Entwicklung und Bau eines elektronischen Bausteins für die Addition - Design and construction of an electronic module for adding -

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1 Entwicklung und Bau eines elektronischen Bausteins für die Addition - Design and construction of an electronic module for adding - vorgelegt von Julia Honerkamp Kinderhaus Münster 0251/ JuliaHo@t-online.de Matrikelnummer: Institut für Technik und ihre Didaktik Themensteller: Prof. Dr. Chr. Hein Zweitgutachterin: Dr. M. Schramm Wintersemester 2008/2009 Abgabetermin:

2 Gliederung 1. Einleitung S Zielsetzung S Entwicklung und Bau S Vorüberlegungen S Entwicklung des Layouts S Bau des Bausteins S Fazit S Abbildungsverzeichnis S Literaturverzeichnis S. 24 1

3 1. Einleitung Innerhalb der letzten Jahrzehnte hat die Digitaltechnik sehr an Bedeutung gewonnen. Im 17. Jahrhundert hatte dieser Komplex mit der Erfindung der ersten mechanischen Rechenmaschinen schon einige Beachtung erhalten. Als in der Mitte des 19. Jahrhunderts die Boole sche Algebra erfunden wurde, erhielt die Digitaltechnik auch eine theoretische Basis. 1 Derzeit wird die Digitaltechnik als die grundlegende Technik der Informationsgesellschaft angesehen 2. Die Digitaltechnik beschäftigt sich mit der Verarbeitung digitaler Signale. Als Weiteres befasst sie sich mit der Umsetzung von analogen in digitale und von digitalen in analoge Signale. Diese Umsetzung ist die sekundäre Aufgabe der Digitaltechnik und daher notwendig, da die Welt nur analoge Signale erhält. Somit ist die Digitaltechnik ein Teilgebiet der Elektronik und Informationstechnik zur Erfassung, Darstellung, Verarbeitung und Übertragung digitaler Signale. 3 Auch können durch diese Umsetzung digitale Schaltungen entwickelt werden. Solche Schaltungen bestehen hauptsächlich aus Elementen der Formalen Logik, welches unter Abschnitt 3.1. noch genauer erläutert wird. Die große Bedeutung der Digitaltechnik lässt sich zum einen auf die einfache Reproduzierbarkeit von Schaltungen zurückführen. Ein weiterer Aspekt ist, dass die Produzierbarkeit im Vergleich zu analogen Schaltkreisen deutlich einfacher ist. Sonstige Gründe, die für die Digitaltechnik sprechen, sind die hohe Integrationsdichte der integrierten Schaltkreise, die im Rahmen der Auflösung garantierte Genauigkeit und die große Fehlersicherheit. 4 Zahlen können demnach auf diesem Gebiet einfacher und vor allem ohne Verluste der Genauigkeit festgehalten und weiterverarbeitet werden. Aufgrund der sich immer weiter entwickelnden Technik, wächst auch zunehmend die Bedeutung des technischen Unterrichts in den Schulen. Vor allen in den Jahrgangsstufen 9 und 10 ist die Digitalelektronik gemäß den 1 vgl. Taschenbuch Digitaltechnik. Hrsg. von Christian Siemers und Axel Sikora. 2., vollständig überarbeitete Auflage. München: Carl-Hanser Verlag S ebd. S ebd. S vgl. ebd. S

