Digitale Steuerungstechnik (in TGJ1, 1. und 2. Halbjahr)

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1 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 1 / 24 Digitale teuerungstechnik (in TGJ1, 1. und 2. Halbjahr) 1. Kippschaltungen (Flip-Flops) Das statische -Flip-Flop Das taktgesteuerte T-FF (Toggle-FF) Das taktgesteuerte JK-Flip-Flop Das taktgesteuerte D-Flip-Flop 2. Asynchrone Zählschaltungen, Frequenzteiler Vorwärtszähler ückwärtszähler Dezimalzähler 3. ynchrone Zählschaltungen Entwurfsmethoden Verschiedene Zählschaltungen 4. chieberegister Aufbau und Funktion Anwendungsschaltungen 5. Projekt zu sequentiellen chaltungen (zur Vertiefung der Digitaltechnik) Termine: Arbeit Nr. 1: Arbeit Nr. 3: Arbeit Nr. 2: Arbeit Nr. 4: GF: Feb./März 2008 B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

2 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 2 / Kippschaltungen (Flip-Flops) B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

3 C C Ct kat DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 3 / 24 Taktgesteuerte (dynamische ) Flip-Flop Bei den bisher besprochenen statischen FF (-FF und //-FF) reagiert der Ausgang dann auf den Befehl an den teuereingängen, wenn ein bestimmter pannungspegel (z.b. für HIGH) erreicht wird. Dies kann je nach Baustein vielleicht bei 3 V, vielleicht bei 4,2 V der Fall sein. Der exakte Zeitpunkt des Umschaltens ist somit nicht genau festgelegt. Oft ist jedoch ein sehr exaktes chalten erwünscht. Man denke z. B. an einen 100 m-lauf, wo es auf jede Hundertstelsekunde ankommt. In solchen zeitkritischen chaltungen kommen taktgesteuerte FF zum Einsatz. Hierbei unterscheidet man zwischen taktzustands- und taktflankengesteuerten FF. Als Takt wird sehr häufig eine echteckspannung benutzt: Bei flankengesteuerten FF unterscheidet man positiv- bzw. negativ flankengesteuerte FF: positiv flankengetriggert: FF reagiert auf die positive Flanke, d.h. ein Übergang negativ flankengetriggert: FF reagiert auf die negative Flanke, d.h. ein Übergang ez ti t Als Erweiterung des statischen -FF betrachten wir das positiv flankengetriggerte -FF: kat e ivti nekn laft agen kat e ivt nekn laft sop Funktion: Das FF wird mit den gleichen Befehlen gesteuert, wie das statische -FF. Es reagiert jedoch erst dann, wenn am Takteingang C eine positive Taktflanke eintrifft. Wenn die negative Flanke wirksam sein soll, wird ein Inverterpunkt vor den Takteingang gesetzt, man hätte dann ein negativ flankengetriggertes -FF (in der Praxis selten): Funktion: Das FF reagiert wiederum wie ein -FF, jedoch diesmal beim Eintreffen einer negativen Taktflanke. Zur Erläuterung ein Zeitablaufdiagramm: (1 für positiv, 2 für negativ flankengetriggertes FF) B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

4 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 4 / 24 Übungsblatt zu statischen und taktgesteuerten -Flip-Flop Gegeben sind die ignalverläufe für einen Takt C und die beiden Eingänge und eines FF s. Die Zeitverläufe der Ausgäng sollen erarbeitet werden. Zu Beginn liegt an allen Ausgängen = 0 an! Dabei gilt für die vier FF: FF1: statisches -FF ohne Takteingang, Ausgang: 1 FF2: taktzustandsgesteuertes -FF mit 1-aktivem Takteingang, Ausgang: 2 FF3: taktflankengesteuertes -FF mit positiver Flankentriggerung, Ausgang: 3 FF4: taktflankengesteuertes -FF mit negativer Flankentriggerung, Ausgang: 4 Zeitablaufdiagramme (Impulsdiagramme) Takt C Zusammenfassung: Formulieren ie für jedes FF eine Aussage in der Form: Für FF1 gilt: Ein statisches FF reagiert auf, wenn... B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

