E l e k t r o n i k I

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1 Fachhochschule Südwestfalen Hochschule für Technik und Wirtschaft E l e k t r o n i k I Dr.-Ing. Arno Soennecken EEX European Energy Exchange AG Neumarkt Leipzig Vorlesung Digitale Schaltungen im WS 2002/03 Elektronik I Mob.: (+49)173/ Fax: (+49)341/ arno.soennecken@eex.de

2 5. Digitale Schaltungen Begriffliche Abgrenzung zw. analoger und digitaler Signalverarbeitung analog (gr.: entsprechend, ähnlich) digital (ziffernmäßig, mehrwertig) Analoge Schaltungstechnik: Signalverarbeitung mit Vergleichsgrößen das steuernde Signal bestimmt mit seiner Größe nach gegebener Gesetzmäßigkeit die Ausgangsgröße jedem Wert der steuernden Eingangsgröße ist ein bestimmter Betrag der Ausgangsgröße zugeordnet Analoge Signale haben meistens einen kont. Verlauf Folie 2 (WS 2002/03)

3 Digitaltechnik: Fast ausschließlich zweiwertige Signale (binär oder dual) Drei- und mehrwertige Signale untergeordnete Bedeutung Demnach kennt das binär-digitale Signal zwei elementare Zustände: Signal vorhanden Signal nicht vorhanden Die Wertigkeit einer digitalen Information wird mit Null ( 0 ) oder Eins ( 1 ) gekennzeichnet Häufig findet man bei binären elektrischen Größen die Zuordnung der zwei möglichen Wertbereiche: 0, L-Signal: tieferer Spannungspegel 1, H-Signal: höherer Spannungspegel Folie 3 (WS 2002/03)

4 Struktur einer digitalen Steuerung: Folie 4 (WS 2002/03)

5 5.1 Digitale Signalgeber Signalgeber (Initiatoren) arbeiten häufig kontaktlos bzw. berührungslos (relativ verschleißfrei, Wartungsfreiheit): z.b. induktiv, magnetische, kapazitive, optoelektronische Signalgeber Induktiver Geber... Sprechen beim Annähern von elektr. leitenden Gegenständen an Skizzierung der Funktionsweise: Oszillator schwingt mit einer Frequenz, die durch den Schwingungskreis C 1 L 1 bestimmt ist, wenn keine Annäherung erfolgt am Trigger wirkt die Wechselspannung des Oszillators auf R 4, n 1 & C 2 die negative Halbwelle lädt C 2 auf; die positive Folie 5 (WS 2002/03)

6 Halbwelle wird durch die Diode n 1 gesperrt C 2 behält sein negatives Potential T 2 sperrt T 3 leitet am Ausgang liegt L-Signal Nähert sich ein elektr. Leitender Gegenstand dem magnet. Stromfeld, bilden sich in ihm Wirbelströme aus, die dazuführen, dass die Rückkopplung über T 1 und L 2 kleiner eins wird Schwingungen des Oszillators setzen aus Kondensator kann sich über R 6 und R 8 entladen, so dass Ausgang auf H-Potential liegt; Genauigkeit der Ansprechwerte induktiver Geber: 0,1 mm Kapazitiver Signalgeber diese Signalgeber kommen zum Einsatz, wenn die zu messende Größe die Kapazität des Kondensators verändert Veränderung der Fläche bzw. Plattenabstand oder des zugehörigen Dielektrikums Folie 6 (WS 2002/03)

7 Skizzierung der Funktionsweise: Strom durch Kondensator hängt nur von seiner Kapazität ab (Frequenz und Ausgangsspannung des Oszillators konst.); durch Annäherung bzw. Berühren der Tastfläche mit einem Gegenstand ändert sich die Kapazität Änderung des Differenzstromes (i 1 -i 2 ) in Brückenkreis und damit wird Trigger angesteuert (s.o.) Optoelektronischer Signalgeber Die höchste Empfindlichkeit der optoelektr. Bauelemente liegt vielfach im infraroten oder ultravioletten Bereich In digitalen Schaltungen kommen bevorzugt Fotodioden bzw. Fototransi storen zum Einsatz (Ursache hohe Grenzfrequenzen, Anstiegszeiten des Fotostroms liegen im ns-bereich) Folie 7 (WS 2002/03)

8 Passive Bauelemente: Fotowiderstände Aktive Baulemente: Fotoelemente (lichtabhängige Spannungs- bzw. Stromquellen) Fotodiode in Sperrichtung arbeitet als lichtabhängiger Widerstand (s. zwei Beispiele) letztes Prinzip ist am besten für relative bzw. inkrementale Maßverfahren geeignet 5.2 Verknüpfungsglieder Aus logischen oder booleschen Grundverknüpfungen zweier oder mehrerer Größen lassen sich in der Regel andere Verknüpfungen ableiten;z.b. durch Negation: AND-Funktion NAND-Funktion OR-Funktion NOR-Funktion usw. Notwendig sind aber auch Speicher, Register, Zähler und Zeitglieder Folie 8 (WS 2002/03)

