Kategorie PSpice - Uwes Bastelblog

Dieses Projekt ist zwar nicht sehr groß aber trotzdem etwas Besonderes. Zum Einen ist es Teil einer jahrelang vorbereiteten Restaurierung zum Anderen ist anscheinend noch niemand bis jetzt auf die Idee gekommen, einen 5V NVRAM durch einen 3,3V FRAM zu ersetzen bzw. das zu veröffentlichen.

Problembauteile NVRAM

Wer alte Geräte lange Zeit erhalten will, trifft immer wieder auf Chips mit integrierter Lithium-Batterie von „Dallas Semiconductor“, die im Jahr 2001 von „Maxim Integrated“ gekauft wurden, die wiederum 2021 von „Analog Devices“ gekauft wurden. Dabei handelt es sich meist um NVRAMs (non-volatile RAM) oder RTCs (Real-Time-Clocks) mit NVRAM. Die im Chip-Gehäuse integrierte Batterie ermöglicht, dass die Daten im RAM auch nach Abschaltung der Betriebsspannung erhalten bleiben und die RTC weiterläuft. Ein ebenfalls integrierter NVRAM-Controller sorgt für die Umschaltung zwischen Batterie und Betriebsspannung sowie für Datenschutz beim Ein- und Ausschalten.

Grundsätzlich ist das eine sehr praktische Lösung, da man ein einzelnes Bauteil verwenden kann anstatt einer ganzen Schaltung nebst Batterie. Fatal ist allerdings, wenn nach erfahrungsgemäß etwa 20 Jahren die eingebaute Batterie erschöpft ist. Fast immer ist damit das ganze Gerät nicht mehr funktionsfähig. Die Bauteile werden selbstverständlich nicht mehr produziert. Auch die im Internet gehandelten Restposten sind entweder schon zu alt oder noch häufiger gefälscht. Ich habe selbst zwei Fälschungen erworben. Somit ist der Ersatz mit dem Originalteil keine Option.

Beispielfoto fest eingelöteter NVRAM und RTC — Fest eingelöteter NVRAM und RTC (Tektronix TDS754C CPU Board)

Ersatzmöglichkeiten

Der Ersatz von RTC und NVRAM unterscheidet sich erheblich.

Den NVRAM kann man durch einen entsprechen SRAM mit NVRAM-Controller und Batterie ersetzen. Dazu sind einige Beispiele im Netz zu finden.

Eine andere Variante ist der Ersatz durch FRAM, ein Speicher, der sich wie RAM beliebig schreiben lässt, den Inhalt aber auch ohne Betriebsspannung behält. Auch hierzu gibt es Beispiele mit den FRAM-Typen FM16(W)08 und FM18(W)08 mit 64kBit bzw. 256kBit Größe. Der Charme dieser Lösung ist, dass keine Batterie nötig ist und damit der Speicher wartungsfrei bleibt. Leider sind die beiden genannten FRAM-Typen zwar pinkompatibel mit den Dallas NVRAMs, werden aber etwas anders angesteuert. Damit funktioniert der Austausch leider nicht in allen Geräten.

Eine RTC lässt sich nicht so einfach ersetzen. Die RTC bildet die Uhrzeit auf einen Speicherbereich ab, auf den wie auf „normalen“ RAM zugegriffen wird. Dabei muss der Chip das geforderte Timing exakt einhalten. Das lässt sich nur mittels Dual-Port RAM sicherstellen. Passende Schaltungen habe ich allerdings nicht gefunden. Das wäre mal ein kleines Projekt für die Zukunft. Derzeit gibt es nur die Möglichkeit, eine alte RTC mechanisch aufzubohren und von außen eine neue Lithium-Batterie anzuschließen. Oder man verwendet einen kompatiblen RTC-Chip, der noch als Restposten verfügbar ist. Soweit ich weiß geht das nur für einen DS1486, der durch einen DS1386G incl. RAM und Batterie ersetzt wird.

DS1250Y/DS1650Y FRAM Ersatz

Nun zum corpus delicti. Das Bauteil DS1250Y von „Dallas Semiconductor“ ist ein 4MBit NVRAM. Die pinkompatible Variante DS1650Y verfügt zusätzlich über die Möglichkeit, einzelne Speicherbereiche per Software mit einem Schreibschutz zu versehen. Damit kann der DS1650Y den DS1250Y ersetzen. Umgekehrt geht das nicht in jedem Fall, sondern nur dann, wenn die Software das Schreibschutz-Feature nicht benutzt oder nicht davon abhängt.