5 C :tr eggirt :tr eggirt egneknalf T egneknalf vit agen vitisop * Ct = = kat DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 5 / 24 Das T-Flip-Flop (Zähl-Flip-Flop) Gegeben sei ein positiv flankengetriggertes -FF; (zur Erinnerung: dieses FF reagiert auf die an, anliegenden Informationen nur beim Eintreffen einer positiven Impulsflanke am Takteingang C.) Verbinden ie beim chaltzeichen den Ausgang mit dem Eingang und den Komplementärausgang * mit dem etzeingang! Diese Maßnahme wird "elbstvorbereitung" genannt. Vervollständigen ie dann unter Berücksichtigung der Funktionstabelle des -FF das untenstehende Impulsdiagramm! Wdh: Funktionstabelle des -Flip-Flops: Zeitablaufdiagramm (Impulsdiagramm): n+1 Bemerkungen: 0 0 n peichern etzen ücksetzen Verboten Erkenntnisse aus dem Zeitablaufdiagramm: : mmar gai dsl up Im ni e r üf l ei psi e B : FF- Tsed gnull T etsradzr u K B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

6 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 6 / 24 Das (dynamische) JK-FF mit statischen -Eingängen (...ist ein Universal-Flip-Flop, das (fast) alles kann!) chaltzeichen: Bedeutung der statischen (taktunabhängigen) Eingänge und Bedeutung der taktabhängigen Eingänge J und K: Funktionstabelle für die dynamischen Eingänge J und K: J K n+1 Bemerkung Beispiel für ein Zeitablaufdiagramm (Impulsdiagramm) Das FF sei negativ flankengetriggert, die statischen Eingänge und seien 1-aktiv! Takt C J K B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

7 C 1 D1 1C D1 D1 1 C DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 7 / 24 Taktzustandsgesteuertes D-FF (auch pulsgetriggertes D-Latch genannt) chaltzeichen: Bezeichnungen: 1D: Dateneingang, von C1 abhängig C1: Takt- oder Enable-Eingang, oft auch mit G oder E bezeichnet (Freischalteingang) : Ausgang Funktionsweise: Wenn am Takteingang C=1 anliegt, nimmt der Ausgang die Information des Dateneingangs D an, man sagt, das FF ist "transparent"! Wenn C=0 anliegt, sperrt das FF, am Ausgang wird der letzte Zustand gespeichert! C D n+1 Bemerkung Für den Zusammenhang zwischen Aus- und 0 0 n gesperrt, letzten Eingang kann man folgende Gleichung 0 n Zustand halten angeben: n+1 = D n (in Worten: der neue freigeschaltet, Zustand an ist gleich der Information am Daten übernehmen Dateneingang (natürlich nur bei C=1)! Taktflankengesteuerte D-FF chaltzeichen: positiv flankengetriggert: negativ flankengetriggert: Bezeichnungen: 1D: Dateneingang, von C1 abhängig C1: Takteingang : Ausgang Funktionsweise: Wenn am Takteingang C eine Impulsflanke eintrifft, wird die Information vom Dateneingang übernommen und gespeichert. D C n+1 Bemerkung Zusammenhang zwischen und D: 0 bzw. 0 bei Flanke 0 übernehmen n+1 = D n (natürlich nur beim 1 bzw. 1 bei Flanke 1 übernehmen Eintreffen einer Flanke an C! Ein flankengetriggertes D-FF läßt sich auch im Toggle-Mode betreiben. Dazu muß lediglich der Ausgang * auf den Dateneingang D zurückgekoppelt werden! (Zur Erinnerung: Im Toggle-Mode kippt das FF bei jeder Taktflanke in den jeweiligen Komplementärzustand!) Das D-FF im Toggle-Mode wirkt genauso wie das T-FF, bzw. das JK-FF im Toggle-Mode! Flip-Flops im Toggle-Mode sind die Grundbausteine für asynchrone Frequenzteiler und einfache Zählschaltungen! B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

8 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 8 / Asynchrone Zählschaltungen (Frequenzteiler) Worin unterscheiden sich asynchrone bzw. synchrone Zählschaltungen? Grundbausteine für asynchrone chaltungen Prinzipielle Verschaltung der FF s B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

9 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 9 / 24 Anwendungsbeispiel: eihenschaltung aus drei T-FF Gegeben ist eine eihenschaltung aus drei negativ flankengetriggerten T-FF. ie erinnern sich: Ein T-FF ändert bei jeder (hier negativen) Taktflanke den Zustand am Ausgang! Takt A B C T T T Ergänzen ie das Impulsdiagramm, wenn am Takteingang des ersten FF folgendes Taktsignal anliegt: Takt A B C D A B C dez Erkenntnisse und Interpretation der Ergebnisse: Kurzschaltzeichen: B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

