TTL-Prüfstift

Dipl. Ing. FRANK SÜSS

Mitteilung aus dem VEB Meßgerätewerk Beierfeld

Es wird ein komfortabler TTL-Prüfstift beschrieben, der als Rationalisierungsmittel bei der Fehlersuche in Anlagen der digitalen Steuerungstechnik, der Datenverarbeitung und der Mikrorechentechnik Anwendung findet. Er ist durch eine Reihe von Besonderheiten gekennzeichnet, die insbesondere bei statischen Tests wirksam werden. Abschließend werden Aufbauhinweise und Erfahrungen zu diesem Prüfstift vermittelt.
Mit der Zunahme industrieller Steuerungen, die auf der Basis von TTL-IS arbeiten, und der zunehmenden Verbreitung dezentraler Rechentechnik bestand die Aufgabe, einen TTL-Prüfstift zu konzipieren, der neben der Anzeige statischer und dynamischer Parameter weitere Forderungen erfüllt. Insbesondere der eindeutige Hinweis auf Pegel, die außerhalb des TTL-Bereiches liegen, und Unempfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung des Prüfstiftes sollten dabei realisiert werden. Um Nachnutzungen zu erleichtern, sollten ausschließlich leicht verfügbare Bauelemente eingesetzt werden.
Die Pegelzuordnung und -anzeige sollten der üblichen Bezeichnungsweise entlehnt werden, d. h. L für Low, H für High, U für unbestimmt und P für Puls. Zu diesem Zweck wurde die Darstellung mit einer Siebensegmentanzeige realisiert.

Schaltungsbeschreibung

Anhand von Bild 1 soll die Wirkungsweise des TTL-Prüfstiftes erläutert werden.
Das Signal gelangt über die Prüfspitze und den Eingangsspannungsteiler R₁ bis R₄ sowohl an die Eingangsstufe VT₅, R₈, R₃₃ und R₃₄ als auch an die zwei Transistorstufen zur Erkennung von außerhalb des TTL-Bereiches liegenden Pegeln. Durch die beiden einstellbaren Widerstände R33 und R34 werden die Schwellwerte für den L- und den H-Bereich festgelegt. Damit wird das Eingangssignal durch die Gatter D_1.1, D_1.2, D_1.4 und D_2.1 D_2.2, D_2.3 den TTL-Pegeln L oder H oder dem verbotenen Bereich zugeordnet. Die Ansteuerung der Segmente B, C, D und G der Siebensegmentanzeige VD₁₅ erfolgt durch die Transistorstufen VT₈, VT₉, VT₁₀ und VT₁₁. Die Segmente E und F leuchten ständig (s. Tafel), das Segment A leuchtet nur bei Impulsbetrieb.
Durch den Schalter S, kann bei Vorhandensein von Impulsfolgen an der Prüfspitze in Schalterstellung "dyn" (dynamisch) ein Monoflop zugeschaltet werden. Dieses Monoflop bewirkt, das die Impulsdauer zeitgedehnt wird. Somit ist es möglich, Impulsfolgen kleiner Frequenz öder Einzelimpulse eindeutig zu signalisieren.
Liegt nunmehr an der Prüfspitze ein Signal an, dessen Amplitude größer als U = 5 V ist, so wird VT₁ durchgesteuert. Sein Kollektorpotential wird dabei auf L-Pegel gezogen, und durch den Arbeitswiderstand R₆ fließt ein Strom, der an ihm einen Spannungsabfall erzeugt. Dieser Spannungsabfall bewirkt seinerseits eine Durchsteuerung des Transistors VT₃. Dieser bildet zusammen mit VT₄ einen zweistufigen Verstärker, er dient der Ansteuerung des Dezimalpunktes der Siebensegmentanzeige.
Auf Grund der Durchsteuerung des Transistors VT₃ wird VT₄ leitend, und der Dezimalpunkt leuchtet. Infolge der Bedingung U_e >5 V zeigt die Siebensegmentanzeige „H" bzw.„H.". Analog dazu werden Eingangsspannungen von U_e < -0,2 V als „L." angezeigt. Somit hat der Anwender eine erste Information über den TTL-gerechten Pegel des Eingangssignals. Ebenso werden Impulsfolgen, deren Amplitude über dem H-Pegel liegen, als „P." angezeigt. Eine Zusammenfassung der Signaldarstellungen gibt die Tafel. 
Eine weitere Besonderheit, die bei herkömmlichen TTL-Prüfstiften nicht anzutreffen ist, besteht in der Stabilisierungsschaltung für die Betriebsspannung. Diese wird durch die Transistoren VT₁₂ bis VT₁₇ und die dazugehörigen Bauelemente gebildet. Durch eine entsprechende Dimensionierung konnte die Spannungsdifferenz zwischen Ein- bzw. Ausgangsspannung der Stabilisierungsschaltung auf U = 0,4 V begrenzt werden.
VT₁₃ und VT₁₆ bilden einen Differenzverstärker, der über VT₁₄ den Stelltransistor VT₁₅ ansteuert. Übersteigt die Betriebsspannung U_CC den Wert 5,25 V, dann wird infolge der Durchsteuerung des Transistors VT₁₃ der Stelltransistor gesperrt und die nachfolgende Schaltung von der Betriebsspannung abgetrennt. Diese Trennung bleibt solange erhalten, wie über VD14 ein Potential steht, das VT₁₃ im leitenden Zustand hält. Erst ein Absinken von U_CC in den TTL-Betriebsspannungsbereich sperrt VT₁₃ und legt die Logikschaltung über VT₁₅ an U_CC. Das gleiche Schaltverhalten tritt dann ein, wenn U_CC < 4,75 V ist. Dann werden VT₁₃ durch die Ansteuerungsbedingung, von VT₁₂ und VT₁₇ ebenfalls wieder leitend. Das Ansteuerungspotential wird dabei durch die Reihenschaltung von VD1₁₆, VD₁₇ und R₃₀ und R₃₁ erzeugt. 
Somit ist in jedem Fall gewährleistet, dass der Prüfstift bei einer Betriebsspannung betrieben wird, die im Toleranzbereich der TTL-Versorgungsspannung liegt. Das hat zum einen den Vorteil, dass keine unzulässig hohen Spannungen die Bauelemente zerstören können, und zum anderen wird damit gewährleistet, dass die Funktionsweise des Prüfstiftes nicht durch eine zu geringe Betriebsspannung verfälscht wird.
Vorteilhaft ist der zusätzliche Ausgang. Über ihn wird das Eingangssignal der Prüfspitze an eine BNC-Buchse gelegt. Damit können Meßgeräte, die ebenfalls über einen BNC-Anschluss verfügen, direkt mit dem Prüfstift verbunden werden. Der Vorteil besteht darin, dass beispielsweise bei Anzeige einer Impulsfolge an der Siebensegmentanzeige über diesen Ausgang ein Zähler-angeschlossen werden kann, der die Frequenz dieser Impulsfolge mißt. Ohne zusätzlichen Verkabelungsaufwand am Prüfobjekt sind damit andere Geräte anschließbar. 