4 Richtlinien des Technikunterrichts von Nordrhein-Westfalen als Unterrichtsgegenstand vorgesehen. Doch auch in der Grundschule steigt das Interesse an Technik stetig. Alleine durch den gegenwärtigen Umgang mit Computern bekommen Kindern schon in jungen Jahren erste Erfahrungen mit technischen Systemen. Da nun Technik in der Grundschule, sowie in der Haupt- und Realschule unterrichtet werden soll, ist die Lehrerausbildung fast identisch. So erhält ein Lehramtsanwärter für die Grundschule ebenfalls die Befähigung, in der Haupt- oder Realschule Technik als Fach zu unterrichten. Demzufolge ist das Institut für Technik und ihre Didaktik sehr darum bemüht, einen möglichst großen Teil theoretischen Wissens auch praktisch zu veranschaulichen. Hierfür sind zahlreiche Praktika in Ergänzung zu den einzelnen Seminaren angesetzt. Um nun vor allem in der Informationstechnik die einzelnen Schaltungen und Systeme der Formalen Logik passend demonstrieren zu können, setzt man so genannte Bausteine ein. Mit Hilfe dieser Bausteine kann man die Funktionen der einzelnen Schaltkreise und die Werte der jeweiligen Einund Ausgangsgrößen darstellen. Solche Platinen sind im Institut für die logischen Funktionen schon vorhanden. Diese Arbeit beschäftigt sich nun mit einer Schaltung, die als einfachstes Beispiel für die Addition zweier Dualzahlen bekannt ist: die Schaltung des Halbaddierers. Da vor allem in der Einführungsveranstaltung zur Informationstechnik auf diese digitale Schaltung eingegangen wird, ist der Bau eines Bausteins, der genau die einzelnen Verknüpfungen verdeutlichen soll, sehr sinnvoll und praktikabel. 2. Zielsetzung Mit Hilfe des neuen Experimentiersystems soll es ermöglicht werden, die Addition zweier Binärzahlen zu veranschaulichen. Dieses System soll in den Veranstaltungen zur Informationstechnik zur Geltung kommen. Das Institut für Technik und ihre Didaktik legt viel Wert darauf, theoretisches Wissen auch praktisch erfahrbar zu machen. So wird in fast allen Veranstaltungen ein zusätzliches Praktikum angesetzt, das sich gerade mit dieser praktischen Umsetzung befasst. Hierfür sind solche Bauelemente, wie beispielsweise der Halbaddierer, aber auch die unterschiedlichen logischen 3

5 Schaltungen, von großer Bedeutung. Anhand dieses Bauelements kann nun das theoretische Wissen, welches in den Veranstaltungen erworben wurde, in einzelnen Übungen praktisch angewandt werden. Dadurch kann man dieses Wissen noch zusätzlich erweitern und vertiefen. Mit Hilfe dieser Visualisierung werden die elementaren wie aber auch die komplexen Funktionen der digitalen Signal- und Datenverarbeitung für die Studierenden erfassbar gemacht. Eine eigene praktische Auseinandersetzung führt zu einem besseren Verständnis und ist gerade für Lehramtsanwärter von großem Vorteil. Da ein Bauelement, dass die Addition zweier Binärzahlen verdeutlicht, im Institut noch nicht vorhanden ist, ist es wichtig, dieses, aufbauend auf vorhandene und im Aufbau ähnelnde Systeme, zu konstruieren. Primär soll es bei dieser Konstruktion darum gehen, dass die einzelnen Schritte des komplexen Systems, also die einzelnen Schaltungen und ihrer Ergebnisse, sichtbar und leicht nachvollziehbar gemacht werden. Erst dadurch kann eine Verbesserung des Wissens durch dieses Element gegeben werden. Damit es eine hohe Lebensdauer haben soll, ist es ebenfalls wichtig, auf einen robusten und stabilen Aufbau zu achten. 3. Entwicklung und Bau 3.1. Vorüberlegungen Um einen Baustein zu entwickeln, muss man sich zunächst überlegen, was genau mit diesem Element verdeutlichen werden soll. Da es sich bei dieser Arbeit um eine Weiterentwicklung eines schon zuvor neu entworfenen Experimentiersystems handelt, wurden die dort angegebenen Maße größtenteils übernommen. Der Baustein soll die Addition zweier Dualzahlen verdeutlichen. Es handelt sich also um die Umsetzung eines Halbaddierers. In einem technischen System können die Eingangsgrößen auf unterschiedliche Weise miteinander verknüpft werden. Man erhält somit eine bestimmte Ausgangsgröße. In der Digitaltechnik wird dieses mit dem Begriff Formale Logik beschrieben. Die logische Funktion beschreibt demnach den Zusammenhang, der zwischen der Erfüllung einer oder mehrerer Bedingungen und dem Ergebnis steht 5. Die Eingangsgrößen 5 Technik. Hrsg. von Prof. Dr. Elke Hartmann und Prof. Dr. Christian Hein. 2., aktualisierte Auflage. Mannheim: Paetec 2004 (= Duden. Basiswissen Schule). S