Eine kurze Bauteilrecherche nach parallelen 4MBit FRAM fördert lediglich ein einziges Produkt zu Tage, den FM22L16-55-TG. Unglücklicherweise arbeitet der mit maximal 3,3V und hat 16 Bit Datenbreite im Gegensatz zu 5V und 8 Bit beim DS1250Y.

Da fehlen also noch einige Teile, um den FM22L16 anzupassen: Etwas Logik, Level-Shifter, ein Spannungsregler und ein wenig Hirnschmalz. Schwierig beim Entwurf war auch, dass die ganze Schaltung auf eine Platine mit der Größe des Originalteils passen muss.

Schaltung

Nach einigen Tagen Datenblätter lesen und verstehen und Schaltbilder malen war die Schaltung fertig.

Abbildung, DS1250 FRAM Ersatz Schaltbild — Schaltbild

Zum Einsatz kommen ein bidirektionaler Level-Shifter 74LVC8T245 für den Datenbus, ein MCP1700T-3302E Low-Dropout Spannungsregler für die 3,3V Stromversorgung, ein paar Universal Single-Gates für die Steuerlogik sowie Schottky-Dioden und LEDs für die unidirektionalen Level-Shifter der Adress- und Steuerleitungen.

In der ersten Version hatte ich die Pullup-Widerstände R3 bis R5 vergessen was dazu führte, dass die Daten verändert wurden, wenn man den Baustein aus dem Programmiergerät entfernt hat. Ansonsten funktioniert die Schaltung tadellos und erfüllt problemlos die Anforderungen an das Timing des Originals.

Die Unidirektionalen Level-Shifter mit Schottky-Diode plus LED sind noch speziell und auf meinem Mist gewachsen. Ich habe die Schaltung simuliert und festgestellt, dass dieser einfache Weg sicher und schnell funktioniert.

Abbildung, Simulation unidirektionaler Level-Shifter — Simulation Level-Shifter für Adress- und Steuerleitungen

Der Plan ist hier als pdf verfügbar.

Aufbau

Die Schaltung findet auf einer doppelseitigen Platine Platz, die allerdings ca. 1mm breiter ist als das Original Bauteil. In den meisten Geräten ist aber ausreichend Platz dafür vorhanden.

Gerber Files zur privaten Nachbestellung befinden sich hier. Üblicherweise bestelle ich bei JLCPCB. Dort kann man das zip einfach hochladen zum Bestellen. Die Bauteilliste und den Bestückungsplan habe ich hier hinterlegt.

Der Rest folgt als kurze Bildergeschichte:

Abbildung, fertige Platinen sind da und werden bestückt — Fertige Platinen sind da und werden bestückt

Abbildung, Bauteile manuell bestückt und gelötet — Bauteile manuell bestückt und gelötet

Abbildung, Ansicht von unten — Ansicht von unten

Abbildung, Ansicht von unten, nachträglich eingelötete Pull-Up Widerstände manuell mit Draht verbunden — Ansicht von unten, nachträglich eingelötete Pull-Up Widerstände manuell mit Draht verbunden

Abbildung, Ansicht von unten, das Löten der Stiftleiste von der Seite ist etwas knifflig — Ansicht von unten, das Löten der Stiftleiste von der Seite ist etwas knifflig

Abbildung, erster Prototyp im Programmiergerät — Erster Prototyp im Programmiergerät

Als erstes muss ich kurz vorwarnen: Dieser Beitrag ist etwas länger als üblich aber so ist das mit einem Hobby. Man hat einen Plan, lernt mittendrin Neues und erweitert ein Projekt Stück für Stück. Es geht beim Hobby nicht um Effizienz, sondern darum, etwas „schön“ zu machen und am Ende zufrieden zu sein. Da kommen schnell ein paar zusätzliche Wochenenden Bastelei zusammen für etwas, was eigentlich nur ein paar Stunden dauern sollte…
Aus dem geplanten Test der O7S1 hatten sich im Laufe der Zeit auch noch diese Punkte ergeben:

Sägezahngenerator, Versuchsaufbau und Simulation mit PSpice
Verstärker für X- und Y-Ablenkung mit Doppeltriode 6N2P
Gesamtschaltung für ein Mini-Oszilloskop

Aber jetzt geht’s los mit dem Artikel.

