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Pegelwandler

2016-10-26T11:41:08Z

Rickdangerus: /* 5 V ⇒ 3,3 V */ Oszilloskopausgabe ergänzt

== Vorwort ==

Dies ist die erste aufgeräumte Version. Sicher nicht die letzte.

* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-375051.html "Stein des Anstosses"]
* [http://www.mikrocontroller.net/forum/list-1-1.html?filter=pegelwand*+levelsh*&x=0&y=0 Suche in den Forenartikel]

== Einleitung ==

Pegelwandeln (engl. level shifting) wird oft notwendig, wenn Systeme mit unterschiedlicher Ausgangs- und Eingangsspannungen (z. B. Versorgungs- oder Logikspannungen) miteinander verbunden werden sollen. Das vielleicht bekannteste Beispiel ist die Umsetzung von 0V/5V [[TTL]] Logikpegeln auf die -13V/13V Pegel einer seriellen [[RS232]] Schnittstelle. Die Probleme beim Pegelwandeln können sein:

# Überlastung einer oder beider Seiten, bis hin zur Zerstörung
# Inkompatible Logikpegel und daraus resultierendes Nichtfunktionieren der Schaltung, oder noch schlimmer, sporadische Fehlfunktionen
# Verzögerungen der Signale durch die Pegelwandlung und daraus resultierende maximale Signalfrequenzen

=== Überlastung ===

Das Erzeugen von verschiedenen Versorgungsspannungen ist ziemlich einfach, aber man muss sicher gehen, dass man die Signalpegel der Bauteile auf Toleranz überprüft. Wenn z.B. ein 5V Bauteil ein Signal an ein 3V Bauteil schickt, können beide Bauteile beschädigt werden. Vor allem für neue ICs ist es ein Problem mit "hohen" Spannungen wie 5V zu arbeiten. Auf Grund der immer kleineren Schaltkreisstrukturen (aktuelle Prozessoren werden mit 14nm Technologie hergestellt!) werden auch die Abstände und Schichtdicken immer geringer. Das reduziert natürlich auch die Spannungs- und Stromfestigkeit der Transistoren auf dem IC. Neue ICs vertragen deshalb meist nur noch 3.3V, teilweise sogar weniger! Die Überlastung erfolgt durch zu hohe Spannung und dadurch mehr oder weniger langsame Zerstörung des ICs.

=== Schutzdioden ===

Hauptursache Nummer zwei für Überlastung von ICs mit verschiedenen Betriebsspannungen sind die in nahezu allen ICs integrierten Schutzdioden. Deren Aufgabe ist es in Normalfall, elektrostatische Entladungen auf eine sichere, niedrige Spannung zu begrenzen. Die Entladungen geschehen durch unsachgemässe Handhabung und Transport von ICs, z. B. wenn jemand über einen Kunstfaserteppich läuft, sich dabei elektrostatisch auflädt und einen IC anfasst, oder wenn Bauteile in einem Gerät eingebaut sind und der Anwender berührt offen liegende Kontakte (RS232 Eingang, USB-Stick, PCI-Steckkarten beim Einbau etc.). Auch elektrostatische Entladungen / EMV können Ursache zu hoher Pegel auf den Leitungen sein.

Die Schutzdioden beginnen, Strom zu leiten, wenn die Eingangsspannung ca. 300 mV - 600 mV über UCC ansteigt oder entsprechend unter GND absinkt. Im Normalbetrieb sollten die Schutzdioden keinen Strom leiten. Manchmal kann man sie aber zur Spannungsbegrenzung missbrauchen, siehe [[#STEP-DOWN:_5V_-.3E_3.3V | Spannungsherabsetzung mit Vorwiderstand]].

Besonderes Augenmerk ist hierbei auf die optimale Dimensionierung des R zu legen, um sicherzustellen, dass kein zu hoher Strom über die Schutzdioden abgeführt werden muss. Je nach Chip-Type und Ausgang halten diese zwsichen 100 µA und 10 mA aus.

[[bild:pw_schutzdioden.png]]

=== 5-V-tolerante Eingänge ===

5-Volt-tolerant bedeutet, dass 3-Volt-Bausteine ohne Probleme von einem 5-Volt-Baustein angesteuert werden dürfen.

Viele Bauteile mit einer Betriebsspannung von 3 V verfügen über 5-V-tolerante Eingänge. Man sollte aber grundsätzlich im Datenblatt dies nachschauen, bevor die Schaltung aufgebaut wird. Sind sie es nicht, so ist ein Pegelwandler auf den Verbindungsleitungen zwischen den Bauteilen notwendig. Ein Pegelwandler kann eine einfache Zener-Diode mit einem Widerstand sein, es kann aber auch ein eigens dafür vorgesehener IC sein. Sind die Signalwege bidirektional, so wird man meist die Lösung mit einem eigenen IC bevorzugen.

Bei geringen Geschwindigkeitsanforderungen und erlaubten flachflankigen Signalen (bei Zähl- und Takteingängen ist dazu Schmitt-Trigger-Verhalten erforderlich) genügt ein Serienwiderstand (Richtwert 10 kΩ) in Verbindung mit der Eingangsschutzbeschaltung. Bei allen derartigen „passiven Pegelkonvertern“ muss die Logikschaltschwelle durchfahren werden. Bei heutzutage üblichen treibenden CMOS-Ausgangsstufen ist das kein Problem.

Ob ein Bauteil 5-V-tolerant ist und unter welchen Betriebsbedingungen das gilt, steht im Datenblatt des betreffenden Bauteils vom betreffenden Hersteller. Wenn es auf diese Eigenschaft ankommt, lieber genau bei Lieferanten nachsehen, von welchem Hersteller die Bauteile kommen.

==== Beispiele ====

[[AVR]]s sind generell '''nicht''' 5-V-tolerant, wenn sie mit 3,3 V betrieben werden! Die absolute obere Grenze für Eingangsspannungen liegt bei UCC + 0,5 V. Zu finden in den elektrischen Spezifikationen im Datenblatt.

Die GPIO-Pins des Raspberry Pi sind ebenfalls '''nicht''' 5-V-tolerant!

Vorsicht bei:

* 74'''LVX'''xxxx und 74'''LCX'''xxxx (245, 244, 240 ...) an Vcc = 3,3 V. Achtung: Nicht alle 74LVX sind für 5 V -> 3,3 V geeignet, da jeder Hersteller die ICs anders baut!
* SN74LVC07AD
* SN74LV1T04 (auch geeignet zur umgekehrten Konvertierung (3,3V->5V))

=== Kompatibilität von Logikpegeln ===

Siehe auch http://www.interfacebus.com/Design_Translation.html

Verschiedene Mikroprozessoren haben eigene elektrische Kenndaten für HIGH- und LOW-Pegel, die abhängig von der Versorgungsspannung sind, z. B. der [[R8C]]:

* HIGH größer 0,8 * UCC
* LOW kleiner 0,2 * UCC

Man muss die Spannungen der Aus- und Eingänge vergleichen. Wenn es um ein Hobbyprojekt geht, kann man einfach messen. Wenn es um eine kommerzielle Anwendung geht, die man verkaufen will, sollte man besser die Spezifikationen der ICs studieren.

== UNIDIREKTIONAL ==

=== 1,8 V ⇒ 5 V ===

* Die besondere Eigenschaft der alten TTL-Schaltkreise, nämlich dass Strom bei LOW '''aus''' dem Eingang in den treibenden Ausgang fließt kann man sich zunutze machen, wie die nachfolgende Schaltung zeigt. In dieser wird der HIGH-Pegel des 1,8-V-Signals durch eine Schottkydiode um ca. 0,3 V auf 2,1 V erhöht. Damit ist man fast offiziell im HIGH-Bereich für TTL (Schaltschwelle 1,4 V, HIGH > 2,0 V). Der LOW-Pegel wird auf ca. 0,3 V erhöht, was voll den TTL-Richtlinien entspricht. Als Schaltkreisfamilie '''muss''' ein [[74xx|TTL-Typ]] eingesetzt werden, also LS, F, AS oder ähnlich. CMOS-Typen wie HC, LVC etc. funktionieren '''nicht'''!