10 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 10 / 24 Gegeben ist folgende Zählschaltung: 1J 1K C1 1J 1K C1 1J 1K C1 Um welche Art von FF handelt es sich hier? Wie müssen die J- und K-Eingänge beschaltet werden, damit die FF im Toggle-Modus arbeiten? Wie müssen die statischen Eingänge / und / beschaltet werden, damit sie unwirksam sind? Ergänzen ie das Zeitablaufdiagramm (Impulsdiagramm)! Takt A B C D A B C dez Wie lautet die dezimale Zählfolge dieser chaltung? Die gleiche chaltung soll nun mit einfachen JK-FF (also keine Master-lave-FF) aufgebaut werden. Wie müssen diese FF getriggert werden? kizzieren ie die chaltung! B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

11 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 11 / 24 chaltung: Dezimalzähler (BCD- oder m10-zähler) Die Zählkapazität dieser chaltung ist 0 9, sie hat also 10 Zustände! Beim Auftreten der Dezimalzahl 10 werden die FF über die statischen eset-eingänge sofort zurückgesetzt. Verwendbar sind alle FF s, die in den Toggle-Modus geschaltet werden können, also T-FF, JK-FF, JK-M-FF und natürlich auch D-FF! T T T T Zum ücksetzen wird folgende chaltung benötigt: eset Bei FF s mit 1-aktiven eset-eingängen: Bei FF s mit 0-aktiven eset-eingängen: Man erhält folgendes Impulsdiagramm: Takt A B C D A B C D dez Es ist zu beachten, daß die Dezimalzahl 10 nur für einen winzigen Moment lang an den FF- Ausgängen anliegt (ca. 20 ns) Diese Zeit benötigt das UND-Element, um aus den Ausgängen D A das esetsignal zu erzeugen. B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

12 D1 1 C DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 12 / ynchrone Zählschaltungen mit D-FF Ein Blick in verschiedene IC-Datenbücher oder Datenbanken zeigt, daß die meisten Zählerschaltungen synchron aufgebaut sind (Verhältnis synchron zu asynchron etwa 5 : 1!). Einige Gründe für synchrone chaltungen: Geschwindigkeit: Ab ca. 1 Mhz machen sich die Gatterlaufzeiten bei asynchronen chaltungen bemerkbar! Bereichszähler (z. B. 3-11) sind asynchron nur mit Zusatzschaltungen zum korrekten Funktionieren zu,,bewegen"! Umschaltbare Asynchronzähler (Vorwärts-ückwärtszähler) ändern beim Umschalten ihren Zählerstand! Zähler mit,,unregelmäßiger Zählfolge" (z. B. zur chrittmotorsteuerung) sind asynchron praktisch nicht realisierbar! In programmierbaren Bausteinen (GAL's, PLD's) werden nahezu ausschließlich synchrone chaltungen verwendet! Bei einem ynchronzähler werden alle FF mit dem gleichen Taktsignal angesteuert. Dies hat zur Folge, daß alle FF synchron, d.h. gleichzeitig reagieren. (Bei einem Asynchronzähler waren ja bekanntlich die einzelnen FF vom Ausgang des vorherigen FF abhängig.) Als Grundbausteine für ynchronzähler können JK-M-FF (bzw. neg. flankengetriggerte JK-FF) und D-FF verwendet werden. Einfache T-FF sind unbrauchbar, weil hier die Vorbereitungseingänge fehlen. Zur ealisierung eines Zählers müssen die einzelnen FF über die Vorbereitungseingänge J und K (bzw. den Dateneingang D beim D-FF) richtig vorbereitet werden. Diese Vorbereitung wird über logische Verknüpfungen der Zählerausgänge i erreicht. Da wir auch mit (kleineren, bis 44 Pin s!) programmierbaren Bausteinen arbeiten wollen, werden wir uns hier mit dem Zählerentwurf mit D-FF beschäftigen! Kurze Wiederholung: Welche Typen von D-FF gibt es eigentlich und wie funkionieren sie? Taktzustandsgesteuertes D-FF (auch pulsgetriggertes D-Latch genannt) chaltzeichen: Bezeichnungen: 1D: Dateneingang, von C1 abhängig C1: Takt- oder Enable-Eingang, oft auch mit G oder E bezeichnet (Freischalteingang) : Ausgang Funktionsweise: Wenn am Takteingang C=1 anliegt, nimmt der Ausgang die Information des Dateneingangs D an, man sagt, das FF sei "transparent"! Wenn C=0 anliegt, sperrt das FF, am Ausgang wird der letzte Zustand gespeichert! C D n+1 Bemerkung Für den Zusammenhang zwischen Aus- und 0 0 n gesperrt, letzten Eingang kann man folgende Gleichung 0 n Zustand halten angeben: n+1 = D (in Worten: der neue freigeschaltet, Zustand an ist gleich der Information am Daten übernehmen Dateneingang (natürlich nur bei C=1)! B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

