Übungssysteme zur Digitaltechnik

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1 Lehrsysteme für die zukunftsorientierte Aus- und Weiterbildung in Naturwissenschaft und Technik T Z E R I F I Z DNV I E R * * n a c h D I N E N T 9 0 I S O 0 1 Übungssysteme zur Digitaltechnik 01 / 2001

2 Die gravierenden Fortschritte in nahezu allen Gebieten der Elektrotechnik und Elektronik sind im wesentlichen auf den zunehmenden Einsatz der Digitaltechnik zurückzuführen. Anfangs wurde die Digitaltechnik vorwiegend zur Realisierung von Rechenanlagen eingesetzt. Inzwischen sind auch die erreichten Leistungsmerkmale z.b. in der Nachrichtentechnik, Automatisierungstechnik, Gebäudesystemtechnik und Kfz-Motorelektronik nur durch Anwendung der Digitaltechnik möglich geworden. Deshalb sind gesicherte Kenntnisse zu den Grundlagen der Digitaltechnik unverzichtbar, wenn entsprechende Geräte und Anlagen entwickelt, gewartet oder repariert werden sollen. Mit den von ELWE entwickelten Lehrsystemen zur Digitaltechnik lassen sich diese Kenntnisse praxisnah, systematisch, interessant und preiswert in relativ kurzer Zeit erarbeiten. ELWE bietet ein schlüssiges didaktisches und methodisches Konzept, diese Grundlagen systematisch und weitgehend selbständig entsprechend dem heutigen Stand der Technik zu erlernen. Zu jeder der folgenden Geräteausstattungen wird eine umfangreiche Experimentieranleitung angeboten; damit können sowohl eine systematische Analyse vorgegebener Schaltungen als auch der systematische Entwurf digitaler Schaltungen erlernt und trainiert werden. Das Rasterstecksystem Das Rasterstecksystem Seite 3 Mit dem Rasterstecksystem läßt sich zunächst die Wirkungsweise der logischen Grundfunktionen untersuchen. Zahlreiche logische und sequentielle Schaltungsbeispiele ermöglichen das Erlernen einer systematischen Analyse digitaler Schaltungen sowie der Funktionsbeschreibung mit Hilfe der Schaltalgebra. Schließlich kann auch der systematische Entwurf und die Minimierung digitaler Schaltnetze und Schaltwerke trainiert und mittels Schaltungsaufbau überprüft werden. Der modulare Aufbau des Rasterstecksystems ermöglicht auch die Realisierung und Untersuchung eigener Aufgabenstellungen. Der Digitaltrainer Seite 12 Alternativ zum Rasterstecksystem lassen sich die zuvor aufgeführten Lerninhalte auch mit dem Digitaltrainer erreichen. Der Digitaltrainer kann in jedem beliebigen Raum eingesetzt werden und setzt lediglich einen Netzanschluss voraus. Der Digitaltrainer Der GAL-Trainer Seite 16 Umfangreiche, komplexe digitale Schaltungsstrukturen lassen sich mit einfachen Logikbausteinen nicht mehr wirtschaftlich realisieren. Hochintegrierte Bausteine mit speziellen Funktionen, z.b. Multiplexer, sind nicht flexibel einsetzbar und relativ teuer. Deshalb werden zunehmend programmierbare Logikbausteine eingesetzt. Wesentliche Vorteile dieser Logikbausteine sind Platzeinsparung, geringere Stromaufnahme, mehrfache Programmierbarkeit und kürzere Entwicklungszeiten. Aufbauend auf die z.b. mit dem Rasterstecksystem oder Digitaltrainer erworbenen Grundkenntnisse können mit dem GAL-Trainer die wesentlichen Grundeigenschaften programmierbarer Logikbausteine untersucht werden. Anhand realistischer Schaltungsaufgaben werden die PC-gestützte Schaltungsentwicklung sowie die zugehörigen Beschreibungsmethoden praxisnah geübt. Der GAL-Trainer 2

3 Das ELWE-Rasterstecksystem zur Digitaltechnik Das von ELWE entwickelte Rasterstecksystem bietet gegenüber Systemen anderer Hersteller wesentliche Vorzüge: Das feine Raster der Basisrasterplatte bietet ein Maximum an kreativer Freizügigkeit für das Anordnen der Rastersteckelemente. Bei gleicher Fläche lassen sich gegenüber einem Stecksystem mit 19-mm-Raster erheblich mehr Steckelemente anordnen, so dass auch umfangreiche Schaltungen übersichtlich aufgebaut werden können. Widerstandsfähige Makrolon-Gehäuse und 4-mm-Buchsen gewährleisten einen risikofreien Einsatz des Systems auch bei robuster Handhabung. Auf der Innenseite der Klarsichtgehäuse angebrachte Kunststoffplättchen mit aufgedruckten Schaltzeichen nach internationaler Norm verhindern ein Verkratzen und Abgreifen der Schaltzeichen. Auf der Oberseite der Rastersteckelemente gesteckte Verbindungen mit farbigen Verbindungsleitungen gewährleisten einen übersichtlichen Schaltungsaufbau und eine schnelle Fehlersuche bzw. Fehlerbehebung. Rastersteckelemente können auch noch nachträglich schnell und leicht in einen bestehenden Schaltungsaufbau eingefügt werden. Die Rastersteckelemente, die Spannungsversorgung, die Basisrasterplatte und das Aufbewahrungstablett mit den Verbindungsleitungen werden übersichtlich in der kompakten Stapelbox aufbewahrt. Das Gesamtsystem ist leicht zu transportieren, erfordert wenig Aufbewahrungsplatz, kann schnell auf Vollständigkeit überprüft werden und setzt keinen Fachraum mit spezieller Ausstattung voraus. 3