[[bild:pw_LS.png]]

Achtung: Diese Schaltung entspricht bei HIGH ungefähr einem offenen TTL-Eingang, was zwar meistens funktioniert, aber etwas störempfindlich sein kann. Davon wurde in der TTL-Ära stets abgeraten. Zudem ist der Pegelwechsel LOW nach HIGH durch den niedrigen Strom eher langsam. Man kann das jedoch mit einem Pullup-Widerstand absichern. Dann sind auch Gatter der 74HCT-Reihe einsetzbar.

=== 3,3 V ⇒ 5 V ===

Diese Konversion ist mit Abstand die häufigste. Dabei kann man getrost 3,3 V (früher) und 3 V (moderner) gleich setzen.

* 3,3-V-Pegel werden bei TTL-kompatiblen Eingängen richtig erkannt (Schaltschwelle 1,4 V). Es ist kein Pegelwandler erforderlich. Direkte Verbindung. Einer der großen Vorteile klassischer TTL-Technik!

* 5-V-CMOS Eingänge haben typisch eine minimale Eingangsspannug für HIGH (<math>V_{IH}</math>) von 0.6 * UCC = 0.6 * 5 V = 3 V. Das kann ein 3,3-V-CMOS-Ausgang direkt treiben, allerdings kann sich das Zeitverhalten dadurch etwas ändern, weil der HIGH Pegel später erkannt wird. Vorsicht! Viele 5-V-CMOS-ICs wollen für HIGH offiziell mindestens 0,7 * UCC = 3,5 V oder manche auch 0,8 * UCC = 4,0V! Das geht dann offiziell nicht mehr mit einem 3,3-V-Ausgang! Für Hobbyzwecke kann man das aber ggf. probieren.
Zu beachten ist, dass der nicht ganz nach High durchgesteuerte Eingang Querstrom von der Speisespannung ziehen kann. Das kann für batteriebetriebene Geräte oder USB-konformes Standby durchaus ausschlaggebend sein.

* 3,3-V-[[Ausgangsstufen_Logik-ICs | Open Collector]] nach 5 V (TTL oder CMOS): Einfach einen Pull-Up Widerstand hinzufügen und gut. Allerdings verbraucht der Pull-Up-Widerstand bei LOW auf jeden Fall Strom und begrenzt bei HIGH den maximalen Gate-Umladestrom. Die Schaltgeschwindigkeit von LOW nach HIGH wird durch die Größe des Pull-Ups bestimmt. Je nach Geschwindigkeitsanforderungen kann der in Mikrocontrollern meistens zuschaltbare innere Widerstand dazu benutzt werden. Zudem kann dieser, bei bekannt LOW bleibendem Eingangspegel, zur Reduktion der Stromaufnahme abgeschaltet werden. Bipolare TTL-Schaltkreise benötigen in der Bastelschaltung keinen Pull-Up (liefern Strom); bei Schaltungen mit erhöhter Zuverlässigkeit ist dennoch ein externer Pull-Up angeraten (Richtwert 4,7 kΩ).

[[bild:pw_oc_3-5.png]]

* 3,3 V auf echte 5 V (CMOS) geht am einfachsten mit einem Baustein der HCT-Familie (NICHT HC!). Diese haben TTL-kompatible Eingänge und echte CMOS-Ausgänge

* Man kann einen Komparator in nichtinvertierender Schaltung benutzen (LM339/393). Allerdings ist diese Lösung relativ langsam, abhängig vom verwendeten Komparator. Komparatoren bieten eine freie Wahl des Eingangsspannungsbereichs und sind deshalb eine gute Wahl bei ''variabler'' Speisespannung der Treiberseite.

[[bild:pw_comp_3-5.png]]

'''Bauteile'''

* [http://www.mikrocontroller.net/part/74HCT245 74HCT245], [http://www.mikrocontroller.net/part/74HCT244 74HCT244]oder [http://www.mikrocontroller.net/part/74HCT240 74HCT240] (Das T ist wichtig. HCs können funktionieren, ist aber eigtl. ungeeignet, da bei 5V Versorgung und höheren Temperaturen V(input,high)=3,2V)
* 74HCT125: OE Pins auf Masse und dann das Signal einfach anschließen.
* SN74LVC07AD
* SN74LV1T04 (auch geeignet zur umgekehrten Konvertierung (5V->3,3V))
* 74V1T126 (single Gatter, V(input,high)=2V)

=== 5 V ⇒ 9..15(..30) V ===

* Am einfachsten geht das mit einem (geeigneten!) Open-Collector-Ausgang, einfach einen Pull-Up hinzufügen (an die hohe Spannung) und fertig. Ein 74''xx''03 geht hier nicht! Auch kann man nicht einen Push-Pull-Ausgang eines Mikrocontrollers dafür verwenden, indem man den Ausgang bei HIGH zum Eingang macht.
Hintergrund sind parasitäre Dioden zwischen Ausgang und Speisespannung.
Alle (geeigneten) Treiberausgänge haben eine maximal erlaubte Kollektorspannung, die zu beachten ist. Mehr Freiheit hat man bei der Verwendung von Einzeltransistoren, wobei eine gewisse Lücke von 30 V bis 200 V von Bipolartransistoren dominiert wird; für kleinere oder größere Spannungen gibt es preiswerte MOSFETs. (Die Lücke entsteht durch den geringen Bedarf des Weltmarktes an diesen Kollektorspannungen.)

[[bild:pw_oc_5-12.png]]

* Man kann einen Komparator benutzen. Allerdings ist diese Lösung relativ langsam, abhängig vom verwendeten Komparator. Wenn nur zwei Signale gewandelt werden müssen bietet sich der LM393 an, ein Doppelkomparator mit Open-Collector-Ausgang, mit dem man auf einen beliebigen Pegel ausgeben kann. Der LM339 (man beachte den unauffälligen Zahlendreher) ist ein Vierfachkomparator mit den gleichen Eigenschaften. Wenn wenig Platz vorhanden ist, dann ist der TL311 im winzigen SOT-23 Gehäuse sehr empfehlenswert. Bei jedem Komparator kann auch einfach eine Invertierung gemacht werden, einfach die Eingänge + und - vertauschen. Diese Komparatoren eignen sich bis ca. 1 MHz.

* [http://www.elektronik-kompendium.de/sites/praxis/bausatz_pegelwandler-mit-transistoren.htm Pegelwandler mit Transistor, invertierend]

[[bild:pw_trans_inv.png]]

* Pegelwandler mit Transistor, nicht invertierend

[[bild:pw_trans_ni.png]]

Die Idee ist einfach. Wenn der Ausgang des 5-V-Gatters auf HIGH ist dann ist der Transistor ausgeschaltet, der Pull-Up-Widerstand R7 zieht den Ausgang auf + 12 V. Ist der Ausgang des 5-V-Gatters auf LOW ist, dann ist er vollkommen durchgesteuert und der Ausgang nahe 0 V (je nach Typ ca. 300 mV). Der Vorteil ist hier erhöhte Störsicherheit im Gegensatz zur einfachen Ansteuerung der Basis über einen Vorwiderstand. Außerdem wird dadurch nicht die Logik invertiert. Nachteilig ist der geringe Strom, der bei HIGH zur Verfügung steht (typisch 100 µA). Diese Schaltung ist die seltene Anwendung einer Basisschaltung für digitale Signale. Der Vorteil der Basisschaltung ist die höhere Grenzfrequenz durch die herabgesetzte Wirksamkeit der (störenden) Miller-Kapazität.