13 C 1 D1 C 1 D1 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 13 / 24 Taktflankengesteuerte D-FF chaltzeichen: positiv flankengetriggert: negativ flankengetriggert: Bezeichnungen: 1D: Dateneingang, von C1 abhängig C1: Takteingang : Ausgang Funktionsweise: Wenn am Takteingang C eine Impulsflanke eintrifft, wird die Information vom Dateneingang übernommen und gespeichert. D C n+1 Bemerkung Zusammenhang zwischen und D: 0 bzw. 0 bei Flanke 0 übernehmen n+1 = D (natürlich nur beim 1 bzw. 1 bei Flanke 1 übernehmen Eintreffen einer Flanke an C! Man geht beim Entwurf eines ynchronzählers wie folgt vor: 1. chritt: Anzahl der benötigten FF ermitteln! z.b. Zähler ==> 8 Zustände, ==> 3 FF nötig! 2. chritt: Erstellen der Funktionstabelle Die Funktionstabelle teilt man in 2 Teile: Teil 1: Tabelle für die FF-Ausgänge i zum Zeitpunkt t n (d.h. vor dem Umschalten) Hier wird die gewünschte Zählfolge angegeben; es ist empfehlenswert, zusätzlich zur dualen Zählfolge auch die dezimale Darstellung anzugeben. Teil 2: Tabelle für die Beschaltung der Dateneingänge D i zum Zeitpunkt t n Hier gilt: An den Dateneingängen muß nur der gewünschte Folgezustand der Ausgänge i (t n+1 ) angelegt werden. Es gilt folgende charakteristische Gleichung: D i = i (t n+1 )! Für einen Vorwärtszähler 0 7 sieht die Funktionstabelle wie folgt aus: Ausgänge i zum Zeitpunkt t n, d.h. vor dem Umschalten! Folgezustand Beschaltung der Eingänge D i zum Zeitpunkt t n Dezimal 0 Dezimal D2 D1 D B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

14 0 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 14 / chritt: Ermitteln der chaltfunktionen D i : Der weitere Lösungsweg ist klar: Wir brauchen drei KV-Diagramme für die chaltfunktionen D2, D1 und D0 und müssen die vereinfachten Funktionsgleichungen ermitteln! 0 0 Ergebnisse: D0 = D1 = D2 = Ermitteln ie (zur Abschreckung!), wieviele tandard-ic s der erie 74xx zum gesamten Aufbau nötig wären! IC-Liste: Um schon jetzt eine gewisse Vorfreude zu wecken: Es wird uns gelingen, alle drei FF und die ganze Vorbereitungslogik in ein einziges IC zu brennen! 4. chritt: Zeichnen der kompletten chaltung: kizzieren ie die gesamte chaltung! Achten ie dabei auf eine möglichst übersichtliche Darstellung! Geben ie dann das Kurzschaltzeichen an! Die chaltung wird gezeichnet. Dabei sollte man auf eine übersichtliche Darstellung achten. Kontrolle: D0 =/0 D1 = 0 * /1 + /0 * 1 D2 = /1 * 2 + /0 * * 1 * /2 B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