4 Die Basisrasterplatte Das Befestigen Die Basisrasterplatte dient zur leichten, schnellen und sicheren Befestigung der Rastersteckelemente. Die Elemente können auf der fein strukturierten Basisrasterplatte freizügig angeordnet werden. Mit ihren Abmessungen von 412 mm x 252 mm bietet sie auch für umfangreiche Versuchsaufbauten ausreichend Platz. Die Basisrasterplatte ist aus Edelstahl hergestellt. Die Ecken sind mit Kunststoffaufsätzen geschützt. Abmessungen in mm: 412 x 252 x 23 (L x B x H) Masse: 0,9 kg Die Rastersteckelemente Die Rastersteckelemente können auf der Basisrasterplatte freizügig angeordnet werden. Beim Platzieren des Rastersteckelementes rasten die Befestigungshaken des Gehäuses leicht und sicher in der Basisrasterplatte ein. Ein leichter Druck auf die Seiten des Gehäuses genügt, um das Rastersteckelement wieder von der Basisrasterplatte zu trennen. Die Verbindungsleitungen Die äußerst robusten Rastersteckelemente bestehen aus einem transparenten, schlagzähen Makrolongehäuse, einem Symbolplättchen, den 4-mm-Buchsen und dem elektrischen Bauteil. Durch die innenseitige Anordnung des Symbolplättchens ist der Aufdruck des Schaltzeichens vollständig gegen mechanische Beschädigung geschützt. Die als SB bezeichneten Elemente besitzen ausschließlich 4-mm-Buchsen. Abmessungen der SB-Steckelemente in mm (L x B x H): Gehäuse-Typ C: 77 x 37 x 35 Gehäuse-Typ D: 101 x 50 x 35 Bei den SB-Steckelementen Widerstand und Elko: Gehäuse-Typ A: 37 x 19 x 35 Die elektrischen Verbindungen zwischen den Rastersteckelementen werden mit flexiblen Verbindungsleitungen hergestellt. Verschiedene Farben unterstützen zusätzlich den übersichtlichen Aufbau der Schaltung. Es stehen Verbindungsleitungen mit robusten 4-mm-Steckern zur Verfügung. Die 4-mm-Stecker sind zerlegbar, so daß eine kostensparende Reparatur möglich ist. 4

5 Die Leitungsaufbewahrung Spannungsversorgungsgerät VDÜ, 5 V mit Taktgenerator Die Verbindungsleitungen werden übersichtlich auf Kunststofftabletts aufbewahrt. Für jeden Steckplatz ist die Leitungslänge und -farbe auf dem Tablett gekennzeichnet. Dank der geordneten Aufbewahrung wird die richtige Auswahl der Verbindungsleitungen, die für einen überschaubaren Versuchsaufbau erforderlich ist, erheblich erleichtert. Mit einem Blick läßt sich die Vollständigkeit der Verbindungsleitungen auf dem Tablett überprüfen. Abmessungen in mm: 416 x 250 x 14 (L x B x H) Masse: 0,2 kg Schutzisolierte Ausführung Anschlussspannung: 230 V AC, 50(60) Hz Abnahme: Gleichspannung 5 V stab. / 0,5 A; R i = 0,05 Ω Generator I: 1 Hz / 1 khz umschaltbar Generator II: 0, Hz einstellbar Alle Ausgänge sind kurzschlussfest und elektronisch gegen mögliche Folgen von Fehlbedienung geschützt. Der Betriebszustand aller Ausgänge wird durch Leuchtdioden angezeigt. Abmessungen in mm: 105 x 120 x 45 (B x L x H) Masse: 0,48 kg Die Aufbewahrungsbox Als Alternative zu VDÜ, 5 V: Steckernetzgerät, 5 V Die Rastersteckelemente werden übersichtlich und griffbereit in stapelbaren Boxen aus schlagfestem Polystyrol aufbewahrt. Zusätzlich bietet die Aufbewahrungsbox auch Platz für die Aufnahme der Basisrasterplatte, des Leitungsaufbewahrungstabletts und der Spannungsversorgung. Damit sind alle für die Versuche der folgenden Experimentieranleitung erforderlichen Komponenten auf geringem Raum übersichtlich angeordnet und leicht und sicher transportierbar. Dadurch ergeben sich geringe Zeiten für die Vor- und Nachbereitung des Geräteeinsatzes. Abmessungen in mm: 445 x 287 x 90 (L x B x H) Masse: 1,0 kg Schutzisolierte Ausführung Anschlußspannung: V AC, 50(60) Hz Abnahme: Gleichspannung 5 V stab. / 2,4 A Der Ausgang ist kurzschlussfest und auf 4-mm-Stecker geführt. Abmessungen in mm: 51 x 87 x 34 (B x L x H) Masse: 100 g Zusätzlich erforderlich ist ein Primäradapter zum Einstecken in die Steckdose entsprechend der Landesnorm: Primäradapter Euro Primäradapter UK Primäradapter USA