* Wenn mehr Geschwindigkeit, Ausgangsstrom und weniger Stromverbrauch nötig ist, dann muss ein spezieller Baustein her, wie z. B. 
** [[Mosfet-Übersicht#Mosfet-Treiber|MOSFET-Treiber]] z.B. ICL7667
** [[H-Brücken Übersicht | Motortreiber]] ICs: (z. B. L293, L298, UCC27325 und deren Verwandte), wenns nicht zu schnell ist (einige Dutzend kHz)
** CD40109, bei Reichelt verfügbar
** HEF4104, 4fach LOW-HIGH-Pegelwandler mit normalen und invertierten Augängen sowie Tristate. Um ggf. sicherzustellen, dass wie im Datenblatt beschrieben immer UDDI <= UDDO ist, kann man einfach eine Diode von UDDO nach UDDI schalten (z. B. Schottky SB120, aber auch 1N4148 & Co. sollte problemlos funktionieren)
** CMOS 4504, 6fach LOW-HIGH/HIGH-LOW 3-20V Pegelwandler, TTL/CMOS (umschaltbar) => CMOS, kein Reihenfolge von UCC/UEE erforderlich (Bezugsquelle: CSD)
** MAX232, der braucht nur 5 V Versorgungsspannung. Allerdings ist der Ausgangswiderstand relativ hoch (ca. 300 Ω) und man kann nur ca. 5 mA Ausgangstrom liefern. Die Ausgangsspannung beträgt maximal 10 V.

=== 5 V ⇒ 3,3 V ===

Ob 3,3 V (klassisch) oder 3 V (modern) ist bei dieser Betrachtung nahezu egal.

* Zuerst sollte man prüfen, ob die Eingänge 5V-tolerant sind. Dann kann man die ICs direkt verbinden. Sehr schnell und billig!

* Wenn die Eingänge nicht 5-V-tolerant sind und es trotzdem schnell sein soll, muss ein Gatter aus der LVC- oder AHC-Familie dazwischen geschaltet werden, also eines mit 5V-Toleranz. Bei 3 V Betriebsspannung kann man problemlos 5 V an den Eingang anlegen. Der Baustein 74HC4050 erlaubt per Definition eine Pegelwandlung bis etwa 15 V (siehe Datenblatt). Beide Anordungen haben auch eine sehr niedrige Ruhestromaufnahme.

: '''Bauteile'''

:* 74LVC245A ('A' ist wichtig, I/Os 5V-tolerant)
:* 74LVC245DW
:* 74LVT245
:* 74LVXxxx (245, 244, 240 ...) an Vcc=3,3V. Achtung: Nicht alle 74LVX sind für 5V -> 3,3V geeignet, da jeder Hersteller die ICs anders baut!
:** 74LVX04
:** 74LVX244 (Fairchild)
:** 74LVX245 (nicht von Reichelt, nicht 5V tolerant)
:** bei TI heissen die 74LVX... nur 74LV...

:* 74HC4050 (bis 15 V Step-Down-Pegelwandlung laut Datenblatt, bei Reichelt in DIP und SO erhältlich)
:* MAX3373/MAX3375
:* NC7SZ08 oder andere aus derselben Serie. CMOS-Logik mit 5-V-toleranten Eingängen, recht flott und braucht dank SOT-23 auch wenig Platz auf der Platine

* 5 V Open Collector auf 3,3-V-Eingang. Einfach einen Pull-Up hinzufügen (Pull-Up liegt auf 3,3 V). Nachteilig ist der relativ hohe Stromverbrauch bei LOW, die begrenzte Geschwindigkeit bei hochohmigen Pull-Ups und der relativ geringe Ausgangsstrom bei HIGH (abhängig vom Pull-Up).

[[bild:pw_oc_5-3.png]]

* Spannungsteiler mit 680 Ω und 1 kΩ. Der Nachteil dieser Lösung ist der relativ hohe Stromverbrauch (~3mA), der relativ geringe Ausgangsstrom (mehr als 200..300 µA sollte man da nicht rausziehen) und die relativ geringe Geschwindigkeit (ca. 10 MHz).

[[Datei:SPI level shifter with resistor divider.png|miniatur|rechts|fehlerhafter SPI-Takt nach Pegelwandler mit Widerstandsteiler (1,8/3,3 kΩ) unten: 5V-Ausgang am Mikrocontroller 
oben: 3,3V-Eingang an der SD-Karte nach Pegelwandler]]

[[bild:pw_st_5-3.png]]

* 1 kΩ Vorwiderstand. Dadurch wird der Strom vom 5-V-Ausgang in die 3,3-V-Versorgung durch die internen Schutzdioden auf ca. 1 mA begrenzt. Diese Lösung ist auch relativ langsam (ca. 5MHz). Ggf. kann man den Vorwiderstand auf 100 Ω reduzieren, das erhöht dann wieder die Geschwindigkeit. Aufpassen, einige ICs vertragen nur 1 mA oder weniger durch die Schutzdioden! Ausserdem muss man aufpassen, da jetzt von der 5-V-Seite Strom in die 3,3-V-Versorgung eingespeist wird. Besonders in Schaltungen mit sehr niedriger Stromaufnahme kann das zum Problem werden, wenn die Stromaufnahme geringer ist, als über die Vorwiderstände eingespeist wird. Dann nimmt es meist der Spannungsregler für 3,3 V übel wenn jemand „schiebt“, sprich, Strom einspeist. Denn die allermeisten Spannungsregler können nur Strom liefern (source), aber keinen Strom aufnehmen (sink). Es gibt 4-fach-Diodennetzwerke, die die internen Schutzdioden entlasten können (Schottkydioden mit kleinerer Flusspannung von ≈ 0,3 V als die internen Silizizumdioden mit ≈ 0,7 V), außerdem ist teilweise noch eine [[Diode#Z-Diode|Zenerdiode]] enthalten, die ggf. den überschüssig eingespeisten Strom aufnehmen kann.

Alle Lösungen mit Vorwiderständen reduzieren die Flankensteilheit der Signale. Dies kann bei Takt- und Zähleingängen zu unerwünschten Schwingungen und damit Fehlzählungen führen. Derartig benutzte Eingänge sollten Schmitt-Trigger-Verhalten aufweisen.

[[bild:pw_vw_5-3.png]]

Achtung: Mindestens für 74HC(T) Gatter ist dokumentiert (Philips 74HC/T High-Speed CMOS User Guide), dass auch schon geringer Strom durch die internen Schutzdioden zu einer unerwünschten Kopplung von Eingängen führen kann, d.h. der Strom fliesst zu einem anderen Eingang wieder hinaus. Sind also andere Eingänge ebenso hochohmig angeschlossen, kann dieser Querstrom zu Fehlfunktion führen.

== BIDIREKTIONAL ==

Für bidirektionale Busse gibt es spezielle Pegelwandler mit 2 Versorgungsspannungen. Allerdings brauchen die meist ein Signal zur Richtungsumschaltung. Auch muss man die Reihenfolge der Versorgungsspannungen beim Einschalten beachten. Aktive bidirektionale Pegelwandler OHNE Steuereingang zur Richtungsumschaltung sind mit Vorsicht zu genießen, denn die brauchen teilweise kurzzeitig einen relativ hohen Strom, um die Eingänge zu treiben.

=== 5 V ⇔ 3,3 V ===

* Wenn die 5-V-Seite TTL-kompatible Eingänge hat kann wieder der Spannungsteiler oder Vorwiderstand wie bei der unidirektionalen Anpassung verwendet werden (mit all seinen Vor- und Nachteilen).