Kürzlich habe ich ein altes Oszilloskop „Picoskop“ neu aufgebaut. Neben einigen anderen Dingen fehlte auch die Kathodenstrahlröhre. Im Originalgerät ist eine B7S1 vom VEB Funkwerk Erfurt (Teil des RFT) verbaut. Die Bezeichner solcher Röhren sind meist so wie in diesem Fall zusammengesetzt: Ein Buchstabe gefolgt von der Bildschirmdiagonale und der genaueren Bezeichnung. In dem Fall steht B7S1 wahrscheinlich für Bildröhre, 7cm Diagonale, System 1. Nach kurzer Internet-Recherche zu diesem Ersatzteil habe ich zwar keine B7S1 gefunden, dafür aber eine O7S1 für einen relativ günstigen Preis. Eine weitere Recherche in meinem Röhren-Codex von 1948

und bei radiomuseum.org ergab, dass eine O7S1 ein Bildröhrenmodell von Telefunken aus der Zeit vor 1945 ist. Es hat die gleiche Heizspannung und scheinbar auch die gleiche Sockelbeschaltung wie eine B7S1. Weitere Daten zur O7S1 waren nicht verfügbar. Leider enthält mein Röhren-Taschenbuch von 1958 aus dem Fachbuchverlag Leipzig die B7S1 noch nicht.

Mich hat aber die Ähnlichkeit zwischen beiden Röhren zu der Annahme verleitet, dass die B7S1 von RFT aus den 50er Jahren ein kompatibler Nachbau der Telefunken-Röhre aus den 40er Jahren ist. Also habe ich sie kurzerhand gekauft und nach wenigen Tagen ist die Röhre unbeschadet bei mir angekommen. Der erste Anblick war gut. Äußerlich und mechanisch war anscheinend alles in Ordnung, die Kontakte waren ewig nicht in einem Sockel. Das erkennt man recht einfach mit der Lupe an korrodierten aber nicht zerkratzten Kontakten. Auch das Telefunken-Logo und die Bezeichnung sind noch schräg gegen das Licht gehalten, ganz gut zu sehen. Die silberne Aufschrift O7S1 ist aus der Neuzeit mit einem dieser Spezialstifte aufgebracht.

O7S1 Bezeichnung und Telefunken Logo

Auf dem Sockel selbst war der originale Aufdruck V II / RÖ 19 zu finden. Mir kam kurz der Gedanke, ob es sich eventuell nicht um römisch sieben, sondern um V römisch zwei bzw. V2 handelt. Wahrscheinlich bedeutet es aber Baugruppe 7 / Röhre 19. Falls irgend jemand weiß, um welches Gerät es sich handeln könnte, bitte ich unbedingt um eine Nachricht.

Da ich noch ein originalen Picoskop EO1/7 besitze, konnte ich die Röhre dort einsetzen und einen schnellen Test machen. Aber alles bleib dunkel. Trotzdem habe ich dem Online-Händler zunächst keine schlechte Bewertung gegeben, sondern habe eine Testschaltung aufgebaut. Sehr geholfen hat mir dabei die Seite von Burkhard Kainka, auf der neben vielen Grundlagen sowie kleinen und großen Bastelprojekten auch eine Testschaltung für ein Mini-Oszilloskop veröffentlicht ist. An dieser Stelle ein großer Dank von mir an den Betreiber der Seite für die Arbeit, das alles zu veröffentlichen.

Zurück zur Testschaltung: Während des Aufbaus wurde schnell klar, dass die Sockel der beiden Röhren B7S1 und O7S1 um 180° gedreht sind und nach kurzer Zeit konnte ich feststellen, dass die Röhre grundsätzlich funktioniert.

Was nun folgte waren einige Wochenenden Bastelei. Als erstes habe ich herausgefunden, dass Gitter 1 keine Funktion mehr hat. Damit ist keine direkte Helligkeitsregelung mehr möglich. Das ist nicht so sehr problematisch, da man die Helligkeit auch mit der Anodenspannung regulieren kann. Möglicherweise ist damit aber auch der Focus beeinträchtigt und wahrscheinlich hat die Röhre nicht mehr die Performanz wie im Originalzustand. Trotzdem habe ich versucht, die bestmögliche Schaltung zu entwickeln. Grundlage war wie oben beschrieben die Testschaltung von Burkhard Kainka.