6 können mit dem logischen UND oder dem logischen ODER verknüpft werden. Um diese Eingänge umzukehren, wird die NEGATION angewendet. Anhand der drei Grundfunktionen sind noch weitere Funktionen abgeleitet worden: die NAND- Funktion (NICHT-UND), die NOR-Funktion (NICHT-ODER), die XOR-Funktion (Exclusiv-Oder) sowie die Äquivalenz (Gleichheit). Mit Hilfe der logischen Grundfunktionen können auch verschiedene Rechenoperationen durchgeführt werden. Bei Rechenschaltungen werden zwischen den dual kodierten Eingangsgrößen logische Verknüpfungen erzeugt, die einer Rechenoperation entsprechen. Das einfachste Beispiel für eine digitale Rechenschaltung ist der so genannte Halbaddierer. Der Halbaddierer ist ein Schaltnetz für die Addition zweier Dualzahlen. Zwei Eingänge werden durch mehrere Funktionen so miteinander verknüpft, dass es zu zwei Ausgängen kommt: ein Ausgang drückt die Summe der Addition, also die Zahl Z, der andere Ausgang den Übertrag Ü aus. Die logischen Funktionen können durch mehrere Möglichkeiten beschrieben werden: durch eine Funktionstabelle, eine logische Gleichung, ein Schaltzeichen und eine Schalterrealisierung Die Funktionstabelle enthält alle Werte der Eingangsgrößen und den Wert der daraus resultierenden Ausgangsgröße 6. Mit Hilfe der logischen Gleichung wird der Zusammenhang zwischen Eingangsgröße und der Ausgangsgröße mit den einzelnen Verknüpfungssymbolen dargestellt 7. Das Schaltzeichen enthält die Darstellung der jeweiligen Funktion mit einem bestimmten Symbol. Anhand der Schalterrealisierung kann die Funktion mit Hilfe von Schaltern ausgedrückt werden. Für die Schaltung des Halbaddierers ergeben sich demnach folgende Beschreibungen: 6 Technik. S vgl. ebd. S

7 Funktionstabelle: Fall A B Ü Z Logische Gleichung: Z = ( A B ) ( A B ) Ü = A B Logikplan: A B 1 & >1 Z 1 & & Ü Um nun eine Platine zu konstruieren, die die Funktion des Halbaddierers verdeutlichen soll, muss man sich zunächst bewusst machen, welche Schaltkreise und welche weiteren Bauelemente dafür notwendig sind. Zur Hilfestellung kann man sich das Logikschema des Halbaddierers zur Hand nehmen. Daran lassen sich schon die nötigen Schaltkreise erkennen: ein NAND-Schaltkreis, ein UND-Schaltkreis und ein ODER-Schaltkreis. Den NAND-Schaltkreis benutzt man, um zunächst die Eingänge zu negieren. Anhand der Leiterplatte soll die Funktion des Halbaddierers aufgezeigt werden, sprich beide Summanden Zahl und Übertrag. Zusätzlich sollen aber 6

8 auch die einzelnen Zwischenschritte, also jeder Ausgang jeder Verknüpfung, mit einer LED gekennzeichnet werden. Somit werden auf der Leiterplatte auch die Ausgänge der UND-Verknüpfung von A und B durch eine LED verdeutlicht. Für die weiteren Funktionen gilt dasselbe. Anhand dieser LEDs soll sofort ersichtlich werden, ob nun der Ausgangswert der einzelnen Funktionen 1 oder 0 ist. Wäre der Wert 1, würde die LED leuchten. Die Leiterplatte soll somit, neben den notwendigen Schaltkreisen, 8 LEDs enthalten. Da die LEDs jedoch nur einen gewissen Strom zulassen, müssen vor ihnen noch zusätzlich Widerstände geschlossen werden. Durch diese Widerstände wird der Strom begrenzt und ein Spannungsabfall erzeugt. Anhand einer Formel lassen sich die für die LEDs und den Betriebsstrom passenden Widerstände bestimmen. Sie betragen demnach 390 Ω. Da diese Leiterplatte an ein zuvor entworfenes Experimentiersystem angepasst werden soll, ist es notwendig, diese mit Steckverbindungen zu versehen. Dadurch wird später ermöglich, die unterschiedlichen Leiterplatten miteinander zu verbinden. Zusätzlich zu den Steckverbindungen sollen Miniaturbuchsen auf der Leiterplatte vorhanden sein. Dadurch lassen sich auch zu anderen Leiterplatten, die nicht über eine Steckverbindung wie diese verfügen, Verbindungen mit Kabeln herstellen. Um nun einen Baustein für die Addition herzustellen, werden folgende Bauelemente benötigt: eine Leiterplatte mit dem Maße 100 x 120 mm ein UND-Schaltkreis (CMOS 4081: vier UND-Gatter mit je zwei Eingängen) ein ODER-Schaltkreis (CMOS 4071: vier ODER-Gatter mit je zwei Eingängen) ein NAND-Schaltkreis (CMOS 4011: vier NAND-Gatter mit je zwei Eingängen) zwei Stiftleisten 2-reihig mit je drei Steckern eine Stiftleiste 2-reihig mit vier Steckern zwei 2-reihige Buchsenleisten mit je drei Steckern eine 2-reihige Buchsenleiste mit vier Steckern 7