9 Folie 9 (WS 2002/03)

10 Inverter (NOT-Funktion) als Grundbaustein digitaler Schaltungen diskrete Schaltung Schaltzeichen: alt, neu Antivalenz oder Exklusiv-OR Ausgang H-Pegel, wenn Eingangssignale E 1 & E 2 unterschiedlich A = (E 1 E 2 ) (E 1 E 2 ) Folie 10 (WS 2002/03)

11 Aquivalenz-Funktion Ausgang H-Pegel, wenn Eingangssignale E 1 & E 2 gleich A = (E 1 E 2 ) (E 1 E 2 ) Rechenregeln für logische Verknüpfungen Kommutatives Gesetz der Konjunktion oder der Disjunktion A B = B A A B = B A Assoziativgesetz der Konjunktion oder der Disjunktion A (B C) = (A B) C A (B C) = (A B) C Distributivgesetze A (B C) = (A B) (A C) A (B C) = (A B) (A C) Gesetz nach De Morgan (Umgang von Negationen) A B = A B A B = A B Folie 11 (WS 2002/03)

12 5.3 Schaltkreisfamilien DTL-Technik(Diode-Transistor- Logik) Eingangsdioden erhöhen mit ihren Schleusenspannungen den Signalhub und entkoppeln die Eingangssignale Für höheren Störabstand können eine oder mehrere Dioden n 4 zum Einsatz kommen Versorgungsspannung: V DTLZ-Technik (Diode-Transistor- Logik mit Zener-Effekt) Versorgungsspannung: V (High Level Logic) Folie 12 (WS 2002/03)

13 Hubdiode n 4 wird durch Z-Diode ersetzt Durch Z-Diode Störabstand ~ 5 V, geringere Temperaturanhängigkeit (Industrieelektronik) TTL-Technik (Transistor-Transistor-Logik) Versorgungsspannung: V Multiemittertransistor anstelle der Eingangsdioden Einfachere Herstellung Schnellere Schaltzeiten (Umladevorgänge der Sperrschicht- & Diffusionskapazitäten entfallen) 6 ns Gegentakt-Ausgangsstufe (T 3 & T 4 ) in beiden Schaltzuständen hochohmig, auch bei kapazitiven Lasten gute Treibereigenschaften Folie 13 (WS 2002/03)

14 ECL-Technik Emittergekoppelte Schaltung (Emitter-Coupled-Logic) ist ungesättigte Schaltung: keine Übersteuerung der Transistoren, sie arbeiten im linearen Bereich bzw. im Sperrbereich; Verzögerungszeiten ~ 1ns (keine übersch. Basisladungen!) Eingangsteil: Differenzverstärker; Ausgangsteil: invertierender & nicht invertierender Ausgang (Emitterfolger, Spannungsdifferenz: 600 mv zwischen Ausgang und Basispotential Relativ hoher Leistungsverbrauch Versorgungsspannung: -5 V Folie 14 (WS 2002/03)

15 HLL-Technik Versorgungsspannung: V (High Level Logic) Hoher statischer Störabstand Kann in unmittelbarer Nähe von Motoren & Leistungsschaltern und über langen Leitungen arbeiten Schaltzeiten ~ 100ns MOS-Technik (NMOS und CMOS-Technik) MOS-Technik (Metal Oxid Semiconductor); hohe Funktionsdichte (geringer Platzbedarf), niedrige Verlustleistung NMOS: V CMOS: V (komplementäre MOS-FET s) Folie 15 (WS 2002/03)

16 Folie 16 (WS 2002/03)

17 5.4 Flipfloparten Speicher bzw. Flipflops dienen i.d.r. der vorübergehenden oder dauerhaften Zustandsspeicherung Bestimmte Zusammenschaltungen von Flipflops eignen sich zum Aufbau von Zählern und Registern Beispiel für ein Grundflipflop: bistabile Kippstufe; Flipflop kann aus NORoder NAND-Gatter in der dargestellten Weise realisiert werden R=S=L beim NAND-Flipflop nicht zulässig! Diese Grundflipflops nennt man auch ungetaktete Flipflops bzw. auch asynchrone Kippstufen Folie 17 (WS 2002/03)

