Sonda logiczna lub próbnik stanów logicznych to podstawowe wyposażenie elektronika-cyfronika. W internecie można znaleźć wiele różnych rozwiązań tego typu sond. Niektóre są nawet bardzo zaawansowanymi rejestratorami. Prezentowane tutaj sondy są proste, tanie, a ich zmontowanie nie powinno zająć więcej niż 15 minut. Wersja 1 jest tak trywialna, że trudno było by ją jeszcze uprościć. Wersja 2 została rozbudowana o wykrywacz szpilek. Obie są zaprojektowane w taki sposób, by dało się je wetknąć między plątaninę kabli na płytce stykowej i żeby były łatwe w użyciu.
Pliki do pobrania:
Wersja 2
Ktoś na Elektrodzie zamieścił sondę mniejszą od wersji 1, zamieszczonej poniżej, więc musiałem znowu pobić rekord :) Powstały trzy wersje, różniące się jedynie obudowami elementów:
- 0805 - wymiary sondy 7,5 x 35 mm
- 1206 - wymiary sondy 10 x 50 mm
- THT - wymiary sondy 15 x 100 mm
Kiedy sonda jest podłączona do napięcia niższego niż 1,67V to świeci się dioda czerwona. Dioda zielona zapala się po podłączeniu do napięcia powyżej 3,33V. Kiedy sonda nie jest podłączona do niczego lub występuje stan nieustalony, tzn pomiędzy 1,67V a 3,33V, to świeci się dioda żółta. Wykrywacz szpilek składa się z dodatkowej diody zielonej i czerwonej. Po ustaniu sygnału wysokiego/niskiego, dioda zielona/czerwona świeci się jeszcze przez chwilę, stopniowo gasnąc przez ok 0,3 sekundy. Diody wykrywacza lekko żarzą się przez cały czas - bywa tak, że szpilki mogą być na tyle krótkie, że nie zdążą się w pełni zapalić, ale w tym przypadku widać zmiany jasności diod. Dzięki wykrywaczowi szpilek, możliwe jest wykrycie krótkich impulsów o czasie 20us.
Wyjaśnienie schematu
Całość jest zasilana z napięcia 5V podawanego na złącza P1 i P2. Końcówka testowa sondy jest podłączona do P3. Rezystory R1 i R2 tworzą dzielnik napięcia, który "utrzymuje" napięcie 2,5V na szpilce, aby wskazanie sondy nie zmieniało się chaotycznie, kiedy sonda wisi w powietrzu. R1 i R2 mają rezystancję 1M, dzięki czemu nawet słaby sygnał jest w stanie zmienić 2,5V na inną wartość - wystarczy palcami dotknąć wejścia sondy oraz któregoś bieguna zasilanie i sonda natychmiast zareaguje.
LM358 to dwa wzmacniacze operacyjne, które w tym układzie pracują jako komparatory. Porównują napięcie sondy z napięciami wzorcowymi 1,67V i 3,33V uzyskanymi z dzielnika R3, R4, R5. Ktoś może powiedzieć, że w klasycznym standardzie TTL napięcia progowe wynoszą 0,8V i 2,0V - wszystko prawda. Jednak w większości obecnie stosuje się układy CMOS. Zmierzyłem napięcia progowe różnych układów jakie miałem, stare i nowe. Okazało się, że napięcia przełączeń są bardzo różne. Zdecydowałem więc wstawić dzielnik z trzech takich samych rezystorów 220k dla ujednolicenia schematu. Dlaczego 220k? O tym za chwilę.
W stanie nieustalonym, komparator U1A ma na wyjściu 0, a komparator U1B daje 1. Powoduje to, że prąd płynie od B do A, zapalając żółtą diodę. W stanie wysokim oba komparatory dają 0, a w stanie niskim oba mają na wyjściu 1.
Chęć maksymalnego zminiaturyzowania całego układu zmusza do korzystania z najprostszych rozwiązań. Wykrywacz szpilek to zwyczajny detektor szczytowy i prosty układ RC z tranzystorem. Wieźmy na warsztat najpierw wykrywacz dla stanu niskiego, czyli z czerwoną diodą. W stanie wysokim pojawia się napięcie na wyjściu U1A, które oprócz zapalania diody D3, ładuje także kondensator C3. Dioda D6 blokuje prąd, aby się "nie cofnął". Kondensator C3 z rezystorem R10 tworzą prosty układ czasowy, który rozładowuje się przez złącze baza-emiter tranzystora T2. W tym czasie T2 jest otwarty i płynie prąd przez diodę wykrywacza D7, która stopniowo przygasa w miarę rozładowywania się kondensatora C3. W stanie nieustalonym, dioda wykrywacza ma się lekko żarzyć - aby spełnić to założenie trzeba było dać rezystor 220k i do niego dobrać kondensator, aby czas gaśnięcia diody był odpowiedni. To stąd wzięły się rezystory 220k w dzielniku - dla ujednolicenia projektu.
Wykrywacz szpilek stanu wysokiego działa tak samo, tylko że odwrotnie :) Jaka ładna symetria powstała w tym układzie! Normalnie U1B daje stan wysoki kiedy na wejściu jest stan niski lub nieokreślony. Kiedy napięcie wejściowe przekroczy 3,33V to komparator zwiera swoje wyjście do masy, co powoduje zapalenie zielonej diody D1 oraz natychmiastowe rozładowanie kondensatora C2 przez diodę D4. Tym samym otwiera się tranzystor PNP i zapala się dioda zielona D5 tak długo, kiedy kondensator jest pusty. W miarę ładowania C2 przez R9 i złącze baza-emiter tranzystora, dioda stopniowo przygasa.
Teraz wyjaśnienie dlaczego diody wykrywacza szpilek żarzą się przez cały czas. Jest to spowodowane pewną ułomnością LM358 - otóż jego napięcie wyjściowe może zmieniać się w zakresie od 0 do 3,8V i więcej nie da rady (przy zasilaniu z 5V). Przez to cały czas płynie niewielki prąd przez bazę tranzystora PNP T1, R9, D4 do wyjścia komparatora U1B. Jednak żadna strata - obserwując zmiany jasności diod wykrywacza, można zauważyć nawet bardzo krótkie szpilki.
Montaż
Zmontowanie układu nie powinno stwarzać żadnych problemów. Wszystkie drobne elementy są w obudowach 1206 lub 0805, scalak LM358 jest w SO8, a tranzystory w SOT23. Nie potrzeba wiercić ani jednego otworu. Jeżeli ktoś jeszcze nie próbował lutowania SMD to bardzo zachęcam - to jest prostsze niż lutowanie elementów przewlekanych!
To samo zrobili inni...
Wersja 1
Zielona dioda oznacza stan 1, czerwona to 0, a brak świecenia żadnej diody oznacza stan wysokiej impedancji lub że sonda została podłączona do wejścia wiszącego w powietrzu.
Dwa potencjometry służą do regulacji napięć progowych. Przed pierwszym użyciem należy tak wyregulować potencjometry, by zielona dioda zapalała się powyżej napięcia 3,5V, a czerwona poniżej 1,5V (przy zasilaniu sondy z 5V). Celem tego rozwiązania było to, żeby sondę dało się wykorzystać nie tylko do badania układów logicznych CMOS. Praktyka pokazała jednak, że sztywny dzielnik rezystorowy byłby wystarczający dla zdecydowanej większości zastosowań. Sonda nie jest wyposażona w "wykrywacz szpilek".