9 zwei Miniaturbuchsen in der Farbe rot für die Eingänge A und B acht Widerstände mit je 390 Ω sechs LEDs Ultrabright à 5 mm Durchmesser in der Farbe rot eine gelbe 5 mm LED für die Anzeige der Zahl eine grüne 5 mm LED für die Anzeige des Übertrags drei Brücken vier Bohrungen für die Befestigung einer Plexiglasscheibe 3.2. Entwicklung des Layouts Nachdem nun festgelegt wurde, welche Bauelemente für das Fertigen des Bausteins erforderlich sind, kann man mit Hilfe eines so genannten Steckbretts eine Versuchsschaltung aufbauen. Abb.1. Schaltung des Halbaddierers anhand eines Steckbretts Das Stecken der Bauelemente auf das Steckbrett ermöglicht einem, sich vor der Konstruktion der Leiterplatte am Computer bewusst zu machen, wie man welche Bauelemente setzen sollte und welche Elemente miteinander verbunden sein müssen. Dadurch lässt sich die darauf folgende Arbeit, nämlich die Entwicklung des Layouts für die Leiterplatte, erleichtern. 8

10 Für die Entwicklung dieses Bausteins wurde mit der Leiterplattensoftware Sprint-Layout 5.0 der Firma Abacom gearbeitet. Die Software dient dem Entwerfen und Optimieren des Leiterplattenlayouts. Zusätzlich zu den einzelnen Arbeitsschritten, wie Lötaugen setzen und Leiterbahnen ziehen, kann man bei diesem Programm auch auf schon vollständige Bauelemente zugreifen. Zu nennen wären hier verschiedene LEDs, Widerstände oder Stecker. Um nun die Leiterplatte zu entwerfen, bestimmt man zunächst die Maße der Leiterplatte. Für diese Arbeit wurden die Maße 100 x 120 mm gewählt. Nun kann man die einzelnen Elemente auf die Leiterplatte setzen. Nachdem der Leiterplattenentwurf nun alle benötigten Bauteile enthält, wird überlegt, wie man diese am sinnvollsten anordnen kann. Zunächst werden die Widerstände jeweils vor die LEDs gesetzt, da es die Aufgabe der Widerstände ist, den Strom für die LEDs zu begrenzen. Demnach müssen sie vor die LEDs platziert werden. Die Stiftverbindungen und Buchsenleisten haben ebenfalls wie die Löcher für die Bohrungen einen festen Platz auf der Leiterplatte. Das Zeitaufwändigste und Komplizierteste am ganzen Entwurf ist die richtige Platzierung der einzelnen Schaltkreise. Hierbei müssen nämlich auch die Leiterbahnen, die sich ergeben, beachtet werden, da es später zu möglichst wenig Brücken kommen soll. Eine Leiterplatte, die völlig ohne Brücken auskommt, ist die beste Realisierung einer Schaltung. Für die Umsetzung eines Halbaddierers werden, wie bereits erwähnt, drei verschiedene Schaltkreise benötigt. Der einfachste Weg eine passende Anordnung zu finden, ist das bloße Ausprobieren. Dieses lässt sich sowohl mit der Software oder einfach per Hand auf einem Zettel umsetzen. Nachdem die passende und bestmögliche Anordnung gefunden wurde, setzt man diese mit Hilfe des Programms um; es werden die Elemente und Schaltkreise dementsprechend angeordnet. Als nächsten Schritt werden nun die Leiterbahnen hinzugefügt. Hierbei muss ebenfalls genau überlegt werden, wie die Leiterbahnen am besten gezogen werden. Dieser Schritt wird meist schon bei der Planung der Anordnung der einzelnen Elemente vollzogen und hier nur noch verbessert. Bei der Entwicklung der Leiterplatte für den Halbaddierer war es nicht möglich, eine Anordnung der 9