6 Die Steckelemente Signalgeber SB Kippschalter als Signalgeber Anzeige der Ausgangszustände mit LEDs. AND/NAND-Glieder SB Stück je 2 Eingänge je ein Q- und Q-Ausgang Anzeige von Q = "1" mit je 1 LED AND/NAND-Glied SB Eingänge Q- und Q-Ausgang Anzeige von Q = "1" mit LED AND-Glieder SB Stück je 3 Eingänge Anzeige von Q = "1" mit je 1 LED OR/NOR-Glied SB Eingänge Q- und Q-Ausgang Anzeige von Q = "1" mit LED NOR-Glieder SB Stück je 3 Eingänge Anzeige von Q = "1" mit je 1 LED Inverter SB Inverterstufen Anzeige von Q = "1" mit je 1 LED Taster, entprellt SB entprellte Taster als Signalgeber Q- und Q-Ausgänge Anzeige von Q = "1" mit je 1 LED 6

7 Anmerkung: Der Taktgenerator ist erforderlich, wenn die Spannungsversorgung nicht mit dem VDÜ (siehe S. 5) erfolgt. Monostabiles Kippglied SB mit positiver Flanke triggerbar Impulsdauer wird durch externen Kondensator bestimmt Q-und Q-Ausgang Anzeige von Q ="1" mit LED Taktgenerator SB Rechteckgeneratoren; ein Generator kontinuierlich einstellbar: f = 0, Hz, der zweite Generator umschaltbar: 1 Hz / 1 khz; Anzeige der Ausgangszustände mit LEDs. JK-Flip-Flop SB mit J-, K-, Clock-, Setz- und Rücksetzeingang Q- und Q-Ausgang Anzeige des Q-Ausgangszustands mit LED Multiplexer SB Dateneingänge 2 Steuereingänge 1 Ausgang Anzeige des Ausgangszustandes mit LED Dioden-Widerstandskombination SB zur 4-Bit-D/A-Wandlung Kombination von 4 Widerständen im Verhältnis 1:2:4:8 mit 4 Dioden 4 Eingänge 1 Ausgang Demultiplexer SB Dateneingang 2 Steuereingänge 4 Ausgänge Anzeige der Ausgangszustände mit LEDs Volladdierer SB Bit-Volladdierer mit Übertrag-Eingang Übertrag-Ausgang Anzeige der Ausgangszustände mit LEDs Vorwärts-/Rückwärtszähler SB Bit-Binär/BCD-Zähler mit Setzeingängen Eingang für Zählrichtungsfestlegung Eingang für Umschaltung Binär/BCD Carry Out Anzeige der Ausgangszustände mit LEDs 7

8 Die Steckelemente BCD/7-Segment-Decoder und Anzeige SB Bit-Hexadezimaldecoder (0... F) mit 7-Segment-Anzeige, Höhe 10 mm angezeigter Wert kann gespeichert werden Schieberegister SB Bit Schieberegister 1 serieller Eingang 1 4-Bit-Paralleleingang Schieberichtung umkehrbar Anzeige von Q ="1" mit LEDs D-Flip-Flop SB Stück D-Flip-Flop mit Tristate-Ausgängen Clock-, Eingangsfreigabeund Ausgangsfreigabeeingang Anzeige von Q ="1" durch LEDs Treiber und LED-Anzeige SB Treiber mit je einem Einund Ausgang Anzeige der Ausgangszustände mit LEDs, die über separate Treiber angesteuert werden Codierschalter SB Eine über einen Drehschalter eingestellte hexadezimale Zahl 0... F wird über 4 Ausgänge im BCD-Code ausgegeben. Anzeige der Ausgangszustände mit LEDs Komparator SB Bit-Komparator zum Vergleich von zwei 4-Bit-Wörtern P und Q; je ein Ausgang für P = Q, P > Q und P < Q Anzeige der Ausgangszustände mit LEDs Schrittmotor SB Schritte/360 4 Wicklungen über Treiberstufen angesteuert auf der Motorachse Plexischeibe mit Strichmarkierung RAM SB Schreib-Lesespeicher 16 x 4 Bit Anzeige der Ausgangszustände (Halbbyte) mit LEDs 8

9 Verkehrsampel SB Eingänge 3 LEDs (rot, gelb, grün) zur Darstellung einer Verkehrsampel 2 LEDs (rot, grün) zur Darstellung einer Fußgängerampel Ansteuerung der LEDs durch Treiberstufen. U/f-Wandler SB Gleichspannungseingang 0...2,5V 1 Wechselspannungseingang U pp = ,5 V (30 Hz... 3,4 khz) 1 Ausgang khz (über Leitungstreiber) Spannungsquelle mit Komparator SB einstellbare Spannung von 0,1... 0,7 V, intern stabilisiert; 1 Eingang für die zu vergleichende Spannung. f/u-wandler SB Eingang khz 1 Gleichspannungsausgang 0...2,5V 1 Wechselspannungsausgang U pp = ,5 V 1 Abgleich für Offset und Gain A/D-Wandler SB Eingang ,55 V 8 Ausgänge ( ) Wandlung in 256 Stufen Anzeige der Ausgangszustände mit LEDs. SB IC-Fassung, 16-polig zur Auflage von IC-Schaltbildern vorbereitet D/A-Wandler SB Eingänge ( ) 1 Ausgang ,55 V. SB IC-Fassung, 28-polig poliger Textool-Sockel alle Anschlüsse frei beschaltbar Summer (o. Abb.) SB Inkrementalgeber (o. Abb.) SB

