HALBLEITERHEFT2000
70
Elektor
7-8/2000
G. Vastianos
Diese Schaltung stellt acht
digitale Ausgänge (D/O =
Digital Out) mit offenem Kol-
lektor bereit, die von einem
PC-Programm über eine seri-
elle PC-Schnittstelle gesteuert
werden können. Das Pro-
gramm greift direkt auf die
UART-Register des benutzten
COM-Port zu.
PCs sind normalerweise mit
einem bis vier seriellen
Anschlüssen (COM1...COM4)
ausgestattet, von denen jeder,
wie aus Tabelle 1 hervorgeht,
8 Byte im I/O-Adressraum
belegt. Der serielle Datenaus-
tausch findet über die Leitun-
gen TXD (Senden) und RXD
(Empfangen) statt, die übrigen
Leitungen (DCD, DSR,
RTS,CTS, DTR, RI) haben mehr
oder weniger wichtige Hilfs-
funktionen. Bei einigen dieser
Leitungen handelt es sich um Ausgänge, bei anderen um Ein-
gänge. Mit Ausnahme von RXD kann auf jedes einzelne Sig-
nal über die zum COM-Port gehörenden UART-Register zuge-
griffen werden. Die Bit-Adressen gehen aus Tabelle 2 hervor.
Der RS232-Standard arbeitet mit negativer Logik: Einer logi-
schen 1 entspricht eine Spannung von nominal -12 V, einer
logischen 0 eine Spannung von nominal +12 V.
Der serielle Anschluss des Computers wird mit der Schaltung
über SUB-D-Buchsenleiste K1 verbunden. Die drei Ausgangs-
leitungen TXD, DTR und RTS steuern über R1...R3 und D1...D3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
K1
74HC573
IC2
12
13
14
15
16
17
18
19
EN
11
C1
1D
2
3
4
7
8
9
5
6
1
74HC541
IC3
11
12
13
14
15
16
17
18
19
EN
2
3
4
7
8
9
5
6
&
1
IC4
2803
VEE
+VS
ULN
11
12
13
14
15
16
17
18
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8
O1
O2
O3
O4
O5
O6
O7
O8
10
1
2
3
6
7
8
4
5
9
R4
10k
R6
10k
R5
10k
R1
2k2
D1
1N4148
R3
2k2
D3
1N4148
R2
2k2
D2
1N4148
4N28
IC6
5
4
1
2
6
4N28
IC7
5
4
1
2
6
4N28
IC8
5
4
1
2
6
CTR12
4040
IC1
CT=0
10
11
13
15
14
12
11
10
CT
4
2
3
5
6
7
9
1
+
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
R13
1k
R12
1k
R11
1k
R14
1k
R10
1k
R9
1k
R8
1k
R7
1k
D11
D10
D9
D8
D7
D6
D5
D4
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
V++
C4
330n
D12
1N4001
7805
IC5
C3
100n
IC1
16
8
C1
100n
C2
100n
IC2
20
10
IC3
20
10
5V
5V
004032 - 11
6 ... 40mA
9V
RST
LEN
CLK
8-Kanal D/O für RS232
059
HALBLEITERHEFT2000
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7-8/2000
Elektor
die drei Optokoppler IC6...IC8. Bei +12 V auf einer Leitung
wird der Fototransistor des betreffenden Optokopplers leitend,
bei -12 V sperrt er. Die Zuordnung der Signale TXD, DTR und
RTS zu den Signalen CLK und RST (IC1) sowie LEN (IC2) ist
folgende: RST
TTL
= NOT TXD
RS232
; CLK
TTL
= NOT DTR
RS232
;
LEN
TTL
= NOT RTS
RS232
.
RST und CLK steuern einen 12-bit-Binärzähler, von dessen
Ausgangssignalen jedoch nur die unteren acht Bit weiterver-
wendet werden. Die acht Leitungen sind mit Latch IC2 ver-
bunden, das von Signal LEN (Latch Enable) gesteuert wird.
Das Programm erzeugt als erstes einen RST-Impuls, der Zähler
IC1 zurücksetzt. Danach werden so viele CLK-Impulse ausge-
geben, wie für die gewünschten logischen Zustände an den
acht Zählerausgängen nötig sind. Zum Schluss folgt ein LEN-
Impuls, so dass die logischen Zustände in das Latch über-
nommen werden. Parallel an den Latch-Ausgängen liegen die
Buffer IC3 und IC4. Während IC3 nur die Aufgabe hat, die
Schaltzustände über die Dioden D4...D11 sichtbar zu machen,
stellt IC4 die acht Open-Collector-Ausgänge bereit. Sie sind
auf der Platine mit acht Lötpunkten verbunden, in die Lötstifte
eingesetzt werden können. Die höchstzulässige Spannung an
den Ausgängen des ULN2803 beträgt 50 V, die Summe aller
Ausgangsströme darf 500 mA nicht übersteigen.