15 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 15 / 24 chaltung: ynchroner ückwärtszähler 7.. 0, 1. Es müssen 8 Zustände dargestellt werden. Dazu werden N = ld 8 FF benötigt (ld: Logarithmus dualis). Hier erhält man N = 3, da 2 3 = 8 ergibt. Die FF heißen: FF0, FF1, FF2. 2. Funktionstabelle : Ausgänge i zum Zeitpunkt t n, d.h. vor dem Umschalten! Folgezustand Beschaltung der Eingänge D i zum Zeitpunkt t n Dezimal 0 Dezimal D2 D1 D0 3. Ermitteln der chaltfunktionen D i ( i = 0..2) Ergebnisse: D0 = D1 = D2 = 4. Aufbau der chaltung und Kurzschaltzeichen auf ückseite skizzieren! Kontrolle: D0 =/0 D1 = /0 * /1 + 0 * 1 D2 = 0 * * 2 + /0 * /1 * /2 B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

16 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 16 / 24 chaltung: ynchroner Dezimalzähler 0.. 9, vorwärts 1. Anzahl der benötigten FF: 2. Funktionstabelle : Zeitpunkt t n Beschaltung der Vorbereitungseingänge dez. 3 0 dez D3 D2 D1 D X X X X X 11 X X X X X 12 X X X X X 13 X X X X X 14 X X X X X 15 X X X X X 3. Ermitteln der chaltfunktionen D i (i = 0.. 3) B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

17 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 17 / 24 chaltung: Umschaltbarer ynchron-vorwärts-ückwärts-zähler 1..6 bzw Aufgabe: Es soll ein Zähler entworfen werden, der durch einen chalter V in der Zählrichtung beeinflußt werden kann. Zählfolge: vorwärts: bei chalterstellung V = 1 rückwärts: bei chalterstellung V = 0 Um die Zählfolge und die Übergangsbedingungen optisch deutlich zu machen, verwendet man hier einen sog. Zustandsgraphen (state machine) EET V=1 Eins V=1 echs V=0 V=0 Zwei V=1 V=0 V=0 V=1 Fuenf V=0 V=0 Drei V=1 Vier V=1 Mit Hilfe solcher Zustandsgraphen können schwierigere teuerungsprobleme übersichtlich dargestellt werden. Wenn man mit programmierbaren Bausteinen arbeitet, können diese Graphen direkt in den entsprechenden Programmcode umgesetzt werden! Funktionstabelle für den Entwurf: Zeitpunkt t n Beschaltung der Vorbereitungseingänge dez. V 0 dez D2 D1 D Vorbereitung der FF: B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

18 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 18 / 24 Die Vorbereitungsfunktionen D i sind in diesem Beispiel nicht nur von den FF-Ausgängen, sondern auch von der chalterstellung V abhängig, d.h. es sind KV-Diagramme mit 16 Feldern nötig! Ergebnisse: D0 = D1 = D2 = Problem aus der Praxis: Bei obigem Zähler tritt der Zustand 0 in der Zählfolge nicht auf! FF s haben jedoch die Eigenschaft, beim Anlegen der peisespannung die Ausgänge auf 0 zu setzen. a) In welchen Folgezustand springt der Zähler nach der Zahl 0 bei V = 1 bzw. V = 0? Kommt der Zähler in Tritt (d. h. kommt nach 0 ein regulärer Zustand)? b) Wie lässt sich das Problem in der Praxis beheben? B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

19 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 19 / 24 chaltung: Zähler mit "seltsamer" Zählfolge Mit den bekannten Entwurfsverfahren ist es kein Problem, einen Zähler für folgende etwas wirr erscheinende Zählfolge zu entwerfen: 5 / 1 / 3 / 2 / 6 / 14 / 10 / 11 / 9 / 13 (Hinweis für Insider: Bei dieser Zählfolge handelt es sich um den sog. Petherick-Code, einen Code, der in der teuerungstechnik für Winkel- oder treckencodierer verwendet wird.) 1. Anzahl der benötigten FF: 2. Funktionstabelle zum Zählerentwurf: Zeitpunkt t n Beschaltung der Vorbereitungseingänge dez 3 0 dez D3 D2 D1 D0 3. Ermittlung der chaltfunktionen D i (i = 0.. Ergänzung: Beim Einschalten der Versorgungsspannung liegt an allen FF-Ausgängen 0 an. Welche Zusatzschaltung ist nötig, damit direkt nach dem Einschalten der richtige tartzustand eingenommen wird (dez. 5)? B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