10 Die Ausstattungen zur Digitaltechnik Grundausstattung Digitaltechnik Ü 7.1 (5 V, SB-System) bestehend aus: 1 SB 7.1 Signalgeber SB 7.9 Monostabiles Kippglied SB 7.2 AND/NAND-Glied, 4 Eingänge SB 7.10 JK-Flip-Flop SB 7.3 OR/NOR-Glied, 4 Eingänge SB 7.11 Dioden-Widerstandskombination SB Inverter SB Steckelement Widerstand 10 kω; 0,6W SB AND/NAND-Glieder, je 2 Eingänge SB Steckelement Elko 4,7 µf 63 V SB AND-Glieder, je 3 Eingänge SB Steckelement Elko 10 µf 63 V SB NOR-Glieder, je 3 Eingänge SB Steckelement Elko 47 µf 40 V SB Taster, entprellt Beschriftungsbogen Ü Ergänzungsausstattung Digitaltechnik Ü 7.2 (5 V, SB-System) bestehend aus: 3 SB 7.2 AND/NAND-Glied, 4 Eingänge SB 7.24 Schrittmotor SB 7.3 OR/NOR-Glied, 4 Eingänge SB 7.25 Schieberegister SB AND/NAND-Glieder, je 2 Eingänge SB Treiber Tristate, LED-Anzeige SB NOR-Glieder, je 3 Eingänge SB 7.27 Komparator, 4 Bit SB 7.12 Volladdierer SB 7.28 RAM SB 7.20 Vorwärts-/Rückwärtszähler SB 7.30 Verkehrsampelmodell SB 7.21 BCD/Segment-Decoder/Anzeige SB 7.31 Spannungsquelle mit Komparator SB D-Flip-Flops SB Steckelement Kondensator, 10 nf SB 7.23 Codierschalter Ergänzungsausstattung ICs Ü 7.3 (5 V / 15 V, SB-System) bestehend aus: 3 SB IC-Fassung, 16-polig, große Bauform IC 4011 (4 x NAND, je 2 Eingänge) IC 4069 (6 x NICHT) IC 4027B (2 x JK-FF) IC 4081 (4 x UND, je 2 Eingänge) IC 4073 (3 x UND, je 3 Eingänge) IC 4082 (2 x UND, je 4 Eingänge) IC 4071 (4 x ODER, je 2 Eingänge) Ausstattung Multiplexer / Demultiplexer Ü 7.21 (5 V, SB-System) bestehend aus: 1 SB 7.18 Multiplexer SB 7.19 Demultiplexer Ausstattung U/f-, f/u-wandler Ü 7.60 (5 V, SB-System) bestehend aus: 1 SB 7.62 U/f-Wandler SB 7.63 f/u-wandler Ausstattung AD/DA-Wandler Ü 7.65 (5 V, SB-System) bestehend aus: 1 SB 7.60 A/D-Wandler SB 7.61 D/A-Wandler Notwendiges Zubehör: 1 Basisrasterplatte, Edelstahl Satz Verbindungsleitungen für Ü 7.1 u. Ü Satz Verbindungsleitungen für Ü Spannungsversorgung VDÜ, 5 V altermativ zu : 1 Steckernetzgerät und 1 Primäradapter entsprechend der Landesnorm, s. S. 5 und 1 SB 7.13 Taktgenerator Empfohlenes Zubehör: 1 Universalmeßgerät AF-M Aufbewahrungsbox und/oder (je nach Ausstattungsumfang) 1 Aufbewahrungsbox altermativ zu und : 2 Aufbewahrungseinschub