'''Bauteile'''

* SN74CB3T3306
* SN74CBTD3861 (10 Bit,flow through, Betrieb mit 5 Volt)
* MAX1741
* MAX3378E
* 74AHC126 s.u.
* ST2378 (bei CSD erhältlich, 3.5 eur, leider TSSOP)
* TXS0104E (TI: 4-BIT BIDIRECTIONAL VOLTAGE-LEVEL TRANSLATOR FOR OPEN-DRAIN AND PUSH-PULL APPLICATIONS)
* SN74LVC07A
* von Analog Devices die ADUM Serie

=== 1,65 V ... 5,5 V ⇔ 1,65 V ... 5,5 V ===

'''Bauteile'''
* SN74LVC1T45
* SN74LVC2T45
* SN74LVC(H)8T245
* SN74LVC(H)16T245

=== 1,2 V ... 3,6 V ⇔ 1,65V ... 5,5V ===

'''Bauteile'''
* TXB0101
* TXB0102
* TXB0104
* TXB0106
* TXB0108

=== 1,2 V ... 3,6V ⇔ 1,2 V ... 3,6 V ===

'''Bauteile'''
* SN74AVC(H)1T45
* SN74AVC(H)2T45
* SN74AVC(H)4T245
* SN74AVC(H)8T245
* SN74AVC(H)16T245
* SN74AVC(H)20T245
* SN74AVC(H)24T245
* SN74AVC(H)32T245

=== 1,5 V ... 3,6 V ⇔ 1,5 V ... 5,5 V ===

'''Bauteile'''
* 74LVC4245A

== Mit galvanischer Trennung ==

* [[Optokoppler]] (Langsam! Es gibt verschieden schnelle Koppler, aber über 1 MHz kommen sie kaum hinaus. Grundregel: Solche mit Fototransistoren sind am langsamsten, Richtwert 10 kHz, Fotodioden sind schneller, schnelle Optokoppler haben eine gesondert zu speisende Empfängerschaltung.)

[[bild:pw_opto.png]]

* GMR-Koppler von der Firma NVE
* iCoupler Technologie von der Firma Analog Devices
* [[Kapazitiver Koppler]] (schnell, begrenzter Potenzialversatz)
* Transformatorkopplung (nur für gleichspannungsfreie Wechselsignale geeignet; sehr schnell; Beispiel: Netzkarten)

Lit.: ''Galvanische Trennung: Optokoppler, GMR-Koppler oder iCoupler?'', Siegfried W. Best, Redaktion elektronik industrie, [http://www.elektronik-industrie.de/ei/11,2003/article/2f0082f824c.html elektronik industrie 11-2003, S. 22ff.]

== Praktische Beispiele ==

=== Einfaches RS232-Interface ===

[http://web.archive.org/web/20050122013618/http://www.henrik-reimers.de/control/rs232interface.gif Erfolgreicher Einsatz bis 19200 Baud und bis zu 10 m Leitungslänge]
Beschränkungen:

* ggf. Platzbedarf
* Geschwindigkeit s.o.

Beispiel: http://www.hagtech.com/pdf/translator.pdf

=== [[I2C]]-Bus: gemeinsam 3.3V und 5V ===

* [[MSP430]] an 3,3V/5V: http://www-s.ti.com/sc/psheets/slaa148/slaa148.pdf

* Philips [http://www.nxp.com/documents/data_sheet/PCA9515.pdf PCA9515]: I2C Puffer mit Pegelwandlung. Der PCA9515 ist ein I2C-Bus Repeater, welcher I2C Busse mit verschiedenen Spannungen isoliert. Verfügbar bei Reichelt und DigiKey.

* [http://ics.nxp.com/support/documents/interface/pdf/an97055.pdf Philips AN97055 Bi-directional level shifter for I²C-bus and other systems]

* Bevor man ein Philips I2C Chip auswählt sollte man prüfen ob er verfügbar ist und auch das verfügbare Gehäuse wählen. Man sollte auch überlegen ob ein Puffer wirklich gebraucht wird. Wenn man echte I2C ICs mit 5V betreibt, dann sind die Eingänge vom Typ Schmitt Trigger CMOS (z. B. PCF8574). Dann müssen 3.3V Pegel auf 5V umgesetzt werden. Wenn man jedoch SMBUS Ics verwendet (z. B. ADT7461, Silabs 8051) dann sind die Schwellspannungen TTL kompatibel und es ist keine Anpassung notwendig. Für neue Pegelwandler sollte man hier nachschauen. http://www.bus-buffer.com

* [http://www.edn.com/article/CA193193.html "Two-transistor circuit replaces IC"]. Für diese Anwendung kann ENABLE direkt mit 3.3V verbunden werden. Es ist eigentlich nur dazu da, den ICs "hot-swappable" zu machen (kann unter Spannung gesteckt und getrennt werden). Es geht sogar mit nur einem [[Transistor]] [http://www.mikrocontroller.net/topic/92447 siehe Forum]. Man sollte beachten, daß die Schaltung sowohl für SCL als auch SDA benötigt wird.
* Noch einfachere Lösungen mit nur einem MOSFET und zwei Pull-Up Widerständen pro Leitung sind in den folgenden Links zu finden.
** http://www.nxp.com/documents/application_note/AN10441.pdf
** http://www.semiconductors.philips.com/acrobat_download/literature/9398/39340011.pdf (Kapitel 18), bei der Berechnung der erreichbaren Geschwindigkeit dürfen die parasitären Kapazitäten der FETs nicht ignoriert werden

=== Auswählbare Pegel ===

'''Frage:'''
Ein CMOS Logikpegel zwischen 1,8V, 2,5V und 3,3V (abhängig von der Anwendung) muss auf 5V CMOS Logikpegel gewandelt werden. Es geht nur um diese Richtung mit maximal 8MHz. Es gibt die Stromversorgung für alle Pegel. Ein normaler Komparator wie LM311 ist nicht möglich, da er beim Betrieb mit 5V Versorgunsspannung erst ab 1V zu schalten anfängt. Meine Idee ist die Verwendung eines High Speed OPVs mit R2R Eingang, z. B. LMH6645.

'''Antworten:'''
* Man könnte einen ultra-low threshold N-Kanal MOSFET nehmen und als Open Drain mit einem Pull-Up nach 5V betreiben, BSH103 könnte passen (Schwellspannung ~0,4V).
* High-Speed Single Supply Komparator wie z. B. [http://www-s.ti.com/sc/ds/tl712.pdf TL712] .

'''Frage:'''
Ich suchen einen IC, welcher eine Pegelwandlung von 3,3V nach 1,8V, 2,0V oder 5V ermöglicht und während des Betriebs umgeschaltet werden kann.

'''Antworten:'''
* So ein IC ist der Linear [http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H0,C1,C1007,C1071,P1601 LTC1555L-1.8] .

=== AVR SPI (SDC/MMC)===

Für '''bidirektionalen Betrieb''' zwischen 5V-AVR und 3,3V-Geräten und anders herum gibt es den Level-Translator '''MAX3378E''' von Maxim.

Wenn die Datenrichtung am SPI im Zielsystem festgelegt ist, reichen '''unidirektionale Bausteine''':
* 3x von 5V nach 3,3V und 1x von 3,3V nach 5V: '''MAX3392E'''
* 1x von 5V nach 3,3V und 3x von 3,3V nach 5V: '''MAX3390E'''

Zum Anschließen einer SDC/MMC an einen 5V-AVR eignen sich somit der MAX3978E und der MAX3392E. Beide sind u.A. im winzigen TSSOP-14-Gehäuse verfügbar, nehmen sehr wenig Energie auf und eignen sich auch für andere Spannungen. Mit 3,3 und 5V beträgt die garantierte Übertragungsrate 8Mbps.

* [http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX3372E-MAX3393E.pdf Datenblatt]

Eine weitere Möglichkeit zum Übersetzen zwischen 3,3 und 5V liegt in der Verwendung des '''74LVC245'''.

