Проверка работы цифровых устройств и систем управления с помощью логического пробника в большинстве случаев значительно удобнее и проще, чем с использованием осциллографа или мультиметра. Проверка осциллографом или мультиметром может привести к неверному определению неисправности или даже к появлению дополнительных отказов.
Новые отказы могут возникать по причине того, что ремонтнику необходимо переводить взгляд с проверяемой платы на экран осциллографа или дисплей мультиметра, а щуп при этом может замкнуть рядом расположенные выводы миниатюрных современных элементов. Трудно увидеть обрыв проводника на входе интегральных цифровых микросхем – это будет индицироваться как лог. «0». На самом деле обрыв по входу воспринимается микросхемой как лог. «1» или, что еще хуже, как некоторое промежуточное состояние. При этом микросхема будет находится в активном режиме с максимальным потреблением тока из-за возникновения сквозного тока, что может привести к самовозбуждению или даже отказу ИМС. На мультиметре нельзя увидеть наличие потока импульсов – они будут интегрироваться, и на мультиметре указываться промежуточное состояние между лог. «0» и лог. «1», которого на самом деле нет.
Требования к логическому пробнику
Схемы логических пробников неоднократно появлялись в различных печатных изданиях, но часто их авторы поверхностно подходили к их разработке, устанавливая только лишь некоторые условные пороги индикации состояния. Действительно, логический пробник должен определять логические уровни, но должен определять их корректно, т.е. указывать именно заданные пороги для потенциалов лог. «0» и лог. «1», а не что-то усредненное. Главное, логический пробник должен автоматически устанавливать уровни индикации лог. «0» и лог. «1» в зависимости от напряжения питания проверяемого узла. А такая зависимость весьма существенная.
Чтобы в этом убедиться, достаточно проанализировать спецификации на распространенные интегральные микросхемы семейств 74HCxxи 4000 [3,4]. Разница в пороговых значениях для ИМС серии 74HCxx в пределах допустимых значений напряжения питания (от 4,5 В до 6,0 В) отличается более чем на 30%. А что говорить о семействе ИМС 4000, где диапазон допустимых значений питающегося напряжения составляет от 5 В до 15 В. Это и является камнем преткновения, так как многие разработчики, задавая уровни пороговых напряжений, начисто забывают об этом факте. Как пример неправильного подхода к проектированию можно проанализировать схему в [1].
Какие еще моменты необходимо учитывать. Пробник должен иметь защиту по входу от превышения входным напряжением его напряжения питания защиту от напряжения отрицательной полярности, а также иметь защиту от переполюсовки при подключении питания и защиту от статического электричества. Пробник должен иметь малую собственную входную емкость, чтобы в момент подключения не вносить заметные искажения в контролируемые цепи из-за заряда собственной входной емкости.
Еще один фактор – это минимализация входного тока пробника. Посмотрим это на примере. Если говорить о наиболее распространенных сейчас ИМС, например о семействе HCMOS 74HC/HCT/HCUили о семействе LOCMOSHE4000, то входной ток ИМС семейства 74HC/HCT/HCU не превышает ±1 мкА, а входной ток ИМС семейства HE4000 находится в диапазоне от ±0,1 мкА до ±0,3 мкА. Следовательно, подключение логического пробника с большим собственным входным током к входным цепям CMOSИМС может существенно исказить «картину» анализа.
Работа устройства
Схема универсального логического пробника, свободная от приведенных выше недостатков, показана на рис.1. Ее прототип успешно использовался автором много лет и был предназначен для работы с ИМС серий 176, 561 и 564. Современный вариант схемы, разработанный автором, был впервые опубликован в [5].
Пробник выполнен на двух компараторах ИМС DA1. Правильный выбор ИМС для реализации такой схемы крайне важен. Не все микросхемы будут работать должным образом в подобных устройствах. Микросхема должна обеспечивать работоспособность при минимально необходимом однополярном напряжении питания и обладать низкими входными токами. В прототипе использовался сдвоенный операционный усилитель К157УД2. В современной модели пробника предлагается использовать ИМС AD823AR(Z) [2]. Это операционный усилитель допускает однополярное питающее напряжение и полный размах выходного напряжение. Естественно, можно использовать и иные операционные усилители, отвечающие изложенным требованиям.
