TTL-CMOS-Prüfstift

Prüftechnik für das Labor

Für die Fehlersuche in Digitalschaltungen ist ein handlicher Prüfstift gut zu gebrauchen, der den Logikpegel mit farbigen Leuchtdioden anzeigt. Der Aufbau eines solchen Stifts ist mit geringem Aufwand möglich und bietet sich als Wochenendprojekt an. 

Bei der Pegelkontrolle an Logikschaltkreisen sind in den meisten Fällen nur drei Fälle von Interesse: H-Pegel (logisch 1), L-Pegel (logisch 0) und Pegel im dazwischenliegenden, sog. verbotenen Bereich. Jedem der Pegel ist ein bestimmter Spannungsbereich zugeordnet, der von der Schaltungstechnologie der eingesetzten Logikbausteine und der verwendeten Betriebsspannung abhängt. Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Eckdaten für TTL- und CMOS- Schaltkreise. Da CMOS-ICs auch mit anderen Betriebsspannungen als 5 V betrieben werden können, stehen die allgemeinen Bedingungen in Klammern. Die Pegel beziehen sich auf die Eingänge der Logikschaltkreise, da wir bei der Fehlersuche beurteilen müssen, ob das untersuchte Signal von den angeschlossenen Eingängen richtig erkannt wird. Die Anzeige des verbotenen Bereichs ist ebenfalls von Bedeutung. Werden beispielsweise Ausgänge überlastet oder fehlen bei solchen mit offenem Kollektor die entsprechenden Widerstände, kann sich der Pegel im unzulässigen Bereich befinden. Wie die angeschlossenen Eingänge in diesem Fall reagieren, ist unbestimmt. Im ungünstigsten Fall steigt der Betriebsstrom von CMOSSchaltkreisen sehr stark an, was ihre Überlastung oder gar Zerstörung zur Folge haben kann.

Schaltung

Die Operationsverstärker TLC274 werden als Komparator betrieben. Dieser IC arbeitet bereits mit Betriebsspannungen ab 3 V aufwärts. Andere OPVs können unter Beachtung der Pinbelegung ebenfalls eingesetzt werden, allerdings sind Schaltkreise mit offenem Kollektorausgang, wie z.B. LM2901, nicht verwendbar. Ich habe eine TTL-, eine CMOS- und eine umschaltbare Variante des Prüfstifts aufgebaut und getestet. Sie unterscheiden sich durch die Dimensionierung einiger Widerstände (Tabelle 2). Die CMOS-Variante arbeitet auch bei von 5 V abweichenden Betriebsspannungen zuverlässig. Wer keinen reinen TTL- oder CMOS-Prüfstift aufbauen möchte, kann einen kleinen Schalter oder Jumper (S1 in Bild 2) sowie den Widerstand R5 einfügen. Die Umschaltung zwischen TTL- und CMOS-Pegelauswertung stellt aber nur einen Kompromiss dar, da die TTL-Sollpegel in diesem Fall nicht exakt eingestellt sind. Auf Grund der vorgegebenen Spannungswerte lässt sich aber ein TTL-Prüfstift auch in CMOS-Schaltungen einsetzen. Wenn der Prüfstift dann allerdings einen Spannungspegel im verbotenen Bereich anzeigt, sollte dieser deshalb mit einem Voltmeter kontrolliert werden. Die Widerstände R1 bis R4 definieren die Spannungsbereiche für die Pegelauswertung. Über R6 wird der offene Eingang hochohmig auf 1,1 V (TTL-Variante) gelegt, sodass hier die gelbe LED leuchtet. Damit der offene Eingang aber nicht auf jede Einkopplung reagiert, sollte R6 höchstens 100 kΩ und C1 einige nF betragen.

Aufbau und Einsatz

Es empfiehlt sich, den Prüfstift in einem ausgedienten Signierstift oder einem Kunststoffrohr unterzubringen. Das Muster habe ich auf einem schmalen Streifen Universalleiterplatte aufgebaut. Die Widerstände sind SMD-Typen, die auf der Kupferseite zwischen den Lötaugen platziert wurden. Nach Fertigstellung und Test habe ich alle Bauelemente mit transparentem Heißkleber überzogen. Nur die Kuppen der drei LEDs schauen noch heraus (Bild). Zwei Prüfklemmen mit ausreichend langer Zuleitung versorgen den Prüfstift mit Betriebsspannung aus der zu untersuchenden Schaltung. Für die Prüfspitze befand ich eine ausgediente stumpfe Nähmaschinennadel als ausreichend dünn und stabil. Ein Stück Schrumpfschlauch isoliert den hinteren Teil der Nadel. Solange der Eingang offen ist, wird dieser Zustand mit der gelben LED angezeigt. Statische L- oder H-Signale signalisieren die rote oder grüne LED. Bei schnellen Pegelwechseln (Rechteckimpulse) leuchten rote und grüne LEDs scheinbar gleichzeitig und je nach Tastverhältnis unterschiedlich hell. Sehr kurze Impulse lassen sich mit dem Prüfstift nicht erkennen.