5V-AVR an eine MMC (ohne Level-Shifter-Baustein):
* [http://www.microsyl.com/index.php/2010/03/24/led-sign-with-mmc-memory-card/ Projektseite]
* [http://www.microsyl.com/projects/ledsign/ledsign1.pdf Schaltplan]

=== Mikrocontroller ⇔ Parallelport ([[ISP]]-Dongle, [[JTAG]] Wiggler, ...) ===

Dieser Schaltplan funktioniert auch bei 3,3 V wenn man einen 74HC244 anstatt eines 74LS244 verwendet: [http://www.epanorama.net/circuits/parallel_output.html Parallel port interfacing made easy: Simple circuits and programs to show how to use PC parallel port output capabilities].

=== Doppeltes Leitungspaar RX/TX 5V/3,3V ===

Der [http://www.hackaday.com/2008/06/19/sparkfuns-logic-level-converter/ SparkFun's Logic Level Converter] ist eine Baugruppe mit MOSFETs [http://www.fairchildsemi.com/pf/BS/BSS138.html BSS138] für die Pegelwandlung von 5V auf 3,3V. 5V/2,8V und 5V/1,8V sind ebenfalls machbar.

=== Steuerleitung zwischen Mikrocontroller und FPGA ===

Oftmals werden PLDs oder FPGAs per Microcontroller-Platine angesteuert. Ältere Typen laufen meist als 5V oder sitzen in 5V-kompatiblen Platinen. Sollen moderne FPGAs angesteuert werden, trifft man fast immer auf 3,3-V-Typen, bzw. muss sogar 2,5-V- / 1,8-V-Bänke beschalten, wenn nur noch dort Pins frei sind.

==== Mikrocontroller ⇒ FPGA ====

Die 5 V sind also im Extremfall auf 1,8 V herabzusetzen, was bei einem maximal zulässigen Diodenstrom von 3 mA (Beispiel Xilinx) einen Mindestwiderstand von ca. 1 kΩ erfordert. Die resultierende maximale Schaltfrequenz liegt dann bei einem typischen FPGA-Eingang bei etwa < 500 kHz. Soll der Eingang aus Belastungsgründen nicht mit mehr als 0,3 mA belastet werden, müsste der Widerstand auf 10 kΩ steigen, wodurch die Frequenz auf 1/10 sinkt. Zudem ist der Eingang dann störempfindlicher. Daher ist es besser, man schaltet dem Eingang eine zusätzliche Z-Diode bei und dimensioniert den Vorwiderstand so, dass die Strombelastbarkeit des Mikrocontrollers ausgelastet wird.

Eine weitere Möglichkeit ist es, die Spannung mit einer Diode in Vorwärtsrichtung herabzusetzen. Dann muss jedoch der Vorwiderstand noch exakter toleriert werden und auch Abweichungen der Spannung (Welligkeit) berücksichtigt werden.

==== FPGA ⇒ Mikrocontroller ====

Umgekehrt ist es oft nötig, dass Bausteine einen fremden Chip treiben müssen, dessen Eingang bereits mit einem Pull-Up versehen ist. Über diesen wird dann stets ein Strom in die Schutzdiode eingeprägt, auch wenn der Ausgang auf HIGH geht. Soll z. B. von einem PLD oder einem FPGA aus eine Mikrocontrollerplatine bedient werden, die über einen Pull-Up von 1 kΩ verfügt, würden immer ca. 1 mA in die Schutzdiode eingeprägt. Hier kann eine Seriendiode helfen, die Spannung genügend herabzusetzen, um den Ausgang zu schützen und dennoch die Funktion zu erhalten. Dann steuert ein LOW-Ausgang den Eingang auf geschätzte 1V, was aber meistens für das Erkennen von LOW noch sicher reicht.

== Bauteile ==

* '''74ALVC164245''' - ''16bit dual supply translating transceiver''. Eine Seite von 1.5V bis 3.6V, die andere von 1.5 bis 5.5V.
* '''74LVX573''' (unidirektional, Latch, nicht alle Hersteller bauen diesen 5V tolerant!)
* '''74LVX245''' (bidirektional, nicht alle Hersteller bauen diesen 5V tolerant!)
* '''74LVX125''' - ''Low Voltage Quad Buffer with 3-STATE Outputs''. http://www.fairchildsemi.com/pf/74/74LVX125.html
* '''SN74LVC2T45'''
* '''SN74LVC8T245''' - ''8-Bit Dual-Supply Bus Transceiver with Configurable Voltage Translation and Three-State Outputs''. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/sn74lvc8t245.html
* '''74LCX244MSA''' von Fairchild.
* '''MAX3377'''
* '''MAX3000''' 8-Kanal bidirektioneler Pegelwandler ohne Richtungsumschaltung
* '''ADG3308''' 8-Kanal bi-dir. Pegelwandler ohne Richtungsumschaltung, 1,15V..5,5V, 50MBps (hohe Umschaltströme beachten)

Vierfachdioden im kleinen 6-poligen SMD-Gehäuse:
* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00130230.pdf DSILC6-4xx.pdf]
* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00065974.pdf DVIULC6-4SC6.pdf]
* [http://www.st.com/st-web-ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD00001734.pdf DALC208.pdf]
* [http://www.diodes.com/datasheets/ds30195.pdf QSBT40, vierfach Schottky Terminator für Datenleitungen]
* [http://www.littlefuse.com/data/en/Data_Sheets/SP724Lead_Free.pdf SP724, Siliziumschutzarray]

== Siehe auch ==
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/307702#3316500 Forumsbeitrag]: Entkopplung von FT232 und AVR

== Weblinks ==

* Holmes D., [http://delphys.net/d.holmes/hardware/levelshift.html Bi-directional level-shift with MOSFETs]
* Gaurang Kavaiya, [http://www.edn.com/design/analog/4318916/Don-t-pay-for-level-translators-in-systems-using-multiple-power-supply-voltages Don’t pay for level translators in systems using multiple power-supply voltages], EDN, MAY 25, 2006, 81-86
* [http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/scf3_lc.htm Einfacher Pegelwandler im ELKO]
* [http://www.prog-link.com/dcf77/dcf77-17.html Pegelwandler für DFC77 Module]
* [http://elektronik.kai-uwe-schmidt.de/index.php?page=mp3_blueschaltung Pegelwandler für [[I2C]] Bus in einem MP3 Player]
* [http://www.mikrocontroller.net/attachment.php/256452/levelshifter.pdf Application Note von Philips, I2C Pegelwandler]
* [http://www.nxp.com/documents/user_manual/UM10204.pdf I2C Spezifikation]
* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-1-234277.html#new Forumsbeitrag zum Thema 1,8V-5V Pegelwandler]
* [http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/CD00001208.pdf 74LCX16245, 16 Bit Pegelwandler]
* [http://www.standardics.nxp.com/products/lvc/buffers/ LVC Logikfamilie]
* [http://www.standardics.nxp.com/products/lvc/transceivers/ LVC Tranceiver]
* [http://www.microchip.com/stellent/groups/techpub_sg/documents/devicedoc/en026368.pdf 3V Tips ‘n Tricks] (PDF) von Microchip
* [http://www.ti.com/lit/an/slaa148/slaa148.pdf Interfacing the 3-V MSP430 to 5-V Circuits] (PDF) von Texas Instruments

[[Category:Bauteile]]
[[Kategorie:Datenübertragung]]

Datei:SPI level shifter with resistor divider.png

2016-10-26T11:36:26Z

Rickdangerus:

fehlerhafter SPI-Takt nach Pegelwandler mit Widerstandsteiler ( 1,8/3,3kOhm)
unten: 5V-Ausgang am Mikrocontroller
oben: 3,3V-Eingang an der SD-Karte nach Widerstandsteiler

Labornetzgeräte

2016-10-13T19:39:53Z

Rickdangerus: /* Labornetzteile mit erweiterten Funktionen */ Bild hinzugefügt

Ein Labornetzgerät wird dazu verwendet, Schaltungen oder einzelne Bauteile mit einer definierten Spannung oder einem definierten Strom zu versorgen.