Верхний по схеме компаратор контролирует высокий логический уровень («HI»), а нижний – низкий логический уровень («LO»). Пороги срабатывания задаются резистивным делителем R4R5R6, а не опорным источником напряжения. Таким образом, обеспечивается зависимость порогов срабатывания компараторов от напряжения питания пробника. Для того чтобы автоматически установить пороги определения логических уровней в зависимости от напряжения питания контролируемого цифрового узла, устройство подключается к проверяемой плате в точки с напряжением питания проверяемых цифровых ИМС. Высокий логический уровень индицируется светодиодом HL1 (зеленый), низкий логический уровень – светодиодом HL2 (красный). Светодиоды не будут светится, если входное напряжение логического пробника (то есть напряжение в точке анализа) будет между минимальным порогом определения высокого логического уровня и максимальным порогом определения низкого логического уровня. Это устройство (если используется ИМС типа AD823AR) может показывать наличие переменных сигналов (синусоидальные, треугольные или прямоугольные с небольшой скважностью) с частотой до 1 МГц. В этом случае глаз будет воспринимать это как свечение обоих индикаторов HL1 и HL2. Поэтому используются именно раздельные индикаторы нуля и единицы, а не один двухцветный светодиод.
Входной ток устройства зависит от выбора типа компаратора, и в случае AD823AR не будет превышать:
- ±3,0 мкА при напряжении питания 5 В;
- ±6,0 мкА при напряжении питания 10 В;
- ±9,0 мкА при напряжении питания 15 В;
Этот ток может быть снижен увеличением номиналов резисторов R2, R3.
Цепь из резистора R1 и диода VD1 защищает устройство от напряжений, превышающих напряжение, к которому подключен пробник, повреждений по входу, вызванных воздействием статического электричества, и от воздействия напряжения отрицательной полярности. Светодиод HL3 (желтый) показывает, что устройство подключено к питающему напряжению. Это очень полезно, особенно если для подключения пробника используется не всегда надежные зажимные контакты. Благодаря этой возможности вы будете всегда уверенны, что и пробник, и проверяемый узел подключены к цепям питания с наличием питающего напряжения. Защита от неправильного подключения обеспечивается диодом VD2 и самовостановляющимся предохранителем FU1 (ток удержания 0,1 А, ток срабатывания 0,2 А). Конденсатор С1 – танталовый, С2 – керамический. Они предотвращают влияние пробника на проверяемое устройство по цепям питания. Ток потребления пробником не превышает 10 мА. Яркость свечения индикаторов может быть установлена изменением номиналов резисторов R7, R8, R9. Резистор R1 минимизирует входную емкость пробника. Пороги срабатывания пробника для ИМС 74HCxx, показанного на рис.1, приведены в таблице. Пороги срабатывания установлены с некоторым запасом по типовым значениям логический уровней, необходимым для устранения крайних, предельных состояний.
Пробник может использоваться и с ИМС других семейств, например 74HCU, 74HCT, или 4000.
Работа с ИМС других серий
Элементы резистивного делителя в этом случае могут быть рассчитаны по формулам:
R6 – свободный выбор номинального значения,
R5 = VH/(VL/R6)-R6,
R4 = Vdd//(VL/R6)-R6-R5,
где:
Vdd – напряжение питания;
VH– типовое пороговое значение для проверки высокого логического уровня для выбранного напряжения питания;
VL – типовое пороговое значение для проверки низкого логического уровня для выбранного напряжения питания.
Для ИМС серии 4000 рекомендованные значения номиналов делителя будут равны:
R6=8,25 кОм;
R5=30 кОм;
R4=6,2 кОм;
При этом порог обнаружения лог. «1» при напряжении питания 15 В будет на уровне 12,5 В, что несколько превышает установленный для ИМС этой серии допустимый входной лог. «1» при этом напряжении (11 В). Остальные пороги обнаружения логических уровней будут соответствовать спецификации [4] с допустимым запасом.
Все элементы пробника, кроме резистора R1 (этот резистор желательно использовать выводного типа, разместив его не на плате, а установив навесным монтажом непосредственно между щупом и платой пробника), желательно использовать для технологии монтажа на поверхность. Конструкция для пробника может быть взята из статьи [1].
Источник: Радиоаматор №6, 2014
Автор: Владимир Рентюк, г. Запорожье
