцом на корпусе пробника, к которому прикасаются рукой или подключают многожильный короткий проводник на «землю» тестируемой схемы.

Для того, чтобы пробник мог правильно определять логические уровни в зависимости от напряжения питания исследуемой схемы, перед началом использования пробника необходимо выполнить калибровку его делителя R13R14. Она состоит в том, чтобы подключить и питание микроконтроллера и СON1 (плюс с плюсом и земля с землей) к источнику напряжения 3-5 вольт. МК производит проверку отношения сопротивлений делителя R13R14. Если снимаемое с делителя напряжение отличается от 1/16 питающего напряжения, то калибровка делителя считается невыполненной, и должна быть повторена. Вход в режим калибровки индицируется сигналом – одновременно два раза мигнут «0» и «1» с частотой 2-3Гц. При ошибке, микроконтроллер переводится в спящий режим и калибровка должна быть выполнена еще раз, либо снятием и повторной подачей питания (3-5 вольт), либо подачей «0» на ногу 1 (Reset). Неточность напряжения на выходе делителя микроконтроллер индицирует сигналами светодиодов с частотой 2-3 Гц: красным, если напряжение - ниже требуемого, и зеленым если выше. Количество вспышек указывают на величину расхождения (1/255 – каждая вспышка). Точность задания делителя R13R14 в основном определяют точность определения логических уровней в статике. Желательно также проверить соотношение номиналов резисторов R3, R4 и R5, R1 и подобрать их, если разброс будет более 5%. Из-за влияния шумов и больших коэффициентов ослабления делителей, возможно появление эффекта мерцания светодиодов «0» или «1» при приближении статического входного напряжения к пороговым напряжениям «нуля» или единицы». Однако, этот недостаток скорее достоинство, так как дополняет индикацию состояний еще одним – «близость к порогу».

 Кстати о недостатках. Из их числа – довольно большая входная емкость схемы, связанная с процессом заряда-разряда конденсатора C1 через диод D1. Определить ее точное значение сложно из-за нелинейности ВАХ диода и емкости монтажа, паразитной индуктивности проводов. В качестве оценки можно использовать величину в 30-40пф. Вторым недостатком является наличие напряжения, равного  половине питающего, на входном щупе. И хотя выходное сопротивление для этого источника напряжения порядка 1,5 Мом, он может менять поведение схем с неподключенными цифровыми или высокоомными аналоговыми входами. Можно увеличить пропорционально величины резисторов R1, R3, R4, R5 и уменьшить номинал конденсатора С4, но при этом возрастают требования к качеству монтажа и использованных материалов, к тщательности промывки платы после травления и пайки, а также может потребоваться лакирование (т.е. чтобы после пайки резистора 1Мом, его сопротивление изменилось не более 2-3%, нужно обеспечить его изоляцию 30-50Мом. По этому, рекомендую паять пробник только канифолью или спирто-канифольным флюсом без активаторов, с последующей промывкой спиртом.

Печатная плата для этого варианта пробника не разрабатывалась из-за дефицита времени. Предыдущие варианты содержали ошибку монтажа и также не приводятся. Для тех, кто будет собирать пробник на МК в корпусе SU или SSU, могу порекомендовать следующую последовательность сборки: первым припаять к печатной плате микроконтроллер, R9  и конденсаторы фильтра питания С6 и С8. Затем подпаять проводки и запрограммировать МК. После этого припаять светодиоды D3, D4 и их токоограничивающие резисторы (времянкой), а также делитель R13R14 и C7(временно). Произвести калибровку пробника. Если потребуется, повторить программирование МК сняв R10,R11,C7. После калибровки проверить номиналы R1R3R4R5 и провести их пайку и монтаж остальных элементов схемы.

Программирование ATTiny13A: При программировании контроллера значения Fuse bytes соответствуют установленным производителем по умолчанию, т.е. если контроллер новый, то изменять фузы – не нужно. Программа, записываемая во FLASH память имеет расширение файла *.hex и пишется первой, содержимое EEPROM находится в файле с расширением *.eep и записывается после программирования FLASH.

Возможная замена элементов.

При повторе конструкции, вместо микросхем «малокорпусной» логики можно использовать обычную: 74LVC08, 74AHC08, 74AC08, с обязательной привязкой входов неиспользуемых вентилей к питанию или земле. Применение серии 74HC – нежелательно, из-за их относительно невысокого быстродействия. При использовании других серий, возможно придется уменьшить номинал резисторов R2 и R5 для надежного подтягивания входов U1 к «1». В конструкции использованы СМД резисторы и конденсаторы типоразмера 0805 (исключение R11 – типоразмер 1206), а также стабилитрон на 5,1 вольта в корпусе SOT23.

А вот если есть упоминание о том, что микросхема может работать с сигналами превышающее напряжение питания («толерантны» к 5-ти вольтовым входным уровням) как например 74LVC1G08 фирмы TI, то защитные диоды в ней отсутствуют.

Если в микросхеме предполагаемой замены «верхние» защитные диоды есть, то диодную сборку D1 можно не ставить. Причина, по которой производители не ставят эти диоды, проста: без них можно подключаться к выходам пятивольтовой логики без преобразователя уровней.

Первоначально, предполагалось запитать микроконтроллер и индикацию от тестируемой схемы, но нелинейная зависимость яркости светодиодов от напряжения питания и неоправданная сложность схемы защиты по питанию, привели к выводу о целесообразности использования дополнительного батарейного питания.

В результате пробник работоспособен при напряжении тестируемой схемы от 1,65 вольт до 15 вольт.

У некоторых производителей микросхем серии 74LVC нижний предел питающего напряжения 1,2 вольта, поэтому реальные возможности пробника по диапазону питания и быстродействию зависят от характеристик микросхем конкретных производителей, использованных в одновибраторе.