== Funktionen ==

Labornetzgeräte sind im Gegensatz zu einfachen Festspannungs-Netzteilen sehr flexibel einsetzbar und haben üblicherweise mindestens folgende Einstellmöglichkeiten und Funktionen:

=== Einfache Labornetzteile ===

Einfache Labornetzgeräte haben eine einstellbare Ausgangsspannung, die normalerweise von 0 bis zu einem bestimmten Maximalwert eingestellt werden kann. Zusätzlich bieten diese Geräte eine einstellbare Strombegrenzung, die auch von 0 aus bis zum Nennstrom des Geräts eingestellt werden kann.

Labornetzgeräte haben außerdem noch eine Anzeige für Ausgangsspannung und Strom. Dafür sind entweder analoge oder digitale Instrumente eingebaut. Bei digitalen Anzeigen werden üblicherweise 3 Stellen angezeigt, die Genauigkeit der Anzeige liegt üblicherweise im Bereich 1%.

Der Ausgang sollte kurzschlussfest sein, was allerdings nicht bei allen Labornetzgeräten der Fall ist. Manche Geräte sind nur kurzzeitig kurzschlussfest (für einige Sekunden), normalerweise sind Labornetzgeräte dauerhaft kurzschlussfest.

[[Datei:Labornetzteil mit Anzeige für Spannung, Strom und Leistung.jpg|miniatur|rechts|Labornetzteil mit Anzeige für Spannung, Strom und Leistung]]
=== Labornetzteile mit erweiterten Funktionen ===

Die Labornetzgeräte der gehobenen Preisklasse haben zusätzlich zu den Grundfunktionen noch weitere Funktionen, wie z.B.:

* Abschaltbarer Ausgang
* Getrennte Anzeige von Soll- und Ist-Werten
* Höhere Messgenauigkeit der Istwerte als bei einfachen Geräten
* Einstellbare Grenzwerte für Strom, Spannung, Leistung
* Alarm/Abschaltung bei Überschreitung von einstellbaren Schwellwerten
* Programmierbare Spannungs-/Stromverläufe
* Master-Slave-Funktion für Reihen-/Parallelschaltung von mehreren Geräten
* Analoge Schnittstelle für Soll- und Istwerte
* PC-Schnittstelle

== Wichtige Eigenschaften ==

=== Lineare Netzgeräte vs. Schaltnetzgeräte ===

Es gibt bei Labornetzgeräten sowohl linear geregelte als auch Schaltnetzteile.

Lineare Netzgeräte haben den Vorteil, dass die Regelung üblicherweise schneller und genauer ist. Die Ausgangskapazität ist bei linearen Netzgeräten relativ klein, dadurch kann die Strombegrenzung sehr schnell ansprechen.

Schaltnetzgeräte haben dagegen einen besseren Wirkungsgrad, erzeugen also weniger Abwärme und sind kleiner und leichter als lineare Netzgeräte gleicher Leistung. Deshalb sind vor allem Labornetzgeräte mit hoher Leistung bevorzugt als Schaltnetzteil aufgebaut.

Wenn bei Schaltnetzgeräten eine sehr kleine Ausgangs-Spannung eingestellt wird, wird diese oft nicht sauber ausgeregelt. Meistens brauchen solche Geräte eine bestimmte Mindestspannung am Ausgang.

Weiterhin besteht bei Schaltnetzteilen die Gefahr, dass am Ausgang Störungen sichtbar sind, die durch die interne PWM erzeugt werden.

Weiterhin gibt es auch Geräte, bei denen ein Schaltnetzteil und eine lineare Regelung kombiniert sind. Dadurch werden die Vorteile von beiden Verfahren kombiniert, es ergeben sich dadurch aber auch einige Probleme:

* Bei schnellen Laständerungen kann es passieren, dass das Schaltnetzteil nicht schnell genug nachregelt. Dadurch ändert sich das Regelverhalten und die Ausgangsspannung bzw. Strom sind dann nicht mehr so stabil wie bei einem richtigen linear geregelten Netzgerät.

* Bei schnellen periodischen Laständerungen kann es zusätzlich passieren, dass die Verlustleistung im Linearregler sehr viel höher wird als im Betrieb mit konstanter Ausgangsleistung. Da die lineare Endstufe meistens nicht dafür dimensioniert ist, kann es hier thermische Probleme geben.

=== Verlustleistung und Kühlung ===

Das ist vor allem bei linear geregelten Geräten ein sehr wichtiges Kapitel, da eine gute Kühlung relativ viel Geld kostet und die Gerätehersteller hier gerne sparen. Folgende Punkte sollten hier beachtet werden:

==== Passive Kühlung oder Kühlung mit Lüfter ====
Geräte mit passiver Kühlung erzeugen keine Geräusche, was ein großer Vorteil ist. Passive Kühlung ist aber nur bei Geräten mit relativ geringer Leistung üblich. Bei Lüfter-gekühlen Geräten sollte darauf geachtet werden, dass der Lüfter relativ ruhig läuft.

==== Außenliegender Kühlkörper ====
Bei passiv gekühlten Geräten kann der Kühler ziemlich warm werden. Wenn der Kühler außen am Gehäuse montiert ist, besteht die Gefahr, dass man ihn versehentlich berührt und sich verbrennt oder dass wärmeempfindliche Gegenstände (z.B. kunststoff-isolierte Leitungen) bei Berührung beschädigt werden. Deshalb sollte man Geräte bevorzugen, bei denen der Kühler innerhalb des Gehäuses montiert ist.

==== Lüftungsschlitze ====
Bei Geräten, die Lüftungsschlitze auf der Oberseite haben, besteht die Gefahr, dass Gegenstände reinfallen können, wodurch das Gerät beschädigt werden kann. Weiterhin kann es passieren, dass der Luftstrom durch die Schlitze behindert wird, wenn man etwas auf dem Gerät ablegt oder mehrere Geräte aufeinander stapelt.
Je nach dem, wo das Gerät aufgestellt werden soll, können deshalb seitliche Lüftungsschlitze vorteilhaft sein. Allerdings sind seitliche Lüftungsöffnungen meistens mit einem aktiven Lüfter kombiniert.

==== Dimensionierung der Kühlkörper und Leistungstransistoren ====
Bei vielen billigen Netzgeräten ist die Kühlung zu knapp dimensioniert. Das kann man relativ einfach testen, indem man den Ausgangsspannung und Strom jeweils auf Maximalwerte einstellt und dann den Ausgang kurzschließt.

In diesem Zustand sollte das Gerät längere Zeit (einige Stunden) betrieben werden, bis alles thermisch eingeschwungen ist. Dann muss bei allen Leistungsbauteilen die Temperatur gemessen werden, am einfachsten geht das mit einer Wärmebildkamera. Es sollten nach Möglichkeit keine Temperaturen oberhalb von 100°C auftreten. Wärme-empfindliche Bauteile (z.B. Elkos) sollten nicht wärmer als 70°C sein.

Besonders kritisch sind hier:
* Netztrafo
* Gleichrichter
* Leistungstransistoren und Kühlkörper

=== Stabilität und Genauigkeit ===

Wichtige Eigenschaften bei Labornetzgeräten ist die Stabilität und die Genauigkeit.

==== Stabilität ====

Damit wird angegeben, wie konstant ein eingestellter Wert über einen längeren Zeitraum gehalten wird. Hier ist wichtig, dass das Gerät einen kleinen Temperaturkoeffizient hat, so dass die Ausgangsspannung auch bei Temperaturschwankungen möglichst stabil bleibt.

==== Genauigkeit ====

Hier muss unterschieden werden zwischen der Anzeigegenauigkeit und der Einstellgenauigkeit.

