Цифровые микросхемы - начинающим (занятие 15) - Диагностика цифровых схем при помощи осциллографа

На всех занятиях по цифровой технике логические уровни мы определяли при помощи мультиметра или АВО-метра, вольтметра, путем измерения напряжения (если близко к напряжению источника питания, - то единица, если менее 1 В, - то нуль). Но на практике, логические состояния в схемах на цифровых микросхемах контролируют при помощи импульсного осциллографа.<!--more--> Он позволяет не только определить состояние выхода (единица, ноль или высокоомное состояние), но и увидеть форму импульсов, примерно определить их частоту, скважность. Одним словом осциллограф это "глаза" радиолюбителя или специалиста, которыми можно "увидеть" почти все происходящее в цифровой схеме.

По статистике, наиболее распространенный осциллограф в радиолюбительской среде, это С1-65. Это довольно старый и громоздкий прибор, которыми оснащались практически все предприятия, занимающиеся электроникой, от радиозаводов до ремонтных мастерских. Сейчас, при обновлении оборудования или при реорганизации предприятий эти приборы списываются и их часто можно встретить на радиорынках или в магазинах типа "Юный техник". Списанный С1-65 можно приобрести через родственников или знакомых, работающих на предприятиях или просто купить "с рук". Поэтому, в данной статье, мы будем рассматривать С1-65, и не будем затрагивать такие "игрушечные" и малополезные приборы, как ОМЛ или Н-313. Однако, поняв методику работы с С1-65 можно работать и с любым другим импульсным осциллографом (С 1-90, С1-94, С1-55, С1-60 и т.п.).

Экран осциллографа прямоугольный, на нем нанесена масштабная сетка. При включении осциллографа посредине экрана появляется прямая линия. Для работы с цифровыми микросхемами нужно переключить осциллограф в импульсный режим, так чтобы он мог показывать и переменный и постоянный ток одновременно. Для этого нужно переключатель входа (он расположен внизу, прямо под экраном) перевести в левое положение (отмечено "z")- Затем ручкой "баланс" переместить линию на нижнюю линию сетки экрана (осциллограмма 1).

В наших опытах мы используем 9-вольтовую батарею питания (две батарейки по 4,5 В), значит единица будет где-то около 9 В. Переведите переключатель "V-дел." в положение "2". При этом по вертикали каждой клетке будет соответствовать 2 В. То есть логическая единица будет выглядеть, примерно, как на осциллограмме 2. Чтобы линия не пульсировала переведите переключатель "Время/дел." в положение 0,1 mS или 0,2 mS.

Для работы с КМОП или МОП микросхемами (К561 или К176), чтобы можно было определить не только нуль и единицу, но и высокоомное состояние, удобно пользоваться специальным щупом для осциллографа. Этот щуп должен иметь достаточно длинный контактный штырь, настолько длинный чтобы установив щуп на вывод микросхемы можно было к металлу этого штыря прикоснуться пальцем. Проще всего его сделать из шариковой ручки и толстой и длинной швейной иглы или отрезка тонкой вязальной спицы. Провод припаять к игле и соединить его с входным разъемом осциллографа, а от клеммы "1" нужно пустить отдельный провод. Он должен быть подключен к минусу питания исследуемой схемы.

Соберите схему показанную на рисунке 1.

Провод, идущий от клеммы "1" подсоедините к минусу батареи G2. Проволочная перемычка П1 подает на вход элемента D1.1 нуль, на его выходе будет единица, а на выходе элемента D1.2 - ноль. Это ясно - элементы инверторы. Теперь проверьте это при помощи осциллографа. Поставьте щуп на вход D1.1 - на экране будет осциллограмма 1 (осц.1). На выходе D1.1 будет осц.2, а на выходе D1.2 - осц.1. То есть, на входе D1.1 - нуль, на его выходе - единица, а на выходе D1.2 - нуль. Теперь перепаяйте перемычку П1 на плюс питания (рисунок 2). Все уровни изменятся на обратные. На входе D1.1 - единица, на его выходе - нуль, а на выходе D1.2 - единица (соответственно, осц.2, осц.1 и осц.2).