11 Experimentieranleitung Digitaltechnik mit folgenden Versuchsthemen: 0.2 Beschreibung der Steckbauelemente 0.3 Logische Grundfunktionen und Schaltzeichen Logische Elementarfunktionen 10.1 UND-Glied 10.2 ODER-Glied 10.3 NICHT-Glied Analyse von Schaltnetzen 11.1 Äquivalenzschaltung 11.2 Antivalenzschaltung 11.3* Volladdierer 11.4 Analyse einer logischen Schaltung mittels Wahrheitstabelle Synthese von Schaltnetzen 13.1 Halbaddierer 13.2* Entwurf einer Logikschaltung zur Temperaturüberwachung 13.3 Pseudotetradenüberwachung für den BCD-Code (8,4,2,1) 13.4* Entwurf eines Code-Umsetzers von BCD in Aiken Logische Universalfunktionen 14.1 NAND-Glied 14.2 NOR-Glied 14.3 UND-Verknüpfung, realisiert mit NAND-Gliedern 14.4 Nachweis des Dualitätsgesetzes (De-Morgan-Theorem) 14.5 ODER-Verknüpfung, realisiert mit NAND-Glied und NICHT-Glied 14.6 NOR-Verknüpfung, realisiert mit NAND-Glied und NICHT-Gliedern 14.7 Äquivalenzschaltung, realisiert mit NAND-Gliedern 14.8 Antivalenzschaltung, realisiert mit NAND-Gliedern Kippglieder 20.1 RS-Kippglied, realisiert mit NOR-Gliedern 20.2 JK-Kippglied 20.3 Astabiles Kippglied 20.4 D-Kippglied, einflankengesteuert 20.7 Monostabiles Kippglied Zähleranalyse 21.1 Dualer Vorwärtszähler 21.2 Asynchroner BCD-Vorwärtszähler (8,4,2,1) 21.3 Synchroner Modulo-5-Vorwärtszähler (4,2,1) 21.4* Synchroner Modulo-10-Zähler (Exzeß-3-Code-Vorwärtszähldekade) 21.7* Schrittmotoransteuerung Zählersynthese 22.1* Entwurf eines synchronen Modulo-5-Rückwärtszählers mit RS-Kippgliedern 22.2* Entwurf eines synchronen Modulo-5-Rückwärtszählers mit JK-Kippgliedern 22.3* Entwurf eines synchronen Modulo-6-Vorwärtszählers mit RS-Kippgliedern 22.4* Entwurf eines synchronen Modulo-6-Vorwärtszählers mit JK-Kippgliedern 22.5* Entwurf eines synchronen Modulo-6-Rückwärtszählers mit RS-Kippgliedern 22.6* Entwurf eines synchronen Modulo-6-Rückwärtszählers mit JK-Kippgliedern 22.7 Entwurf eines synchronen Modulo-12-Vorwärtszählers mit JK-Kippgliedern 22.8* Entwurf eines synchronen Glixon-Code-Zählers mit JK-Kippgliedern 22.9 Entwurf eines synchronen Aiken-Vorwärtszählers mit JK-Kippgliedern 22.10* Schrittmotoransteuerung: Vollschrittbetrieb, Rechtslauf 22.11* Schrittmotoransteuerung: Halbschrittbetrieb, Rechtslauf 22.12* Schrittmotoransteuerung: Voll- und Halbschrittbetrieb, Rechtslauf Registerschaltungen 23.1 Schieberegister bit-Auffangregister mit D-Kippgliedern Halbleiterspeicher 24.1* Codewandlung mittels Speicher-IC (RAM), Umwandlung des BCD-Codes (1, 2, 4, 8) in den Gray-Code 24.3* Schrittmotoransteuerung mit RAM Digital-Analogumsetzer 30.1 Digital-Analogumsetzer Anwendungen 31.1 Impulsserienweiche 31.2* Verkehrsampelsteuerung Übungen mit integrierten Schaltkreisen # Äquivalenzschaltung # Temperaturüberwachung # Pseudotetradenüberwachung # Wendeschützschaltung # RS-Flip-Flop mit NAND-Gliedern # Modulo-5-Rückwärtszähler # Modulo-5-Vorwärtszähler # Synchroner Modulo-12-Vorwärts-Zähler Hinweis: * Ergänzungsausstattung Ü 7.2 erforderlich # Ergänzungsausstattung Ü 7.2 und Ü 7.3 erforderlich 11

12 Der Digitaltrainer Grundgerät mit Logic-Board, daneben liegend das Multi-Board Der von ELWE entwickelte kompakte und sehr preisgünstige Digitaltrainer ermöglicht Schülern, Auszubildenden und Studenten ein schnelles, selbstständiges und praxisnahes Erlernen der Grundlagen der Digitaltechnik. Die stapelbare Box enthält die Stromversorgung, ein Signalgeberfeld, ein Anzeigefeld sowie zwei auswechselbare Boards mit ICs und IC-Fassungen. Der aufschnappbare Deckel ist mit einem Fach für die Verbindungsleitungen und das Zubehör versehen. Das besonders preisgünstige, kompakte Gesamtsystem ist leicht zu transportieren, erfordert wenig Arbeitsfläche und Aufbewahrungsplatz und kann in jedem Raum ohne spezielle Ausstattung eingesetzt werden. Das Logic-Board enthält ICs der Schaltkreisfamilie Low- Power-Schottky-TTL. Neben den ICs sind die zugehörigen Logiksymbole nach internationaler Norm abgebildet und mit 2-mm-Anschlussstiften versehen. Der Aufbau der zu untersuchenden oder entwickelten Schaltung erfolgt durch Verbinden der zugehörigen Logiksymbole. Das Multi-Board enthält 14- und 16-polige IC-Sockel mit Auszugshilfe und ein Steckbrett zum direkten Einfügen originaler, handelsüblicher ICs und Bauelemente wie z.b. Widerstände und Kondensatoren. Folglich können nicht nur Aufgabenstellungen der Experimentieranleitung, sondern auch Aufgabenstellungen nach eigener Wahl mit originalen, handelsüblichen Bauteilen praxisnah gelöst werden. 12