Auf der Platine ist ein eigener Stabilisator (IC5) für die
Betriebsspannung vorgesehen. Die Stromversorgung kann ein
kleines Steckernetzteil übernehmen, dessen Ausgangsspan-
nung zwischen 9 V und 15 V liegt.
Das zur Schaltung
gehörende Programm heißt
CARD08DO, es wurde in
Turbo-Pascal geschrieben.
Der Aufruf innerhalb eines
beliebigen anderen Turbo-
Pascal-Programms muss fol-
gender Syntax genügen:
CARD08DO (COMADDRESS,
VALUE, DELTIME)
COMADDRESS: Word-Varia-
ble, Basis-Adresse des seri-
(C) ELEKTOR
004032-1
C1
C2
C3
C4
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D9
D10
D11
D12
H1
H2
IC1
IC2
IC3
IC4
IC5
IC6
IC7
IC8
K1
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
R8
R9
R10
R11
R12
R13
R14
0
+
V++
D7
D0
T
004032-1
(C) ELEKTOR
004032-1
Stückliste
Widerstände:
R1,R2,R3 = 2k2
R4,R5,R6 = 10 k
R7...R14 = 1 k
Kondensatoren:
C1,C2,C3 = 100 n
C4 = 330 n
Halbleiter:
D1,D2,D3 = 1N4148
D4-D11 = LED, Low-Current
D12 = 1N4001
IC1 = 4040
IC2 = 74HC573
IC3 = 74HC541
IC4 = ULN2803
IC5 = 7805
IC6,IC7,IC8 = 4N28 oder
CNY17-2
Außerdem:
K1 = 25polige Sub-D-
Buchsenleiste für
Platinenmontage
12 Lötstifte
Tabelle 1. COM-I/O-Adressen
Register
COM1
COM2
COM3
COM3
Transmit/Receive Buffer
3F8h
2F8h
3E8h
2E8h
Interrupt Enable Register
3F9h
2F9h
3E9h
2E9h
Interrupt Identification Register
3FAh
2FAh
3EAh
2EAh
Line Control Register
3FBh
2FBh
3EBh
2EBh
Modem Control Register
3FCh
2FCh
3ECh
2ECh
Line Status Register
3FDh
2FDh
3EDh
2EDh
Modem Status Register
3FEh
2FEh
3EEh
2EEh
Scratch Pad Register
3FFh
2FFh
3EFh
2EFh
Tabelle 2. UART-Bit-Adressen
Signal Pin-Nr. Pin-Nr.
COM1
COM2
COM3
COM3
Bit
I/O
(SUB-D 25)
(SUB-D 9)
TXD
#2
#3
3FBh
2FBh
3EBh
2EBh
6
O
DTR
#20
#4
3FCh
2FCh
3ECh
2ECh
0
O
RTS
#4
#7
3FCh
2FCh
3ECh
2ECh
1
O
CTS
#5
#8
3FEh
2FEh
3EEh
2EEh
4
I
DSR
#6
#6
3FEh
2FEh
3EEh
2EEh
5
I
RI
#22
#9
3FEh
2FEh
3EEh
2EEh
6
I
DCD
#8
#1
3FEh
2FEh
3EEh
2EEh
7
I
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7-8/2000
ellen Port. Zulässige Werte sind hex. 3F8 (COM1), hex. 2F8
(COM2), hex. 3E8 (COM3) und hex. 2E8 (COM4).
VALUE: Byte-Variable, bestimmt bitweise die Schaltzustände
an den Ausgängen. Die 8 Bit ergeben ein Byte, bei dem das
LSB Ausgang 0 und das MSB Ausgang 7 repräsentiert. Zuläs-
sige Werte sind 0...255.
DELTIME: Byte-Variable, Wert der “Delay Time”, abhängig
vom Computer-Typ. Zulässige Werte sind 0 (langsamer 8086-
Computer, 8 MHz) bis 4 (schneller Pentium-Computer,
266 MHz).
Das Original-Source-Programm (CARD08DO.SUB), ein Demo-
Programm (08DOCARD.PAS) und eine lauffähige Version des
Demo-Programms (08DOCARD.EXE) können von der Website
des Autors unter folgender Adresse frei heruntergeladen wer-
den:
http://members.xoom.com/robofreak/download/08docard.htm
Für die Schaltung wurde eine Platine entworfen; sie gehört
jedoch nicht zum EPS-Lieferprogramm und muss selbst ange-
fertigt werden.