Die Genauigkeit der Anzeige gibt an, wie genau die angezeigte Ausgangsspannung oder Strom mit der tatsächlichen Spannung übereinstimmt (siehe dazu auch Artikel [[Auflösung und Genauigkeit]]).

Die Einstellgenauigkeit gibt an, wie genau ein bestimmter Sollwert eingestellt werden kann und wie gut die tatsächlichen Werte mit den Sollwerten übereinstimmen. Bei Geräten mit digitaler Sollwertvorgabe muss hier die kleinste Schrittweite beachtet werden.

== Weitere Funktionen ==

=== Schnittstelle ===

Einige Labornetzgeräte bieten eine Schnittstelle zum PC, damit können sie als per Software steuerbares Netzgerät verwendet werden. Will man das Netzgerät per Mikrocontroller steuern, so sind Typen mit [[RS232]] Anschluß den Typen mit [[USB]] vorzuziehen.

=== Beleuchtung ===

Folgende Display-Arten sind bei Labornetzgeräten üblich:
* Analoginstrument (unbeleuchtet oder beleuchtet)
* LCD 7-Segment Anzeige (unbeleuchtet oder beleuchtet)
* LCD Punktmatrix-Anzeige (in der Regel beleuchtet)
* LED 7-Segment Anzeige (selbstleuchtend)
* OLED-Anzeigen (selbstleuchtend)
* VFD-Anzeigen (selbstleuchtend)

Anzeigen mit Beleuchtung bzw. selbstleuchtende Anzeigen sind wesentlich besser ablesbar als unbeleuchtete LCD-Anzeigen. Da Labornetzgeräte immer am Netz betrieben werden, ist der Stromverbrauch der Beleuchtung nicht relevant.

Unbeleuchtete LCD-Anzeigen sind bei schlechter Beleuchtung oder ungünstigem Blickwinkel manchmal schlecht ablesbar, bei 7-Segment LED-Anzeigen ist die Ablesbarkeit wesentlich besser.

Mit 7-Segment Anzeigen lassen sich allerdings nur Ziffern und einige wenige Buchstaben darstellen. Für Geräte mit komplexen Einstellungen und Menu-Führung werden deshalb häufig Punkt-Matrix LCD-Anzeigen verwendet.

Mit VFD-Anzeigen [http://de.wikipedia.org/wiki/Fluoreszenzanzeige], die ebenfalls sehr gut ablesbar sind, könnnen auch komplexe Menüs dargestellt werden. Diese haben einen sehr weiten Blickwinkel und sehr scharfe und klare Zeichen. Allerdings sind diese Anzeigen relativ teuer, weshalb sie vor allem in eher teueren Geräten eingesetzt werden.

== Vergleichstabelle Labornetzgeräte ==

In den folgende Tabellen werden wichtige technischen Daten einiger aktueller Labornetzgeräte zusammengestellt. Um die Übersichtlichkeit zu erhöhen, werden die Geräte eingeteilt in einfache Geräte und Geräte mit Zusatzfunktionen

Die Einteilung geschieht aufgrund der Funktionen, die die Geräte bieten. Das ist also keine Aussage über die Qualität der Geräte.

=== Einfache lineare Labornetzgeräte ===

Hier werden Geräte aufgelistet, welche neben den Grundfunktionen (Strom- und Spannungseinstellung, Anzeige der Istwerte) keine weiteren Funktionen besitzen.

{| border="1" class="wikitable sortable" id="einfache"
|-
!Hersteller
!Bezeichnung
!Preis [EUR]
!Spannung [V]
!Strom [A]
!Kanäle
|-
|Agilent
|E3616A
|620
|35
|1.7
|1
|-
|Hameg
|HM8040-3(Benötigt HM8001)
|280
|20 + 20 + 5
|0.5 + 0.5 + 1
|3
|-
|Peaktech
|6080
|50
|15
|3
|1
|-
|McVoice
|WNT0-15-2000
|38
|15
|2
|1
|-
|Quatpower
|LN-1803C
|30
|18
|3
|1
|-
|Statron
|2223.1
|150
|30
|2.5
|1
|-
|Statron
|2250.0
|225
|40
|5
|1
|-
|Statron
|2229.2
|260
|40 + 40
|2.5 + 2.5
|2
|-
|Statron
|2229.5
|340
|32 + 32 + 5
|3 + 3 + 3
|3
|-
|Statron
|2225.6
|310
|30 + 30
|5 + 5
|2
|-
|Voltcraft
|PS-1302 D
|95
|30
|2
|1
|-
|Voltcraft
|VLP 1303pro
|180
|30 + 6
|3 + 2
|2
|-
|Voltcraft
|VSP 2403
|345
|40 + 40 + 6
|3 + 3 + 1.5
|3
|}

=== Einfache Schaltnetzgeräte ===
{| border="1" class="wikitable sortable" id="einfache"
|-
!Hersteller
!Bezeichnung
!Preis [EUR]
!Spannung [V]
!Strom [A]
!Kanäle
|-
|Delta Elektronika
|ES 030-5
|624
|30
|5
|1
|-
|Quatpower
|LN-3003
|40
|30
|3
|1
|}

=== Netzgeräte mit Zusatzfunktionen ===

Diese Geräte haben mindestens folgende Funktionen:
* abschaltbare Ausgänge
* Anzeige der Sollwerte für Strom und Spannung

{| border="1" class="wikitable sortable" id="hochwertige"
|-
!Hersteller
!Bezeichnung
!Preis [EUR]
!Spannung [V]
!Strom [A]
!Kanäle
!linear/getaktet
|-
|Agilent
|U8001A
|290
|30
|3
|1
|linear
|-
|Agilent
|E3616A
|620
|35
|1.7
|1
|linear
|-
|Agilent
|E3643A
|690
|35 / 60 (umschaltbar)
|1.4 / 0.8
|1
|linear
|-
|Agilent
|E3632A
|990
|15 / 30 (umschaltbar)
|7 / 4
|1
|linear
|-
|BK Precision
|BK 1786
|490
|32
|3
|1
|linear
|-
|BK Precision
|BK 1788
|615
|32
|6
|1
|linear
|-
|BK Precision
|BK 9130
|685
|30 + 30 + 5
|3 + 3 + 3
|3
|linear
|-
|EA Elektro-Automatik
|PSI 6032-03
|425
|32
|3
|1
|linear
|-
|EA Elektro-Automatik
|EA-PS 2042-06B
|235
|42
|6
|1
|getaktet
|-
|EA Elektro-Automatik
|EA-PS 2342-06B
|580
|42 + 42 + 6
|6 + 6 + 4
|3
|getaktet
|-
|EA Elektro-Automatik
|EA-PS 3032-05B
|355
|32
|5
|1
|linear
|-
|EA Elektro-Automatik
|EA-PS 8032-10 DT
|940
|32
|10
|1
|getaktet
|-
|ELV
|PPS 5330
|120
|30
|3
|1
|linear
|-
|ELV
|SPS 5630
|200
|30
|6 (max. 75W)
|1
|getaktet
|-
|Hameg
|HM7042-5
|685
|32 + 32 + 5,5
|2 + 2 + 5
|3
|linear
|-
|Hameg
|HMP2020
|1190
|32 + 32
|10 + 5
|2
|getaktet + linear
|-
|Hameg
|HMP2030
|1500
|32 + 32 + 32
|5 + 5 + 5
|3
|getaktet + linear
|-
|Rigol
|DP832<nowiki>*</nowiki>
|362
|30 + 30 + 5
|3 + 3 + 3
|3
|linear
|-
|Voltcraft
|VLP 1405pro
|1190
|40 + 6
|5 + 2
|2
|linear
|-
|PeakTech
|1885
|270
|40
|5
|1
|getaktet
|-
|Voltcraft
|VLP 2403pro
|320
|40 + 40 + 6
|3 + 3 + 2
|3
|linear
|-
|Voltcraft
|VSP 2410
|470
|40 + 40 + 6
|10 + 10 + 1.5
|3
|getaktet
|-
|TTI
|EX355R
|330
|35
|5
|1
|Mixed-mode (getaktet + linear)
|-
|TTI
|EX354RD
|480
|35 + 35
|4 + 4
|2
|Mixed-mode (getaktet + linear)
|-
|TTI
|EX354RT
|540
|35 + 35 + (1,5-5)
|4 + 4 + 5
|3
|Mixed-mode (getaktet + linear)
|}

<nowiki>*</nowiki> Das Rigol DP832(A) schaltet die Ausgänge nicht physisch/galvanisch ab. Die Power-MOSFETs der Ausgangsstufe werden lediglich auf Soll-NULL gesetzt. Dies kann bei Drift auch durchaus ungleich 0,00 Volt bedeuten!