Значит так : линия внизу - ноль, линия вверху - единица.

А как быть, если произошел обрыв между выходом D1.1 и входом D1.2. Если исходить из схемы, показанной на рисунке 1 и для определения уровня пользоваться вольтметром, он покажет что на входе D1.2 нуль, несмотря на то что на самом деле там высокоомное состояние (рисунок 3).

Действительно, если поставить щуп осциллографа на вход D1.2 то на экране будет осц.1. Чтобы проверить нет ли обрыва нужно удерживая щуп на выводе 3 D1.2 прикоснуться к его контактной игле пальцем. Если здесь обрыв на экране осцоллографа появятся хаотические линии (осц.4), вызванные наводками в вашем теле фона сети переменного тока и радиопомех. Если обрыва нет прикосновение к контактной игле картинку не меняет (осц.1).

Микросхемам К176 и К561 свойствена неисправность, когда выходное сопротивление одного из её выходов сильно возрастает. Такая микросхема работает не надежно, дает сбои и приводит к неполадкам в устройстве, в котором она работает. На рисунке 4 показано что при этом происходит.

Смоделирована неисправность выхода элемента D1.2. Его выходное сопротивление увеличено при помощи резистора R1 на 1 мегаом. Если подключить щуп к входу D1.2 на экране будет нормальная осц. 2. Но если к этому щупу прикоснуться пальцем линия расплывется помехами и наводками (осц.5). Так можно обнаружить неисправную микросхему.

На рисунке 5 показана схема простого мультивибратора, он вырабатывает импульсы частотой, примерно, 1 кГц. Ранее, на прошлых занятиях мы изучали работу такого мультивибратора и прослушивали выходной сигнал при помощи небольшого динамика. Осциллограф позволяет увидеть импульсы на выходах и входах элементов этого мультивибратора, ориентируясь по масштабной сетке на его экране можно оценить их форму, симметричность, длительность, период и частоту. На выходах элементов D1.1 и D1.2 должны быть прямоугольные импульсы. Если подключить щуп к этим выходам на экране будут осциллограммы 6 и 7, соответственно.

Это прямоугольные импульсы.А установив щуп на вход элемента D1.1 можно увидеть функцию процесса зарядки и разрядки конденсатора С1 через резистор R1. Она будет выглядеть, примерно так как на осц.8.

Если на экране вместо импульсов будут видны только две горизонтальные линии необходимо настроить синхронизацию осциллографа при помощи ручки "уровень", расположенной в правом верхнем углу передней панели осциллографа. Изменяя положение переключателя "время/дел." и вращая ручку "уровень" можно "растянуть" или "сжать" изображение, так чтобы можно было видеть разное число периодов импульсного сигнала.

По делениям на экране осциллографа можно примерно определить период следования импульсов и затем их частоту. При номиналах С1 и R1 таких как показано на рисунке 5 частота импульсов на выходе этого мультивибратора должна быть около 1 кГц. Осциллограмма 6 получается если переключатель "время / дел." осциллографа установить в положение "0,2 mS", то есть одному делению по горизонтали соответствует 0,2 миллисекунды. Период, судя по осциллограме, этого сигнала, получается равным 4,8 делений, то есть Т= 4,8x0,2=0,96 mS. Частоту можно определить как F=1 / Т = 1 / 0,96 =1,041 кГц. Длительность каждого импульса, судя по осц.6 получается 2,2 клетки для отрицательного перепада, и 2,6 для положительного (то есть 0,44 mS и 0,52 mS). Таким образом, сигнал получается не симметричным, что свойственно микросхемам К176 и К561. Эти результаты могут получиться и другими, все зависит от номиналов конденсатора и резистора, работающих в мультивибраторе, а также от электрических параметров конкретного экземпляра микросхемы.

Журнал Радиоконструктор 2000г.