Über den Umgang mit Oszilloskopen und Signalgebern im DT

Digitaltechnik I
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Über den Umgang mit Oszilloskopen und
Signalgebern im DT- und im RS-Praktikum
1 Grundlegendes
TTL-Spannungsbereiche und Grenzwerte bei TTL
Im theoretischen Teil der Informatik kennen wir den Wertebereich der BOOLEschen
Variablen als {0,1}. In der technischen Realität sind ihnen physikalische Werte bzw.
Wertebereiche zuzuordnen. Bei elektronischen Logik-Bauelementen in TransistorTechnik (TTL) sind dies die mit L (low) und H (high) bezeichneten Spannungsbereiche:
Standard-TTL
Eingänge
Ausgänge
Grenzwerte
weitere Daten
(bausteinabhängig)
L-Pegel
UiL #0,8 V
UoL #0,4 V
UiL min = !0,5 V
UB = 5,0 V ± 10%,
H-Pegel
UiH $2,0 V
UoH $2,4 V
UiH max = 5,5 V
tpd = (2...100) ns
Als definierte Spannungspegel empfehlen wir für L: 0,0 V und für H: 3,5 V.
Bei positiver Logik gilt die Zuordnung ('0','1') ::= (L,H).
Achtung! Spannungen unter !0,5 V und Spannungen über +5,5 V an TTL-Eingängen
führen zur Zerstörung der Bausteine und Schaltungen!
Da es Signalgeneratoren gibt, die auch (ggf. nur) bipolare Signalformen erzeugen, muß
die Signalform auf unipolare Signale durch Hinzufügen eines Gleichspannungsanteils
gebracht werden. Ist dies am Gerät nicht möglich, kann es nicht im TTL-Bereich
eingesetzt werden!
bipolar: !x V ... + xV
unipolar: (0 ... +x V)
Die Frequenz der anzulegenden Signale wird bei der SPS (speicherprogrammierbare
Steuerung) durch deren Zykluszeit, bei TTL-Gattern oder -Schaltungen durch deren
(Gesamt-)Stufenverzögerung beschränkt.
FH Köln, Campus Gummersbach, Prof. T. Drescher: Geräte im TDI-Praktikum
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2 Oszilloskop
Zur zeitlichen Darstellung periodischer Signale bedient man sich eines Oszilloskops
(mit Speicheroszilloskopen kann man auch einmalig auftretende Signale darstellen).
Die Oszilloskope im TDI-Labor sind zweikanalig.
Für jeden Kanal einzeln einstellbar sind:
— Intensität (Helligkeit) und Schärfe des Elektronenstrahls
Beide Attribute sind leicht miteinander gekoppelt. Die Helligkeit sollte man nur
so hoch wie notwendig wählen, um ein Einbrennen in die Lumineszenzschicht
der Kathodenstrahlröhre zu vermeiden!
— Y-Position des Strahls
— Ankopplungsart
GND: Eingang wird gegen Masse gelegt;
AC: kapazitive Ankopplung (Gleichspannungsanteile werden weggefiltert)
DC: ohmsche Ankopplung (Gleichspannungsanteile werden angezeigt)
— Triggerflanke (ansteigende Flanke, abfallende Flanke)
— Eingangsempfindlichkeit
z.B. 1mV/Einheit ... 10 V/Einheit
Gemeinsam für beide Kanäle sind einstellbar:
— X-Position
— Zeitablenkung
z.B. 100 ms/Einheit ... 1 s/Einheit
— Triggerschwelle
Manche Oszilloskope besitzen neben der Grob- auch eine Feineinstellung, vor allem
für Eingangsempfindlichkeit und Zeitablenkung. Um in diesen Fällen reproduzierbar
arbeiten zu können, sollte man für quantitative Messungen stets die Eichstellung
vorsehen; nur sie läßt – ohne Referenz auf zusätzliche Eichsignale – exakte Messungen
zu.
An jedem Oszilloskop ist eine Eichspannung vorgegebener Amplitude, Frequenz und
Form verfügbar. Mit der Darstellung dieser Eichspannungsquelle beginnen Sie Ihre
Praktikumsgeräte-Einführung.
3 Signalquellen
Im TDI-Labor gibt es mehrere Arten von Signalquellen. Am einfachsten sind Ausgänge
von TTL-Bausteinen (SPS, Digitaltrainer) zu handhaben. Daneben benutzen Sie aber
auch Funktionsgeneratoren, die uni- und bipolare Signale liefern.
Stellen Sie unbedingt sicher, daß Sie nur unipolare Signalformen im Bereich (0,0 ...