18 Eine andere Flipflopart sind taktgesteuerte, synchrone oder auch sequentielle Schaltungen. Erst der Taktimpuls löst die Umschaltung aus. Warum der Wandel von asynchronen zu synchronen Schaltungen? Bei Serienbetrieb sind asynchrone zu langsam und zudem störanfälliger Synchrone Schaltungen haben sich bei der Einführung monolithisch integrierter Schaltungen durchgesetzt. RS-Flipflop... läßt sich realisieren, indem man am Eingang des RS-Grundflipflops zwei NAND-Gatter vorschaltet (s.r.; Funktion eines Tors) Folie 18 (WS 2002/03)

19 Wahrheitstabelle des RS-Flipflops: R S C Q Q Bemerkungen L L L L L H L H L Schaltungszustand bleibt erhalten Schaltungszustand bleibt erhalten Schaltungszustand bleibt erhalten L H H H L setzen H L L H L gesetzt H L H L H löschen H H L L H gelöscht H H H H H nicht erlaubter Zustand Folie 19 (WS 2002/03)

20 Flipflops mit Taktflankensteuerung Im Bild ein Beispiel für ein Flipflop, das auf eine negative Signalflanke anspricht Im Gegensatz zu den vorgenannten Flipflops übernimmt die Steuerung hier nicht ein statisches sondern ein dynamisches Signal (Taktflanke) sog. Trigger-Flipflop Prinzip der Taktflankensteuerung beruht auf Zwischenspeicherung der Eingangssignale: zw. Eingangslogik und Ausgangsflipflop wird ein Zwischenspeicher geschaltet (z.b. RC- Kombination oder Grundflipflop) Folie 20 (WS 2002/03)

21 Master-Slave-Flipflop (MS-Flipflop)... sind Schaltungen mit Zwischenspeicher also ein Flipflop mit Taktflankensteuerung Im Gegensatz zum RS-Flipflop sind beim JK-MS-Flipflop alle Eingangskombinationen zulässig Steuerung durch negative Taktflanke Für Funktionsweise wesentlich: (1) Kombination der Eingangslogik mit den rückgekoppelten Ausgängen Q bzw. Q; (2) jeweilige Zustandsübernahme vom Masterdurch das nachgeschaltete Slave- Flipflop Folie 21 (WS 2002/03)

22 Folie 22 (WS 2002/03)

23 5.5 Analog-Digital- & Digital-Analog-Umsetzer Analog-Digital-Umsetzer (ADU) Umformung einer physikalischen Größe von der analogen in die digitale Darstellungsform z.b.adu nach dem Zeitverfahren: Z = f p t t u e Meßgenauigkeit: 0,1 % des Endwertes Folie 23 (WS 2002/03)

24 ADU nach dem Doppelintegrationsverfahren (Dual- Slope-Converter): u a = - 1 R 1 C f U e T 1 T 2 (Entladezeit) U e U ref T 1 Z = f p T 2 Meßgenauigkeit: 0,01 % Folie 24 (WS 2002/03)

25 ADU mit schrittweiser Annäherung (Sukzessiv-Approximationswandler): Speicherung von U e mit Halteglied während der Umsetzungszeit der Eingangsgröße in die digitale Form 173: Wertigkeit Auswertung Diff. 1. Schritt: Q 7 = = < 173 Q 7 = 1 (45) 2. Schritt: Q 6 = = > 45 Q 6 = 0 3. Schritt: Q 5 = = < 45 Q 5 = 1 usw. Trotz der vielen Rechenschritte ist Verfahren schneller als Integrationsverfahren Typ. Umsetzungszeit dieser Wandler: ~ µs (Wandler m. Integrationsverfahren: ~ ms) Folie 25 (WS 2002/03)

26 Digital- Analog-Umsetzer (DAU) Umformung eines digitalen Wertes in die analoge Darstellungsform Analoge Ausgangsgröße der Schaltung (s. Bild 4.7-1): I a = I 0 + I 1 + I 2 + I 3 Q 0... = U ref R + 2 Q 1 R + 4 Q 2 R + 8 Q 3 R (für ausreichende Linearität wesentl. R i << R) Folie 26 (WS 2002/03)

27 DAU mit Kettenleiter und Umkehraddierer: Ströme in den Zweigen des Kettenleiters verhalten sich wie die Wertigkeit einer Dualzahl Bei idealem OP (u.a. U e 0 und I e 0): U a = -I ges R f = - (I 0 + I 1 + I 2 + I 3 ) R f Folie 27 (WS 2002/03)

28 DAU mit CMOS-Schalter: vom Prinzip w.o. Kettenleiter mit CMOS-Schaltern und zugehöriger Beschaltung als integrierte Schaltung erhältlich CMOS-Schalter (äußerst hochohmig! ) Folie 28 (WS 2002/03)

29 Folie 29 (WS 2002/03)