Aufbauhinweise

Bild 1

Die gesamte Schaltung nach Bild 1 wurde auf einer Zweiebenenleiterplatte mit Abmessungen von 20 mm x 190mm aufgebaut. Wie Bild 2 zeigt, wurde der Schalter Si seitlich wegen der bequemeren Handhabung am Gehäuse angebracht. Die Nadel der Prüfspitze wurde aus rostfreiem Stahl hergestellt und in den Prüfspitzenkörper eingedrückt. Durch die Wahl dieses Werkstoffes wird eine zu Fehlanzeigen führende Korrosion der Prüfspitze vermieden: Der Abgleich der Pegel ist unkritisch. Günstig ist dazu die Dimensionierung eines Spannungsteilers, an dem die TTL-Pegel eingestellt werden (Bild 3).
Die Spannungseinstellung wird dabei mit Hilfe eines Digitalvoltmeters vorgenommen. 
Die Teilspannungen U_L, U_H und U_V repräsentieren dabei die Pegel der TTL-Technik. Danach lässt sich der Prüfstift mit den Widerständen R₃₃ und R₃₄ statisch abgleichen.
Die Kontrolle der dynamischen Eigenschaften erfolgte mit Hilfe eines Funktionsgenerators und eines Oszillografen. Mit einem Funktionsgenerator konnten sowohl Impulsfolgen mit einer Frequenz von f = 10 MHz als auch das Verhalten bei Einzelimpulsbetrieb (f = 0,01 Hz) simuliert werden. In beiden Fällen waren die Ergebnisse zufriedenstellend. Eine an die Prüfspitze gelegte Netzspannung konnte dem TTL-Prüfstift ebenfalls nichts anhaben.

Einsatzerfahrungen

Der in diesem Beitrag beschriebene TTL-Prüfstift befindet sich seit längerer Zeit im praktischen Einsatz. Er wird genutzt als Servicegerät bei der Fehlersuche und auch bei Tests an Versuchsschaltungen.
Es stellte sich heraus, dass dieser Prüfstift durchaus für erste Fehlerdiagnosen brauchbare Ergebnisse liefern kann. Als vorteilhaft erwies sich in diesem Zusammenhang der bereits erwähnte BNC-Ausgang. Ebenso ist seine Eingangsspannungsfestigkeit im praktischen Umgang günstig. Insbesondere bei der Anwendung in industriellen Steuerungen, wo durchaus auch einmal die Netzspannung an der Prüfspitze liegen kann, hat sich sein Einsatz bewährt.
An die Grenze seiner Leistungsfähigkeit stößt der Prüftstift bei der Analyse dynamischer Parameter. Dort ist nach wie vor der Einsatz leistungsfähiger Prüf- bzw. Meßtechnik erforderlich.

Symboldarstellung des Prüfstiftes

Tafel

Literatur

[1] Müller, W.: Prüfstift und Signalgeber zur Prüfung von Digitalschaltungen. Funkamateur, Berlin 31 (1982) 7, S. 340

[2] Linthe, H. J.: Universeller TTL-Prüfstift. radio fernsehen elektronik, Berlin 35 (1986) 10, S. 670 und 671

[3] Faulenbach, U.: Komfortabler TTL-Prüfstift. radio fernsehen elektronik, Berlin 35 (1986) 11, S. 736 und 737

[4] Patentanmeldung: WP G01R/284.614.0: Schaltungsanordnung für einen TTL-Prüfstift

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