11 Bauelemente zu finden, bei der eine Vermeidung jeglicher Brücken möglich wäre. Die Gründe hierfür sind eine große Anzahl der Bauelemente, deren verschiedene Verknüpfungen sowie der daraus resultierenden Anzahl der Leiterzüge. Nach langer Überlegung wurde sich letztlich für ein Layout entschieden, bei dem zwei Brücken eingesetzt werden. Ist dieser Prozess abgeschlossen und ein passendes Layout gefunden, kann zum nächsten Schritt übergegangen werden: dem Bau des Bausteins. Abb.2. Layout der Leiterplatte für den Halbaddierer; entworfen mit der Software Sprint-Layout 5.0 Mit Hilfe einer anderen Software der Firma lässt sich zudem der Schaltplan der Schaltung entwerfen. 10

12 Abb.3. Stromlaufplan der Leiterplatte für den Halbaddierer 11

13 Abb.4. Beschreibung des NAND-Schaltkreises CMOS 4011 Abb.5. Beschreibung des UND-Schaltkreises CMOS 4081 Abb.6. Beschreibung des ODER-Schaltkreises CMOS Bau des Bausteins Nachdem das Layout der Leiterplatte, mitsamt aller Leiterzüge und Bauelemente, am Computer entwickelt wurde, muss nun der eigentliche Bausteins gebaut werden. Dieser Bau erfolgt in einzelnen Schritten. Als erstes wird die Leiterplatte auf die richtigen Maße zugeschnitten. Dazu 12

14 wählt man die Maße, die man schon bei der Layoutentwicklung bestimmt hat. Abb.7. Zuschneiden der Leiterplatte Für diesen Baustein misst die Platine 100 x 120 cm. Um Ungenauigkeiten, sowie raue Ränder zu beseitigen, ist es möglich, die Leiterplatte nach dem Zuschneiden zusätzlich mit einer Feile zu bearbeiten. Ist die Platte nun zugeschnitten, muss eine Folie hergestellt werden, auf der die Leiterzüge sowie die Bohrstellen für die Bauelemente zu erkennen sind. Anhand des Programms Sprint-Layout 5.0 ist dieses ohne großen Aufwand möglich. Abb.8. Leiterplattenlayout 13

15 Hierbei ist zu beachten, dass man die Folie mit optimaler Druckqualität druckt. Ansonsten kann es zu nicht optimal belichteten Stellen auf der Leiterplatte kommen, wodurch später Störungen in der Schaltung auftreten könnten. Daher sollte die Folie tief schwarz bedruckt werden. Es ist darauf zu achten, dass alle bedruckten Flächen und Linien eine absolute Deckung aufweisen. Die unbedruckten Bereiche müssen dagegen lichtdurchlässig sein. Ein möglichst großer Kontrast zwischen bedruckter und unbedruckter Fläche muss also gegeben sein. Mit dieser Folie wird nun die einseitig leitende Leiterplatte durch ein UV-Belichtungsgerät belichtet. Zunächst wird die Folie auf die Glasplatte des Belichtungsgerätes gelegt. Es ist darauf zu achten, dass die Folie mit der richtigen Seite nach oben gelegt wird, da sonst die Platte falsch belichtet wird und demzufolge die Bauelemente nicht mehr richtig eingelötet werden können. Die Leiterplatte mit der Folie wird nun in das Gerät eingespannt, so dass eine genaue und gleichmäßige senkrechte Bestrahlung gegeben ist. Die Belichtung dauert drei Minuten. Abb.9. Belichtung der Leiterplatte durch ein UV-Belichtungsgerät Ist dieser Schritt abgeschlossen wird die Leiterplatte unmittelbar in einen Behälter mit Natronlauge getaucht. Die Leiterplatte wird mithilfe eines Handschuhs oder einer Pinzette einige Sekunden in dieses Bad gehalten. Schon nach wenigen Sekunden erscheint das Leiterbahnmuster auf der Platte. Die belichtete Schicht wurde nun weggeätzt 14