5,5)V verwenden, da sonst TTL-Eingänge und damit das zugehörige Bauelement
zerstört werden.
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Durch Aufschaltung eines Gleichspannungsanteils (Offset) kann man aus bipolaren
Signalen unipolare machen und umgekehrt; die Bilder im ersten Abschnitt (Grundlegendes) verdeutlichen dies.
Als Arbeitsfrequenz empfehlen wir ein Signal im Bereich (11 ... 10) kHz, außer für die
SPS: Dort sollten Sie die Frequenz geeignet zur Zykluszeit der SPS wählen; die Zykluszeit ist den SPS-Unterlagen zu entnehmen.
Bevor Sie ein externes Signal an eine TTL-Schaltung (SPS, Digitaltrainer,
Mikroprozessor-Port) legen, sollten Sie es mit dem Oszilloskop auf die empfohlenen
Werte (L: 0,0 V, H: 3,5 V) überprüfen; ggf. lassen Sie es sicherheitshalber zusätzlich
vom Laboringenieur überprüfen.
4 Anschluß von Signalquellen an das Oszilloskop
Verbindet man zwei Geräte miteinander, sollten Masseleitungen immer als erste gelegt
werden. Dabei führt man die Massen aller Geräte an einem einzigen Punkt zusammen,
um sogenannte Erdschleifen zu vermeiden, die unerwünschte Nebeneffekte (unsichere
'0', Brummeinkopplung usw.) zur Folge haben können. Auch wenn ein Gerät mehrere
Massepunkte (bspw. je Kanal) hat, sollte nur jeweils einer dieser Punkte zum Verbinden benutzt werden.
Erst nachdem die Masseverbindungen bestehen, sind die "heißen" Signalleitungen zu
verlegen; um Kurzschlüsse zu vermeiden, lassen Sie dabei keine offenen Leitungen
(Stecker) herumliegen. In diesem Sinne erlauben wir auch
keine Kabelverlängerungen
durch Hintereinanderstecken
von Steckverbindern! Und
"Türmchen"bildungen (mehr
als zwei Stecker übereinander) sind ebenfalls nicht zulässig!
Beachten Sie, daß die heißen Verbindungen zu TTL-Schaltungen erst dann gelegt
werden dürfen, wenn sichergestellt ist, daß die darauf anliegenden Signale korrekt im
Sinne von TTL sind, daß also unsere Empfehlungen hinsichtlich der zulässigen Spannungen eingehalten werden.
5 Praktische Übungen
1. Machen Sie sich zunächst mit den Abschnitten 1 bis 4 vertraut.
2. Experimentieren Sie mit dem Eichsignal (Form, Amplitude, ggf. Offset, Frequenz).
3. Stellen Sie am Signalgeber (Funktionsgenerator) ein dem Eichsignal sonst entsprechendes Dreieck- oder Sinussignal ein – zunächst aber ohne Verbindung mit
dem Oszilloskop!
FH Köln, Campus Gummersbach, Prof. T. Drescher: Geräte im TDI-Praktikum
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4. Verbinden Sie Signalquelle und Oszilloskop und korrigieren Sie nun erst ggf. Ihre
Einstellungen am Funktionsgenerator.
5. Ermitteln Sie die Flankensteilheit eines entsprechenden Rechtecksignals, das Sie nun
am Funktionsgenerator wählen. (Hierzu sollten Sie natürlich wissen, wie die Flankensteilheit definiert ist...)
6. (Freiwillig) Messen Sie am Digitaltrainer die Stufenverzögerung von einem der
Inverter (NICHT-Gatter). (Auch hier sollte die zugehörige Definition bekannt sein.)
Wenn Sie die Übungen 1. bis 5. erfolgreich abgeschlossen haben, erhalten Sie das Testat
zur Teilnahme am Praktikum Digitaltechnik I,II und am Praktikum Rechnerstrukturen
I,II. "Erfolgreich" heißt auch, daß Sie im Gespräch mit Ihrem Professor oder dem Laboringenieur das zugehörige Wissen (Definitionen, Fachausdrücke) und Verständnis
nachweisen, soweit dies im vorliegenden Skript vorgetragen oder als Auftrag formuliert wird.
Weitergehende Informationen entnehmen Sie den ausliegenden Hilfsblättern sowie
Informationen, die insbesondere die Bauteilhersteller zur Verfügung stellen. Auch ein
Besuch in der Bibliothek lohnt sich (Grundlagen der Elektrotechnik, Elektronik und
Nachrichtentechnik); Sie finden sie im ersten Obergeschoß des Hauptgebäudes. Notfalls(!) befragen Sie auch das Internet...

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