Als erstes habe ich versucht, die X-Ablenkung zu verbessern. Ideal ist ein Sägezahngenerator, der einen linearen Spannungsanstieg und sehr schnellen Abfall hat. Die originale Kippschaltung mit einer Glimmlampe liefert allerdings einen exponentiellen Spannungsverlauf. Man sieht das sehr deutlich auch in dem Oszillogramm im Artikel von Burkhard Kainka, die Kurve ist rechts gestaucht. Meine Idee sollte ebenso einfach aber etwas besser sein und schließlich habe ich mit einem Sägezahngenerator mit einen Unijunction-Transistor (UJT) experimentiert, dessen Grundschaltung recht simpel ist.

Schaltbild PSpice Simulation Sägezahngenerator mit UJT 2N2646 erster Versuch

Am Emitter kann ein Sägezahn abgenommen werden, der schon etwas linearer ist, als eine Kippschaltung mit Glimmlampen. Natürlich handelt es sich wieder um die Ladekurve eines Kondensators bzw. eine e-Funktion. Allerdings bewegen wir uns hier nur im unteren Bereich. Eine Simulation mit PSpice zeigt das Erwartete, einen nicht ganz linearen Anstieg.

PSpice Simulation Sägezahngenerator mit UJT 2N2646, erster Versuch

Da die Frequenz veränderlich sein sollte, habe ich in die Schaltung einen Widerstand eingefügt, der während der Simulation über einen Parameter verändert wird. Mit PSpice geht das so, dass man einen globalen Parameter auf dem Arbeitsblatt platziert, in dem Fall V_POT. Es werden dann mehrere Simulationen durchlaufen und dieser Parameter verändert. Ich habe Schritte von 0.2 zwischen null und eins gewählt. Über C2 und R4 wird die Belastung des Generators dargestellt.

Schaltbild PSpice Simulation Sägezahngenerator mit UJT 2N2646

Auch hier ergab die Simulation keine Überraschungen. Allerdings war es recht schwierig, die Konvergenzprobleme mit PSpice in den Griff zu bekommen. Das ist gerade bei der Simulation von Oszillatoren problematisch und man muss mit einigen Simulationsparametern experimentieren, bis alles fehlerfrei bis zum Ende läuft.

Die Frequenz ist in weiten Grenzen regelbar, wir haben jetzt einen prima Sägezahngenerator für die X-Ablenkung.

PSpice Simulation Sägezahngenerator mit UJT 2N2646, 7.5ms

Und noch ein Ausschnitt der ersten halben Millisekunde.

PSpice Simulation Sägezahngenerator mit UJT 2N2646, 500µs

Am Ende habe ich ein Oszillogramm des aufgebauten Sägezahngenerators gemacht bei minimaler Frequenz, es sollte also wie die grüne Kurve aussehen. Und voila es sieht ziemlich ähnlich aus. Die Amplitude ist etwas höher und die Frequenz etwas niedriger. Ich schiebe das mal auf die Bauteiltoleranzen.

Oszillogramm Sägezahngenerator mit UJT 2N2646

Die Empfindlichkeit der O7S1 ist eher mäßig. Der genaue Wert ist mir nicht bekannt. Meine Tests haben etwa 50V/cm für die X- und 40V/cm für die Y-Ablenkung ergeben. Damit war die nächste Aufgabe zu lösen, das Signal um den Faktor 25 bis 30 zu verstärken. Stilecht habe ich eine Triode gewählt. Die Hochspannung ist für die Bildröhre ohnehin vorhanden womit der Einsatz einer weiteren Röhre keinen großen Zusatzaufwand bedeutet. Als Triode mit hoher Verstärkung bietet sich eine ECC83 an. Wegen des hohen Preises der ECC83 habe ich die sehr ähnliche 6N2P bzw. 6H2П gewählt, die heute noch in Russland gefertigt wird. Als Schaltung kommt eine Standard-Verstärkerschaltung für Trioden zum Einsatz. Hier der Ausschnitt aus dem Gesamtschaltbild des Mini-Oszilloskops.

Das zweite System der Doppeltriode wurde für den Y-Verstärker verwendet, der identisch zum X-Verstärker aufgebaut ist. Die Ablenkplatten müssen zum Teil ein höheres Potential als die Anode haben, um den X- und Y-Ursprung über den gesamten sichtbaren Bereich verschieben zu können. Diese Funktion wird durch einige Spannungsteiler und Potentiometer (R9 bis R19 und P2/P3) realisiert. Mit Potentiometer P4 wird der Focus eingestellt. Damit war das Mini-Oszilloskop dann einigermaßen gut funktionsfähig und ich zufrieden.

Zum Schluss noch das gesamte Schaltbild, eine Fotogalerie und ein kurzes Video.