16 Abb.10. Leiterplatte unmittelbar nach dem Bad in der Natronlauge Nachdem die Leiterplatte nun unter fließendem Wasser gereinigt wurde, muss sie in ein weiteres Ätzbad gelegt werden. Dieses Bad besteht aus Ammoniumpersulfat. In diesem Bad herrscht eine ständige Luft zur Umwälzung der Flüssigkeit. Zudem ist eine elektrische Heizung vorhanden, die eine optimale Temperatur der Flüssigkeit sichert. Somit kann der Ätzprozess beschleunigt werden. Dadurch kann die frei gelegte Kupferschicht schnell und präzise angetragen werden. Dieser Vorgang kann je nach Temperatur und Qualität der Flüssigkeit bis zu 45 Minuten dauern. Nachdem die komplette Kupferschicht abgetragen ist, wird die Leiterplatte gründlich mit Wasser gereinigt. Abb.11. Leiterplatte vor dem Ätzprozess 15

17 Abb.12. Leiterplatte nach dem Ätzprozess Als nächsten Schritt werden die Löcher für die Bauelemente mit Hilfe einer Tischbohrmaschine gebohrt. Für die Widerstände, Schaltkreise, LEDs, Steckverbindungen und Brücken wurde ein 1 mm Bohrer gewählt. Die Löcher für die Miniaturbuchsen, sowie die Bohrungen für die Plexiglasabdeckung wurden mit einem 3 mm Bohrer gebohrt. Abb.13. Bohren der Löcher Ist das Bohren abgeschlossen wird die Leiterplatte mit Brennspiritus gereinigt, um sie von dem haftenden Fotoresist zu befreien. 16

18 Abb.14. Das haftende Fotoresist wird mit Brennspiritus entfernt Um nun mit dem Einlöten der einzelnen Bauelemente beginnen zu können, sollte die Platte zunächst mit Lötlack besprüht werden. Dadurch wird die Leiterplatte lötfähiger. Die Bauelemente werden in die jeweiligen Bohrungen gesetzt und auf wenige Millimeter gekürzt. Dann wird auf der beschichteten Seite der Platte der Lötkolben angesetzt und die Platte sowie der Draht des Bauelements erhitzt. Löt ist nun hinzuzufügen. Durch die Hitze verläuft das Löt; es entsteht ein exakter Lötpunkt auf der Platine. Dadurch ist das Bauelement mit der Leiterplatte verbunden. Dieser Schritt wird so oft wiederholt, bis alle Bauelemente vollständig eingelötet sind. Die Miniaturbuchsen werden noch ausgelassen. Abb.15. Löten der Bauelemente 17

19 Wichtig ist es bei diesem Vorgang darauf zu achten, dass sich nicht das Löt von Bauelementen, die keine Verbindung zueinander haben sollen, berührt. Ansonsten kann es zu einem Kurzschluss in der Schaltung kommen, der wiederum Bauelemente zerstören kann. Das Löten ist demzufolge eine Arbeit, die möglichst sorgfältig und präzise durchzuführen ist. Sind alle Elemente eingelötet kann getestet werden, ob die Schaltung funktioniert. Abb.16. Leiterplatte für den Halbaddierer Für diesen Baustein wurde entschieden, dass die Leiterplatte oberhalb und unterhalb jeweils eine Abdeckung erhält. Dieses wird durch den Einbau von Plexiglasscheiben realisiert. Dadurch ist eine größere Resistenz gegen äußere Einflüsse gegeben. Die Maße der Plexiglasscheiben unterscheiden sich zu den Maßen der Leiterplatte um jeweils einen Millimeter. Sind die Scheiben zugeschnitten, werden die Ränder mit einer Feile noch zusätzlich entgratet. Da die Buchsen durch die Plexiglasscheibe hindurchgehen, müssen zu den Bohrungen für die Schrauben, die die Platten miteinander verbinden, Bohrungen für die Buchsen angezeichnet und durchgeführt werden. Daher wurden diese auch bei dem Löten noch nicht berücksichtigt. Die Löcher für die Miniaturbuchsen wurden mit einem 5 mm Bohrer und die Löcher für die Schrauben mit einem 3 mm Bohrer erstellt. Die Löcher für die Schrauben wurden abgesenkt, damit die Platte und die Schrauben eine ebenmäßige Fläche bilden. 18

