Bericht. Digitallabor. Hochschule Karlsruhe N1. Aufgabe 5.6 Stoppuhr. Teilnehmer: Natalia Springer, Tong Cha. Datum:

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1 Bericht Digitallabor Hochschule Karlsruhe N1 Aufgabe 5.6 Stoppuhr Teilnehmer: Natalia Springer, Tong Cha Datum:

2 Dekadenzähler Aufgabe: Es soll ein 4 Dekaden- Zähler entworfen werden, dessen Zählerstand mit den 7-Segment- Anzeigen DIG1..DIG4 angezeigt wird. Der Zähler soll die Eingänge RES und EN besitzen. Es gelten die folgenden Zuordnungen: RES = 0: Zählen (wenn EN = 1) RES = 1: Reset (Q = 0000) EN = 0: Kein Zählen EN = 1: Zählen Der Zähler wird mit dem Takt CLK0 angesteuert. RES wird mit dem Schalter S1, EN mit dem Schalter S2 erzeugt. Überlegung und Vorgehensweise: Der 4 Dekadenzähler wird in ABEL mit mehreren einzelnen Funktionsblöcken realisiert, die zusammengeschaltet werden: 1. Der Dekadenzähler Um die Zahlen von 0 bis 9 zu erzeugen, wird ein Zähler- Funktionsblock benötigt: Er besitzt die Eingänge CLK0, EN und RES, sowie die Ausgänge Q3 Q0 und CY. Es werden insgesamt vier 7-Segment-Anzeigen angesteuert, die in der Lage sein müssen, jeweils unterschiedliche Zählerstände anzuzeigen. Daher werden ebenfalls 4 Zählerblöcke dieser Art benötigt. 2

3 Im Schematic- Editor wird zunächst folgender Funktionsblock mit entsprechenden Ein- und Ausgängen erstellt: Er wird mit folgendem ABEL- Code gefüllt: Der einzelne Dekadenzähler zählt bei anliegendem EN = 1 von Null aufwärts, dabei erfolgt der Übergang in den jeweils nächsten Zustand lediglich dann, wenn ein Taktsignal anliegt. Ist EN = 0, so bleibt der aktuelle Zustand erhalten, bis EN wieder aktiv ist. Wird die 9 erreicht, so springt der Zähler wieder auf den Zustand Null. Bei diesem Vorgang wird das Signal CY = 1 ausgegeben, ansonsten ist CY = 0. Auf die undefinierten Zustände Q = 10 bis Q = 15 folgt stets Null. 3

4 Es werden insgesamt vier derartige Zähler im Schematic- Editor erstellt und folgendermaßen zusammengeschaltet: Der oberste Block steuert DIG4 (0-9) an, der zweite DIG3 (Zehner), der dritte DIG2 (Hunderter) und der unterste DIG1 (Tausender). Geht ein Block vom Zustand Q = 9 auf Q = 0 über, so gibt er das Signal CY = 1 aus. Dieses Signal wird jedoch in den Takteingang des nächsten Blocks geleitet. Auf diese Weise wird folgende Funktion ermöglicht: Bsp.: DIG3 DIG

5 2. Der Multiplexer Dem Treiber für die 7-Segment-Anzeigen kann zu einem Zeitpunkt nur eine Ziffer (Z0..Z3) übergeben werden. Die Anzeige wird selektiert mit DIG1..DIG4. Jede Dekade muss sukzessive zum Treiber durchgeschaltet werden. Der Vorgang muss sich laufend wiederholen. Damit der aktuelle Zählerstand auch dem angezeigten Zählerstand entspricht, muss die Umschaltung rasch erfolgen. Hierfür wird im bestehenden Schematic- Sheet ein weiterer Funktionsblock erstellt, der der Funktionsweise eines Multiplexers entspricht: Die Realisierung in ABEL- Schematic: Der Funktionsblock MUX3 wird mit nebenstehendem Code definiert: Das Feld A ist der Dateneingang des ersten Zählers (0-9), B des zweiten Zählers (Zehner), C des dritten Zählers (Hunderter) und D des vierten Zählers (Tausender). Mit N1 und N0 wird ausgewählt, welches Feld jeweils zum Ausgang Z und damit zum Anzeigentreiber durchgeschaltet wird. 5