13 Grundgerät Logic-Board Grundgerät Das Grundgerät aus schlagzähem Kunststoff enthält die Spannungsversorgung, das Signalgeberfeld und das Anzeigefeld. Die mittlere Fläche dient zur Aufnahme des auswechselbaren Boards mit Schnellverschlussbefestigung. Der zugehörige aufschnappbare Deckel dient gleichzeitig zur Aufbewahrung des zweiten Boards und enthält ein Fach für die Verbindungsleitungen und das Zubehör (z.b. Bauteile). Technische Daten: Spannungsausgang: 5 V DC; 2 A (kurzschlussfest) Signalgeberfeld (Pulse Board): - 1 stufenlos einstellbarer Taktgenerator, 3 Bereiche: Hz, Hz, Hz - 2 dynamische Signalgeber, prellfrei - 8 statische Signalgeber, prellfrei, 2 Gruppen - Alle Ausgangssignale stehen nicht invertiert und invertiert zur Verfügung. Anzeigefeld (Indication Board): - 12 Logik-Zustandsanzeigen (LED) mit Treibern Segment-Anzeigen (13 mm) mit Vorwiderständen - 1 Logiktester mitt TTL-Pegelanzeige durch rote und grüne LED, zusätzlich 4-mm-Buchse für Prüfleitung - 1 Widerstandsgruppe R-2R-4R-8R - 2 Stromschienen (5 V und 0) Spannungsversorgung: 230 V AC, 50(60) Hz Abmessungen in mm: 350 x 85 x 285 (B x H x T) Masse: 1,67 kg Logic-Board Alle ICs sind auf IC-Sockel gesteckt und somit leicht auswechselbar. Die Rückseite des Boards ist mit einer stabilen Kunststoffhaube abgedeckt. Die Befestigung auf dem Grundgerät erfolgt mittels Schnellverschluss. Technische Daten (Bestückung): - 4 UND-Glieder, je 2 Eingänge - 4 UND-Glieder, je 4 Eingänge - 4 NAND-Glieder, je 4 Eingänge - 2 NAND-Glieder, je 4 Schmitt-Trigger-Eingänge - 2 NOR-Glieder, je 2 Eingänge - 3 ODER-Glieder, je 4 Eingänge - 6 Inverter - 4 JKT-Master/Slave-Flip-Flops mit S- und R-Eingängen fach D-Flip-Flop - 2 Volladdierer - 2 monostabile Kippstufen - 2 Potentiometer Abmessungen in mm: 325 x 20 x 140 (B x H x T) Masse: 0,37 kg Zubehör (im Lieferumfang enthalten): - 2 Kondensatoren, 4,7 µf - 10 Kondensatoren, 10 µf - 2 Kondensatoren, 47 µf - 2 Widerstände, 10 kω Multi-Board Multi-Board IC-Sockel und ein Protoboard ermöglichen die Anwendung handelsüblicher ICs und Bauteile entsprechend der Experimentieranleitung oder nach eigener Wahl. Die Rückseite des Boards ist mit einer stabilen Kunststoffhaube abgedeckt. Die Befestigung auf dem Grundgerät erfolgt mittels Schnellverschluss. Technische Daten (Bestückung): - 8 IC-Sockel (6 x 16-polig, 2 x 14-polig) mit gedrehten Präzisionskontakten und Auszugshilfe - 1 Protoboard: Steckbrett mit 290 Steckkontakten in 5er Gruppen, 4 Wahlleitungen - 20 Wahlleitungen vom Protoboard zu den IC-Sockeln polige Steckkontaktleiste nach DIN zum Aufstecken von Europakarten - Stromschienen (5 V und 0 V) oberhalb und unterhalb der IC-Sockel Abmessungen in mm: 325 x 20 x 140 (B x H x T) Masse: 0,42 kg 13

14 Der Digitaltrainer Satz Experimentierleitungen Die hochflexiblen Leitungen sind beidseitig mit Steckhülsen versehen. Unterschiedliche Farben ermöglichen einen übersichtlichen Schaltungsaufbau. 20 Stück, 6 cm, rot 20 Stück, 6 cm, blau 20 Stück, 6 cm, rosa 20 Stück, 12 cm, grün 20 Stück, 8 cm, gelb 15 Stück, 18 cm, grau 10 Stück, 24 cm, violett 10 Stück, 36 cm, braun 10 Stück, 60 cm, schwarz Experimentierleitungen Satz IC für Multi-Board integrierte Schaltkreise auf Schaumstoffzuschnitt in einer Kunststoffbox. bestehend aus: ULN 2003 A 74LS85 N 74LS189 74LS193 74LS295 74LS247 LM 358 N Satz IC für Multi-Board Verkehrsampelanlage Die Projektkarte wird mit der 31-poligen Steckerleiste auf das Multi-Board aufgesteckt. Ein anschauliches Straßenbild, 8 LEDs in den Ampelfarben rot, gelb und grün, ein der Fußgängerampel zugeordneter Tastschalter und ein weiterer Tastschalter zur Simulation einer Zählschleife in der Nebenstraße ermöglichen Aufgabenstellungen mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad und unterschiedlichem Lösungsansatz. Verkehrsampelanlage und Schrittmotor Schrittmotor Die Projektkarte wird mit der 31-poligen Steckerleiste auf das Multi-Board aufgesteckt. 4 LEDs im aufgedruckten Schnittbild des Schrittmotors signalisieren die Bestromung der einzelnen Wicklungen. Die Anzahl der ausgeführten Schritte des Schrittmotors (48 Schritte / Umdrehung im Vollschrittbetrieb) werden mit einem Zeiger, der mit der Schrittmotorachse verbunden ist, angezeigt. Die Experimentieranleitung enthält Aufgabenstellungen zur Ansteuerung des Schrittmotors mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad und unterschiedlichen Lösungsansätzen. 14