(004032-1)gd
Text: Hans Steeman
Für die galvanische Trennung von digitalen Signalen sind
Optokoppler eine Standardlösung. Das Signal wird dabei
durch Licht zwischen einer LED und einem Fototransistor
übertragen, die sich meist in einem kleinen DIL-Gehäuse
befinden. Die digitale Modulation (LED an oder LED aus)
macht diese Übertragung natürlich sehr einfach, die Linearität
der Übertragungsstrecke spielt dabei praktisch keine Rolle.
Für die Übertragung analoger Signale ist diese Linearität
natürlich sehr wichtig, damit die Amplitude des Ausgangs-
signals dem Eingangssignal möglichst genau folgt. Eine gute
Voraussetzung dafür bringen die Optokoppler CNR200 und
CNR 201 von Agilent (Hewlett Packard), die neben der LED
zwei Fotodioden enthalten. Während die eine Fotodiode wie
bei den normalen Optokopplern als optischer Empfänger für
das von der LED abgestrahlte Lichtsignal dient, sorgt die
zusätzliche Fotodiode am Eingang des Sendeverstärkers dafür,
dass beide Verstärkerstufen in ihrer Charakteristik gut über-
einstimmen.
Bei einer Betriebsspannung von 5 V können Eingangssignale
zwischen 0 und 3 V übertragen werden.
Die Isolationsspannung zwischen Eingang und Ausgang
beträgt bei diesem speziellen Optokoppler 1000 V. In der Pra-
xis hängt die maximale Isolationsspannung natürlich auch
maßgeblich von der Leiterbahnführung auf der Platine ab.
(004056e)
R3
10k
R4
10
Ω
R5
10k
R7
470
Ω
R6
10
Ω
R2
68k
T1
2N3906
T2
2N3904
T3
2N3906
T4
2N3904
PD1
LED
PD2
U
B1
U
B2
5V
5V
PD1 + PD2 + LED = IC1
= CNR200/CNR201
004056 - 11
R1
68k
U
in
U
out
Analoger Optokoppler
060
Verwendet man einen in Sperrrichtung geschalteten Transi-
stor als Rauschquelle, liefert er eine in der Amplitude asym-
metrische Rauschspannung. Dieses Problem ist gelöst, setzt
man zwei Transistoren ein, die unabhängig voneinander als
Rauschquelle fungieren. Ein Transistor besitzt einen Serien-
widerstand nach Masse, der andere einen zur positiven Ver-
sorgung. Die Rauschquellen produzieren entgegengesetzt
asymmetrische Rauschspannungen. Kombiniert man beide
Signale, entsteht eine in ihrer Amplitude symmetrische
Rauschspannung. Die beiden Rauschtransistoren sind samt
Serienwiderständen in T1/R2 und T2/R4 schnell in der Schal-
tung ausgemacht. Die Betriebsspannungen beider Rausch-
quellen sind an R1 respektive P3 zwischen 8 V und 12 V ein-
stellbar, den Grund können Sie bei der Optimierten Rausch-
quelle nachlesen. Da aufgrund von Exemplarstreuungen der
Transistoren die Rauschamplituden niemals ganz gleich sind,
wurde mit P2 eine Art Balance-Regelung in die Schaltung aus-
genommen. C4 trennt die Gleichspannungspotentiale beider
Seiten, der Gleichspannungspegel von T1 wird aber zur
Arbeitspunkteinstellung von Puffer T3 herangezogen. Der Puf-
fer isoliert das nun endgültig symmetrische Rauschsignal am
Schleifer des Trimmers von der angeschlossenen Schaltung.
Zum Abgleich wird ein Oszilloskop angeschlossen und P2
ganz nach links gedreht. P1 dreht man so weit auf, dass auf
dem Schirm eine maximale Rauschspannung erscheint. Dies
wiederholt man mit P3, aber in genau entgegengesetzter Posi-
tion von P2. Abschließend folgt die Symmetrierung der
Rauschspannung an P2.
Die Schaltung liefert ein Rauschsignal von etwa 150 mV
tt
, die
Stromaufnahme beträgt 2 mA. Auf dem Oszillogramm ist das
asymmetrische Rauschen (Kanal 2), auf Kanal 1 das symme-
trische zu sehen.
(004082)rg
Symmetrische Rauschquelle
061