6 3. Der 2 Bit- Zähler Ein weiterer Funktionsblock wird direkt an den Multiplexer angeschlossen, der dessen Eingangsdaten N1 und N0 steuert. CLK1 wird mit einem 100 Hz-Takt verbunden und hat als Ausgangssignale M1 und M0, die zu den Eingängen N1 und N0 des Multiplexers führen. Der Block ZAEHL4 zählt konventionell von 0 auf 3 wiederholend: 4. Der 2- zu- 4- Decoder Schließlich wird ein Decoder erstellt, der die einzelnen 7- Segment- Anzeigen ansteuern soll. Er erhält das gleiche Zählsignal wie der Multiplexer. M1 und M0 des 2- Bit- Zählers werden ebenfalls in die Eingänge S1 und S0 des Decoders geführt. 6

7 Sein Baustein wird wie folgt definiert: Zusammenfassung: Nach Zusammenschalten aller Funktionsblöcke erhält man folgendes Schaltbild: 7

8 5.6.2 Stoppuhr Aufgabe: Wird der 4 Dekaden-Zähler aus Teil 1 mit CLK0 = 100 Hz beaufschlagt, so inkrementiert der Zähler im Abstand von 10 ms. Der Dezimalpunkt DP der Anzeige soll aktiviert werden. Er befindet sich in der Mitte der 4 Ziffern und trennt somit Sekunden und Millisekunden. Man erhält damit eine Stoppuhr. Mit RES wird die Uhr auf s gesetzt. Start und Stop erfolgen mit EN. Überlegung und Vorgehensweise: Um den Dezimalpunkt zu aktivieren wird lediglich der Decoder von Aufgabe 1 modifiziert: DEC erhält nun ein weiteres Ausgangsignal DP. Im Code wird dieses Signal auf DP = 1 gesetzt: 8

9 DIG1 soll nun nur von 0 bis 5 zählen. Dafür wird der zuständige Zähler wie folgt definiert: Nachdem der Zähler (DIG1) Q = 5 erreicht hat, geht er in den Zustand Q = 0 über. Auf diese Weise wird die Anzeige des 60- Sekunden Intervalls realisiert. 9

10 5.6.3 Messung der Fahrtzeit bei Modellautos Aufgabe: Zur Messung der Fahrtzeit bei Modellautos ist ein U-Profil von ca. 1 m Länge vorhanden. Nach dem Start des Autos durchläuft es eine Lichtschranke, kurz vor dem Ende der Strecke durchläuft es eine zweite Lichtschranke. Die beiden Lichtschranken erzeugen die Signale LS1 (Start) und LS2 (Stop). Beide Signale sind low-aktiv. Das Verbindungskabel der "Rennstrecke" wird mit dem Stecker auf der linken Seite des MACH Demoboards verbunden. LS1 ist mit Schalter S9 gekoppelt, LS2 mit Schalter S10. Damit LS1 und LS2 zum MACH M4 durchgeschaltet werden, müssen sich beide Schalter in der Stellung "1" (nach oben) befinden. Die Stoppuhr aus Teil 2 soll so modifiziert werden, dass sie mit den Signalen START und STOP gestartet bzw. gestoppt wird. Beide Signale sollen low-aktiv sein. START wird durch Schalter S9 erzeugt, STOP durch Schalter S10. Überlegung und Vorgehensweise: Um die Signale START und STOP in die Schaltung einzubringen, wird bei der Schaltung aus Teil 1 das Enable- Signal EN am ersten Zählerblock modifiziert. 10

11 Die Signale START und STOP werden über ein RS- Flip Flop initiiert. Da beide Signale lowaktiv sind, wird an den Eingängen R und S ein Inverter zugeschaltet. Das Flip Flop erhält den 100 Hz- Takt, der auch den 2- Bit- Zähler aus Teil 1 taktet. Die Funktionstabelle des Flip Flops hinsichtlich der entsprechenden Signale: Ist START = 0 (wenn auch nur sehr kurz), dann hat der Zähler so lange das Signal EN = 1 bis STOP = 0 ist. D. h. die Stoppuhr beginnt zu zählen, sobald das Modellauto die START- Lichtschranke durchfährt und hört auf, sobald es die STOP- Lichtschranke erreicht. Theoretisch kann der irreguläre Zustand START = 0 und gleichzeitig STOP = 0 nicht auftreten, da das Modellauto stets erst die eine und danach die andere Lichtschranke durchfährt und nicht beide gleichzeitig. 11

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