15 Experimentieranleitung Digitaltrainer Die Experimentieranleitung enthält Aufgaben- und Arbeitsblätter mit den dazugehörigen Lösungsblättern zu zahlreichen Aufgabenstellungen unterschiedlichen Schwierigkeitsgrades. DT Belegung der ICs Logische Elementarfunktionen DT UND-Glied DT ODER-Glied DT NICHT-Glied Analyse von Schaltnetzen DT Äquivalenzschaltung DT Antivalenzschaltung DT Volladdierer DT Analyse einer logischen Schaltung mittels einer Wahrheitstabelle Synthese von Schaltnetzen DT Halbaddierer DT Entwurf einer Logikschaltung zur Temperaturüberwachung DT Pseudotetradenüberwachung für den BCD-Code (8, 4, 2,1 ) DT Entwurf eines Code-Umsetzers von BCD in Aiken Logische Universalfunktionen DT NAND-Glied DT NOR-Glied DT UND-Verknüpfung, realisiert mit NAND-Gliedern DT Nachweis des Dualitätsgesetzes (De-Morgan-Theorem) DT ODER-Verknüpfung, realisiert mit NAND-Glied und NICHT-Gliedern DT NOR-Verknüpfung, realisiert mit NAND-Glied und NICHT-Gliedern DT Äquivalenzschaltung, realisiert mit NAND-Gliedern DT Antivalenzschaltung, realisiert mit NAND-Gliedern Kippglieder DT DT DT DT DT RS-Kippglied realisiert mit NOR-Gliedern J K- Kippglied Astabiles Kippglied D-Kippglied, einflankengesteuert Monostabiles Kippglied Zähleranalyse DT Dualer Vorwärtszähler DT Asynchroner BCD-Vorwärtszähler (8, 4, 2,1 ) DT Synchroner Modulo-5-Vorwärtszähler (4, 2,1) DT Synchroner Modulo-10-Zähler (Exzeß-3-Code-Vorwärtszähldekade) DT Schrittmotoransteuerung Zählersynthese DT Entwurf eines synchronen Modulo-5-Rückwärtszählers mit RS-Kippgliedern DT Entwurf eines synchronen Modulo-5-Rückwärtszählers mit JK-Kippgliedern DT Entwurf eines synchronen Modulo-6-Vorwärtszählers mit RS-Kippgliedern DT Entwurf eines synchronen Modulo-6-Vorwärtszählers mit JK-Kippgliedern DT Entwurf eines synchronen Modulo-6-Rückwärtszählers mit RS-Kippgliedern DT Entwurf eines synchronen Modulo-6-Rückwärtszählers mit JK-Kippgliedern DT Entwurf eines synchronen Modulo-12-Vorwärtszählers mit JK-Kippgliedern DT Entwurf eines synchronen Glixon-Code-Zählers mit JK-Kippgliedern DT Entwurf eines synchronen Aiken-Vorwärtszählers mit JK-Kippgliedern DT Schrittmotoransteuerung: Vollschrittbetrieb Rechtslauf DT Schrittmotoransteuerung: Halbschrittbetrieb Rechtslauf DT Schrittmotoransteuerung: Voll- und Halbschrittbetrieb Rechtslauf Registerschaltungen DT Schieberegister DT bit-Auffangregister mit D-Kippgliedern Halbleiterspeicher DT Codewandlung mittels Speicher-IC (RAM), Umwandlung des BCD-Codes (1, 2, 4, 8) in den Gray-Code DT Schrittmotoransteuerung mit RAM DT DT Digital-Analogumsetzer Impulsserienweiche Übungen mit integrierten Schaltkreisen DT Äquivalenzschaltung DT Temperaturüberwachung DT Pseudotetradenüberwachung DT Wendeschützschaltung DT RS-Flip-Flop mit NAND-Gliedern DT Synchroner Modulo-5- Rückwärtszähler DT Synchroner Modulo-5-Vorwärtszähler DT Synchroner Modulo-12-Vowärts-Zähler 15

16 Der GAL-Trainer Diskrete Logikbausteine, wie z.b. die 74xx-TTL-Serie, sind für ganz bestimmte elementare Funktionen ausgelegt. Für die Realisierung flexibler Schaltungen sind folglich häufig zahlreiche Typen und damit auch eine umfangreiche Lagerhaltung erforderlich. Die Packungsdichte (Funktionen/IC) ist gering, so dass die Platinen für komplexe Schaltungen groß und teuer werden. Deshalb wurden anwendungsprogrammierbare Logikbausteine (Programmable Logic Device, abgekürzt PLD) entwickelt, die seit 1984 explosionsartige Verbreitung finden und die diskreten Logikbausteine zunehmend verdrängen. Die Vorteile dieser Bausteine sind: höhere Integration mehr Flexibilität einfache Schaltungsentwicklung durch Softwareunterstützung kurze Entwicklungszeiten niedrige Kosten Um zu begreifen, was alles mit PLDs machbar ist, muss man zunächst die Struktur und Vorteile der anwendungsprogrammierbaren Logikbausteine verstehen. Aufbauend auf den Grundlagen der klassischen Digitaltechnik gewährleistet der von ELWE entwickelte GAL-Trainer in Verbindung mit dem Programmiergerät und der zugehörigen Software mit intuitiver Bedienungsoberfläche ein schnelles, wirkungsvolles, anschauliches und interessantes Eindringen in diese moderne Basistechnologie. Der Einsatz von GALs (Generic Array Logic), die im Gegensatz zu den nur einmal programmierbaren PALs (Programmable Array Logic) mehrfach programmierbar sind, gewährleistet vernachlässigbare Folgekosten. 16