== Siehe auch ==

[[Kategorie:Grundlagen]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung_und_Energiequellen]]

Datei:Labornetzteil mit Anzeige für Spannung, Strom und Leistung.jpg

2016-10-13T19:38:05Z

Rickdangerus:

Labornetzteil mit Anzeige für Spannung, Strom und Leistung

VHDL Testbench

2008-05-15T21:41:24Z

Rickdangerus: Einstand

==Einleitung==

Warum benötigt man beim Beschreiben von Hardware eine Testbench, wie es immer wieder empfohlen wird?

Beim Programmieren von Software kann man sein Programm meistens schnell übersetzen und ausprobieren. Wenn etwas nicht läuft, wird der Debugger angeschmissen, ein Breakpoint gesetzt und sich der Inhalt von Variablen, Speicher und Prozessorregistern angeschaut, um dem Fehler auf die Spur zu kommen.

Im FPGA geht das nicht ganz so einfach. Die Synthese kann für ein komplexes Design auf einem großen FPGA mehrere Stunden benötigen. Statt einem Debugger würde man einen Logikanalysator verwenden (extern oder als [[FPGA_Soft_Core]]) und könnte trotzdem nur sehr mühsam nach Fehlern suchen.

Daher wird beim Entwurf normalerweise zu jedem Modul eine Testbench erstellt. Mit dieser soll sich die Funktionalität des Modules vor der Synthese mittels Simulation prüfen lassen. Die Testbench generiert alle Eingangssignale, auch Testvektoren genannt, für das zu testende Modul (device under test) und prüft ggf. die Resultate.

Folgende Grafik zur Veranschaulichung:

[[Bild:Testbench_DUT.png]]

Die Testbench wird ebenfalls in VHDL beschrieben. Da sie eher nicht synthesefähig sein muß, lassen sich in der Testbench viel mehr Sprachkonstrukte verwenden (z.B.: Dateizugriff, Rechnen mit real-Zahlen, timing-Anweisungen).

Guter Stil ist es, erst die Testbench zu erstellen und dann das eigentliche Modul. Die Testbench und das DUT werden dann vom Simulator (ModelSim, ghdl) compiliert und ausgeführt.

==Beispiel: Mini-DDS==
Für Module, die nur Signale erzeugen, kann die Testbench sehr einfach aussehen. Ein Merkmal von Testbenches ist, daß ihre entity-Beschreibung leer ist. Hier ist als Beispiel die Testbench für ein kleines DDS-Modul:
<vhdl>
-- Testbench fuer Mini DDS

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

-- leere entity
entity mini_DDS_tb is
end entity mini_DDS_tb;

architecture bhv of mini_DDS_tb is

-- Moduldeklaration
component mini_DDS is
port (
clk : in std_logic;
reset : in std_logic;

sinus : out std_logic_vector(3 downto 0);
saegezahn : out std_logic_vector(3 downto 0);
rechteck : out std_logic_vector(3 downto 0)
);
end component;

-- input
signal clk : std_logic := '0';
signal reset : std_logic;

-- output
signal sinus, saegezahn, rechteck : std_logic_vector(3 downto 0);

begin
clk <= not clk after 20 ns; -- 25 MHz Taktfrequenz
reset <= '1', '0' after 100 ns; -- erzeugt Resetsignal: --__

-- Modulinstatziierung
dut : mini_DDS
port map (
clk => clk,
reset => reset,

sinus => sinus,
saegezahn => saegezahn,
rechteck => rechteck
);

end architecture;
</vhdl>

Die Komponente mini_DDS wird instanziiert und die Testbench erzeugt nur ein Taktsignal (clk) und ein Resetsignal. Die Ausgänge (sinus, saegezahn, rechteck) von mini_DDS werden auf entsprechend benannte Signale geführt.

Nun das Modul, welches die eigentliche Arbeit verrichtet:
<vhdl>
--
-- Mini-DDS zum Demonstrieren der Testbench
--

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

entity mini_DDS is
port
(
clk : in std_logic;
reset : in std_logic;

sinus : out std_logic_vector(3 downto 0);
saegezahn : out std_logic_vector(3 downto 0);
rechteck : out std_logic_vector(3 downto 0)
);
end mini_DDS;

architecture bhv of mini_DDS is

type sinus_array_t is array (0 to 15) of integer range 0 to 15;

constant sinus_array_c : sinus_array_t :=
(8, 10, 13, 14, 15, 14, 13, 10, 8, 5, 2, 1, 0, 1, 2, 5);

signal index : integer range 0 to 15;

signal phase : unsigned(3 downto 0);

signal sinus_u : unsigned(3 downto 0);
signal saegezahn_u : unsigned(3 downto 0);
signal rechteck_u : unsigned(3 downto 0);

begin
phase_accumulator : process (clk, reset)
begin
if reset = '1' then -- asynchroner Reset
phase <= (others => '0');
elsif rising_edge(clk) then
phase <= phase + 1;
end if;
end process;

index <= to_integer(phase);

sinus_u <= to_unsigned( sinus_array_c (index), sinus_u'length);
saegezahn_u <= phase;
rechteck_u <= (others => phase(3));

-- convert output values
sinus <= std_logic_vector( sinus_u );
saegezahn <= std_logic_vector( saegezahn_u );
rechteck <= std_logic_vector( rechteck_u);

end architecture;
</vhdl>

Hier wird ein asynchroner Reset zum Initialisieren verwendet. "phase" stellt einen Zähler dar. Aus diesem werden die weiteren Signale generiert. Das Sinussignal wird aus einer Tabelle erzeugt, der Zähler selbst ist ein Sägezahn und das oberste Bit des Zählers wird als Rechtecksignal verwendet. Bei diesem Modul wurde bewußt ieee.numeric_std.all zum Rechnen verwendet. Die Ein- und Ausgänge sind dagegen als std_logic definiert um Probleme mit einigen Synthesetools zu umgehen.

Die ausführlichen Typkonvertierungen im unteren Teil mögen zwar nicht so schnell hinzuschreiben sein, aber sie schränken logische Fehler stark ein, weil man doch etwas mehr nachdenken muß.

Das Resultat der Simulation ist im folgenden Bild zu erkennen:

[[Bild:Testbench Waveform.png]]

Ob die vom Modul erzeugten Signale richtig sind muß in diesem Beispiel der Betrachter entscheiden. In vielen Fällen, gerade im Hobbybereich, ist das sicher ausreichend.

to be continued...

[[Category:FPGA und Co]]

Datei:Testbench Waveform.png

2008-05-15T21:22:19Z

Rickdangerus: gtkwave

gtkwave

Datei:Testbench DUT.png

2008-05-15T21:12:28Z

Rickdangerus: hat eine neue Version von „Bild:Testbench DUT.png“ hochgeladen

erstellt mit OpenOffice

Datei:Testbench DUT.png

2008-05-15T21:03:15Z

Rickdangerus: erstellt mit OpenOffice

erstellt mit OpenOffice