20 Um die einzelnen Logikfunktionen des Halbaddierers auf der Leiterplatte zu verdeutlichen wurde entschieden, eine zusätzliche Folie zu entwickeln, die unterhalb der oberen Plexiglasscheibe geklemmt wird. Dadurch wird die Schaltung erkennbarer und die einzelnen LEDs bekommen mehr Bedeutung. Diese Folie wurde ebenfalls mit dem Programm Sprint-Layout 5.0 entworfen. Dadurch ist eine genaue Übernahme der einzelnen Maße gegeben. Mit einem Stanzer werden die Löcher für die Buchsen und die Schrauben, wie schon bei der Plexiglasscheibe, ausgestanzt. Sind nun alle Bauteile zurechtgeschnitten und die Kanten begradigt, kann man den Baustein zusammensetzten. Zunächst wird die obere Plexiglasscheibe festgeschraubt. Als Abstand zwischen Leiterplatte und Scheibe werden Abstanzbolzen der Länge 10 mm eingesetzt. Die Plexiglasscheibe mitsamt den Buchsen wird nun von unten auf die Platte geschraubt. Danach können auch die Buchsen eingelötet werden. Als nächstes wird auch die untere Scheibe mit dem Komplex verbunden. Eine gute Stabilität garantieren Schrauben der Größe 3 x 8 mm. Durch das Verschrauben der Leiterplatte mit den Plexiglasscheiben ist der fertige Baustein entstanden. Abb.17. fertiger Baustein für die Addition, samt Folie und Plexiglasabdeckung 19

21 4. Fazit Dieser Baustein für die Addition zweier Zahlen wurde entwickelt, um theoretisches Wissen besser veranschaulichen zu können. Durch praktisches Arbeiten mit dem Baustein wird das Wissen gefestigt. Gerade für die Ausbildung von Lehramtsanwärtern ist es wichtig, fundiertes Wissen aufzubauen. Durch den Baustein wurde eine Grundlage gelegt, um dieses Wissen zu schaffen. Anhand des Bausteins für die Addition lassen sich die einzelnen Schaltfunktionen, aus denen der Halbaddierer besteht, verdeutlichen. Wie bereits in der Arbeit erwähnt, besteht die Schaltung des Halbaddierers aus zwei Eingängen, einem Ausgang (Zahl) und dem Übertrag. Die Eingänge A und B werden zunächst durch ein NAND-Gatter negiert. Die nächste Verknüpfung erfolgt durch einen UND-Gatter statt. Dabei werden A mit B und A mit B verknüpft. Um nun den ersten Ausgang, sprich die Zahl zu erhalten, werden die Ausgänge der gerade genannten Funktionen zusätzlich durch einen ODER-Gatter verknüpft. Der Übertrag ergibt sich aus einer UND-Verknüpfung der Eingänge A und B. Diese Wirkungsweise kann mit dem Baustein gezeigt werden. Durch den Einsatz der LEDs werden die Teilfunktionen der einzelnen Schaltungen angezeigt. Leuchten die LEDs ist dieser Ausgang high, beziehungsweise 1. Leuchten sie nicht, ist der jeweilige Ausgang 0 oder low. Somit kann der Inhalt der Funktionstabelle ebenfalls an dem Baustein abgelesen werden. Zusätzlich ist es möglich, die Ausgänge der Teilfunktionen, also die Verknüpfung von beispielsweise A und B, abzulesen. Die Folie dient der besseren Übersicht der Bauelemente. Sie wurde passend zu der Schaltung angefertigt. Dadurch ist eine noch bessere Verfolgbarkeit der Wirkungsweise gegeben. 20

22 Abb.18. Baustein in Verbindung mit dem Vierbitvolladdierer; A und B sind nicht gesetzt; LEDs zur Anzeige von A und B leuchten (s. Funktionstabelle Fall 1) Abb.19. Eingang B ist gesetzt; B leuchtet; A leuchtet, A B leuchtet; Ausgang Z leuchtet (s. Funktionstabelle Fall 2) Abb.20. Eingang A ist gesetzt; A leuchtet, B leuchtet; A B leuchtet; Ausgang Z leuchtet (s. Funktionstabelle Fall 3) 21