20 eh ic ep DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 20 / 24 Beispiel zu digitalen teuerungen: Entwurf eines elektronischen Würfels In einer Bauanleitung zu einem elektronischen Würfel findet man folgendes Blockschaltbild: te suabr sehc is gol 3 a b c 0 d c b a 3 d c a b ne in kr e ti twl 3 m ahc 0 3 sat r G te 0 Die Funktion der chaltung wird wie folgt beschrieben: Der Generator liefert ein Taktsignal mit f = 5 khz. olange der Taster gedrückt wird, gelangen Taktimpulse an den Eingang des chaltwerks und schalten die Zustände am Ausgang durch. Wird der Taster losgelassen, bleibt die chaltung bei einem "zufälligen" Ergebnis stehen und die gewürfelten "Augen " werden angezeigt. Das chaltwerk ist so aufgebaut, daß natürlich nur die Augenzahlen auftreten können! 1. Wie könnte dieses chaltwerk denn aufgebaut sein? D0 = D1 = D2 = D3 = kizzieren ie die chaltung auf der ückseite! B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

21 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 21 / Was passiert beim Einschalten der peisespannung? Beim Einschalten der peisespannung tritt an den Zählerausgängen ein Zustand auf, der im Entwurf nicht berücksichtigt wurde (z.b. alle FF-Ausgänge = 0) Wie könnte man erreichen, daß der Zähler im Einschaltmoment auf den richtigen tartwert springt? 3. Anschluß der Leuchtdioden a.. d An den Ausgängen der chaltung sollen Leuchtdioden angeschlossen werden. Für die (Low current) LED s gilt: U F 1,6 V (rote LED), I F 2 ma. (Für Bastler: bei gelben LED s gilt U F 2,4 V, bei grünen U F 2,7 V, tromverbrauch bei tandard-led s: I F 10 ma) Wie sind die LED s a.. d anzuschließen, wenn das chaltwerk eine pannung von ca V liefert? kizzieren ie die möglichen chaltungen und berechnen ie die nötigen Vorwiderstände! 4. "Freudenschrei" bei "6" Wenn die Zahl "6" gewürfelt wurde, soll eine irene eingeschaltet werden. Die irene soll erst dann wieder ausgehen, wenn eine "1" gewürfelt wird (hoffentlich bald)! Entwerfen, begründen und skizzieren ie die notwendige Erweiterung! 5. Aufbau des Taktgenerators kizzieren ie den Taktgenerator für ca. 5 khz und dimensionieren ie die chaltung unter praktischen Gesichtspunkten! Einige Daten: = 330 Ω, U = 5 V 6. Lösung mit DesignExpert und der isp-platine Überlegen ie, wie man die Aufgabe auf der isp-platine zum Laufen bringen könnte! Gehen ie bei der ealisierung schrittweise vor und testen ie die einzelnen Teile hintereinander! Zeigen ie die Augen zunächst auf den Leuchtdioden an! (Pin-Belegung sinnvoll wählen) Zeigen ie die Augen dann (zusätzlich) auf der rechten iebensegmentanzeige an! Mit Hilfe einer Funktionstabelle (Truth_table) können ie dazu die Zählerausgänge in den passenden Code wandeln! Beispiel für eine Truth_table (BCD -> iebensegmentcode) DECLAATION "*************** Ein- und Ausgänge *************************** in3..in0 PIN 25,26,27,28; "Eingänge a,b,c,d,e,f,g PIN 4,3,6,7,8,9,10 ITYPE'BUFFE,COM'; "Anzeige-Ausgänge "********************* ET Deklarationen ******************************** dipschalter = [in3..in0]; "Zusammenfassung der Eingänge leds = [a,b,c,d,e,f,g]; "Zusammenfassung der Ausgänge EUATION "**************************************************************** TUTH_TABLE "************** Funktionstabelle ****************************** (dipschalter -> [a,b,c,d,e,f,g ]) "Eingänge -> Ausgänge 0 -> [1,1,1,1,1,1,0 ]; " LEDs high-aktiv! 1 -> [0,1,1,0,0,0,0 ]; " a 2 -> [1,1,0,1,1,0,1 ]; " > [1,1,1,1,0,0,1 ]; " f g b 4 -> [0,1,1,0,0,1,1 ]; " > [1,0,1,1,0,1,1 ]; " e d c 6 -> [1,0,1,1,1,1,1 ]; " > [1,1,1,0,0,0,0 ]; 8 -> [1,1,1,1,1,1,1 ]; 9 -> [1,1,1,1,0,1,1 ]; B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