17 Die logischen Verknüpfungen der Ein- und Ausgänge des GALs werden anhand des zu realisierenden Logikschaltplans mittels der GAL-Entwicklungs-Software als Funktionsgleichung in den PC eingegeben. Nach Simulation der Funktion des programmierbaren GALs durch Darstellung des Zeitablauf-Diagramms auf dem Bildschirm und Compilierung wird das GAL mittels GAL-Programmer programmiert. Anschließend wird das programmierte GAL in den GAL-Trainer eingesetzt und die Funktion praxisnah getestet. Steckkarten, wie z.b. Ampelanlage oder Schrittmotor, erlauben eine anschauliche Demonstration der Vorteile von programmierbaren Logikbausteinen. Ausstattung GAL-Trainer bestehend aus: GAL-Trainer Die logischen Schaltzustände aller Ein- und Ausgabepins des Schaltkreises werden durch LEDs angezeigt. 18 Kippschalter erlauben die Einstellung beliebiger Bitmuster an den Ein- bzw. Ausgabepins des eingefügten, programmierten Schaltkreises. Die E/A-Pins sind mit 2-mm-Buchsen und einem 50-poligen Steckverbinder für spezielle Experimentier-Steckkarten elektrisch verbunden. Der zuschaltbare Taktgenerator mit stufenlos einstellbarer Frequenz erzeugt wahlweise ein Taktsignal an dem CLK-Eingang des GALs oder an einem 9-Bit-Zähler zur Ansteuerung der GAL-Pins Technische Daten: IC-Steckplatz: für GAL16V8 Steckplatz: 50-polig für Steckkarten mit interessanten Anwendungsbeispielen Taktgenerator: 1 Hz khz, stufenlos einstellbar Überspannungsschutz: je Anschluß ±10 V DC Leistungsaufnahme: max. 8 W Spannungsversorgung: 230 V AC oder 115 V AC; 50(60)Hz Abmessungen in mm: 225 x 100 x 215 (B x H x T) Masse: 1,25 kg 17

18 Ausstattung GAL-Trainer GAL-Programmer Das Programmiergerät wird über die serielle Schnittstelle RS232 mit einem IBM-kompatiblen PC verbunden. Mit Hilfe der GAL-Entwicklungssoftware kann ein GAL-IC des Typs 16V8 programmiert werden. Ein 16-poliger Textoolsockel gewährleistet ein Einfügen und Entnehmen des GAL-ICs ohne Beschädigung. PC-Anschluss: RS232 Spannungsversorgung: 230 V AC oder 115 V AC; 50(60) Hz Abmessungen in mm: 135 x 60 x 190 (B x H x T) Masse: 0,6 kg GAL-Programmer und GAL-ICs GAL-IC (Typ GAL16V8) (4 Stück pro Ausstattung) Jedes GAL-IC kann bis zu 100mal programmiert werden. GAL - Entwicklungs-Software -D, GB Die Software ermöglicht die Erstellung, die Editierung, die Assemblierung und die Simulation von Programmcodes für GALs 16V8. Zur Programmierung des GALs wird der erforderliche JEDEC-Sourcecode generiert. Mittels des ELWE-GAL-Programmers kann das GAL direkt aus der Entwicklungsumgebung programmiert werden. Das Programm wird als DOS-Software mit SAA-Oberfläche geliefert. Hardwareanforderungen: Mindestens IBM PC 386 (oder kompatibler PC), DOS 3.3 oder höher, Hauptspeicher 1 MB, VGA-Grafikkarte, serielle Schnittstelle für GAL-Programmer. Optional ist das Programm mittels einer Maus zu bedienen. Der Betrieb unter Windows 3.x / 95 / 98 ist möglich. GAL - Entwicklungs-Software RS232-Schnittstellenleitung Netzanschlussleitung, 1,5 m; schwarz (2 Stück pro Ausstattung) 18

19 Zubehör: Steckkarte Ampelanlage Steckkarte 7-Segment-LED-Display Steckkarte Schrittmotor Die Steckkarten (nicht im Lieferumfang enthalten) können auf den 50-poligen Steckplatz des GAL-Trainers aufgesteckt werden. Sie ermöglichen die praxisnahe Lösung interessanter Steuerungsaufgaben unter Anwendung eines programmierbaren ICs. Ampelanlage, 7-Segment-LED-Display und Schrittmotor Experimentieranleitung GAL-Trainer GAL 05 GAL 06 GAL 07 GAL 08 Gerätebeschreibungen: GAL-Programmer GAL-Trainer Hinweise zur Didaktik und Methodik Literaturhinweise Informationsblätter Softwarebeschreibung Aufbau der GALs GAL 1.1 GAL 1.2 GAL 1.3 GAL 2.1 GAL 2.2 GAL 2.3 GAL 6.1 GAL 6.2 GAL 6.3 GAL 6.5 GAL 7.1 GAL 7.2 GAL 7.3 GAL 7.4 UND-Glied, ODER-Glied, NICHT-Glied; Musterlösung NAND-Glied, NOR-Glied EXOR-Glied, EXNOR-Glied Komparator Binär-BCD-Codewandler BCD-Binär-Codewandler RS-Flip-Flop RST-Flip-Flop D-Flip-Flop T-Flip-Flop Modulo-5-Vorwärtszähler 4-Bit-Binärzähler BCD-Vorwärtszähler 1,5stelliger BCD-Vorwärtszähler Numerischer Index Art.-Nr Seite , ,

20 Lehrsysteme für die zukunftsorientierte Aus- und Weiterbildung in Naturwissenschaft und Technik Ein Versuchsaufbau mit dem Experimentier-Plattensystem zur Digitaltechnik: Programmierbare Ansteuerung eines Schrittmotors Zu allen Versuchsthemen der Übungssysteme gibt es auch ein Experimentier-Plattensystem Digitaltechnik, das anschaulich die experimentelle Demonstration der Versuche ermöglicht. Ihre Angebots- und Preisanfragen richten Sie bitte an: Werk: ELWE-Lehrsysteme GmbH Elwestraße 6 Tel. (05306) vt@elwe.com D Cremlingen / Schandelah Fax (05306) Internet: Änderung der Ausführung vorbehalten! wp /02 Printed in Germany