23 Abb.21. Eingang A und B sind gesetzt; A und B leuchten, Ausgang Ü leuchtet (s. Funktionstabelle Fall 4) Bei der Erstellung dieses Bausteins sind einige Dinge aufgetreten, die verbesserungsfähig sind. Ein erster Verbesserungspunkt ist die Folie, denn es wäre sinnvoller, die Schrift in weiß zu drucken anstatt in schwarz. Dadurch würde ein größerer Kontrast zu der Leiterplatte entstehen wodurch die Schaltzeichen auch bei schwachem Licht deutlicher erkennbar wären. Auch sollte bei der Bearbeitung der Plexiglasscheiben auf eine möglich sehr präzise Anzeichnung der Bohrungen geachtet werden. Eine Kontrolle jedes einzelnen Bohrlochs wäre hier sinnvoll. Dadurch werden eventuell erforderliche Nachbohrungen vermieden. Diese könnten entstehen, wenn die Löcher für die Schrauben, die für die Befestigung der Plexiglasscheibe auf der Leiterplatte sind, nicht exakt mit den Löchern auf der Leiterplatte übereinstimmen. Es wäre auch möglich, in einem Arbeitsgang die Löcher der Leiterplatte und die Löchern der Plexiglasscheibe zu bohren, indem beide Scheiben übereinander gelegt werden. So wird eine hundertprozentige Übereinstimmung der Löcher erzielt. Da der Baustein an ein in der Entwicklung befindendes Experimentiersystem angepasst wurde, ist der Entwurf weiterer Bausteine möglich. An diesen Baustein wäre das Anschließen eines Vierbitvolladdierers sinnvoll und durch die Steckverbindungen an den Seiten der Platine auch ohne große Umstände machbar. 22

24 5. Abbildungsverzeichnis Abb.1. Schaltung des Halbaddierers anhand eines Steckbretts S. 7 Abb.2. Layout der Leiterplatte für den Halbaddierer; entworfen mit der Software Sprint-Layout 5.0 S. 9 Abb.3. Stromlaufplan der Leiterplatte für den Halbaddierer S. 10 Abb.4. Beschreibung des NAND-Schaltkreises CMOS 4011 S. 11 Abb.5. Beschreibung des UND-Schaltkreises CMOS 4081 S. 11 Abb.6. Beschreibung des ODER-Schaltkreises CMOS 4071 S. 11 Abb.7. Zuschneiden der Leiterplatte S. 12 Abb.8. Leiterplattenlayout S. 12 Abb.9. Belichtung der Leiterplatte durch ein UV-Belichtungsgerät S. 13 Abb.10.Leiterplatte unmittelbar nach dem Bad in der Natronlauge S. 14 Abb.11. Leiterplatte vor dem Ätzprozess S. 14 Abb.12. Leiterplatte nach dem Ätzprozess S. 15 Abb.13. Bohren der Löcher S. 15 Abb.14. Das haftende Fotoresist wird mit Brennspiritus entfernt S. 16 Abb.15. Löten der Bauelemente S. 16 Abb.16. Leiterplatte für den Halbaddierer S. 17 Abb.17. fertiger Baustein für die Addition, samt Folie und Plexiglasabdeckung S. 18 Abb.18. Baustein in Verbindung mit dem Vierbitvolladdierer; A und B sind nicht gesetzt; LEDs zur Anzeige von A und B leuchten (s. Funktionstabelle Fall 1) S. 20 Abb.19. Eingang B ist gesetzt; B leuchtet; A leuchtet, A B leuchtet; Ausgang Z leuchtet (s. Funktionstabelle Fall 2) S. 20 Abb.20. Eingang A ist gesetzt; A leuchtet, B leuchtet; A B leuchtet; Ausgang Z leuchtet (s. Funktionstabelle Fall 3) S. 20 Abb.21. Eingang A und B sind gesetzt; A und B leuchten, Ausgang Ü leuchtet (s. Funktionstabelle Fall 4) S

25 6. Literaturverzeichnis Taschenbuch Digitaltechnik. Hrsg. von Christian Siemers und Axel Sikora. 2., vollständig überarbeitete Auflage. München: Carl-Hanser Verlag Technik. Hrsg. von Prof. Dr. Elke Hartmann und Prof. Dr. Christian Hein. 2., aktualisierte Auflage. Mannheim: Paetec 2004 (= Duden. Basiswissen Schule). 24