22 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 22 / chieberegister Definition G: Ein G ist eine chaltung, die eine Information taktgesteuert Bit für Bit einliest, die Information eine gewisse Zeit lang speichert und sie dann am Ausgang wieder abgibt. Grundbausteine: Grundsätzlich können für G s alle FF s mit Vorbereitungseingängen verwendet werden, also JK-FF, JK-M-FF und D-FF. Am häufigsten werden JK-M-FF eingesetzt. Die wichtigsten Anwendungen sind chieberegister für serielle Ein- und Ausgabe - mit Parallelausgängen - mit Parallelaus- und Paralleleingängen. Grundsätzlicher Aufbau eines G s aus JK-FF oder JK-M-FF: Die Vorbereitungseingänge J und K des jeweils folgenden FF werden mit den Ausgängen und * des jeweils vorherigen FF s verbunden. Alle Takteingänge liegen an einem gemeinsamen Takt; ein G ist somit eine synchrone chaltung, weil alle FF gleichzeitig reagieren! Vierstufiges G aus JK-M-FF: 1J C1 1K 1J C1 1K 1J C1 1K 1J C1 1K Takt eset Wie müssen J und K des ersten FF beschaltet werden? Bezeichnungen: E A A, B, C, D Funktion der chaltung: Zu Beginn seien alle FF über = 1 zurückgesetzt (bzw über / = 0 bei 0-aktiven ücksetzeingängen), d. h. an allen Ausgängen i liegt 0 an. Über den seriellen Eingang E können für das 1. FF folgende Werte an die Vorbereitungseingänge J und K angelegt werden: E J K Funktion : vorbereitet für etzen vorbereitet für ücksetzen Bis zum Ende des 1. Taktimpulses wird nun am erieneingang E eine 1 angelegt. Anschließend bleibt E bei allen weiteren Taktimpulsen auf 0. Erarbeiten ie das Zeitablaufdiagramm für die Ausgänge der FF! B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

23 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 23 / 24 Impulsdiagramm: Hinweis: Das E-ignal liegt etwas länger als der erste Taktimpuls. Takt : E A B C D Aus dem Impulsdiagramm kann man erkennen: Der zu Beginn an E anliegende Impuls wird mit jedem Taktimpuls um eine tufe weitergeschoben. Nach dem 4. Impuls erscheint das ignal am Ausgang der 4. tufe. Die Verzögerungszeit für das Durchschieben des Impulses ergibt sich somit zu: t ges = n * T. (n: Anzahl der tufen, T: Periodendauer des Taktes) Typisches Anwendungsbeispiel für chieberegister: Datenübertragung in der Computertechnik! Blockschaltbild: B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand:

24 DIGITALTECHNIK Carl-Engler-chule Datum: Geiger Karlsruhe eite: 24 / 24 Weiteres Beispiel: 4-Bit-eriell-Parallelwandler Die zu Beginn besprochene chaltung (vierstufiges G) kann als eriell-parallelwandler eingesetzt werden. Dazu wird am erieneingang E synchron mit dem Takt ein bestimmtes Bitmuster eingelesen. (Bei einem achtstufigen G könnte dies z. B. die Zeichenfolge sein. Dies entspricht der ACII-Darstellung des Großbuchstabens A!) Im Beispiel lesen wir das Bitmuster d3, d2, d1, d0 = 1, 0, 1, 1 ein! Takt : E d3 d2 d1 d0 A B C D Nach: 1. Impuls 2. Impuls 3. Impuls 4. Impuls A = d3 B = - C = - D = - Erkenntnis: Betrachtet man die FF-Ausgänge, so sieht man, dass nach dem 4. Taktimpuls die seriell eingelesene Information parallel zu Verfügung steht. Falls keine weiteren Taktimpulse mehr eintreffen, bleibt die Information an den Ausgängen erhalten. Bei weiteren Taktimpulsen (wie oben gezeichnet) wird die Information am Ausgang des letzten FF wieder rausgeschoben. Der Ausgang D wirkt somit als erienausgang A! Kurzschaltzeichen eines vierstufigen chieberegisters: B:\daten\word\DOC\te_tgj1\abl\te_tgj1_dig.odt tand: