HARDWARE-PRAKTIKUM. Versuch T-1. Kontaktlogik. Fachbereich Informatik. Universität Kaiserslautern

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1 HARDWARE-PRATIUM Versuch T-1 ontaktlogik Fachbereich Informatik Universität aiserslautern

2 eite 2 Versuch T-1 Versuch T-1 Vorbemerkungen chaltnetze lassen sich in drei lassen einteilen: 1. chaltnetze vom ontakttyp 2. chaltnetze vom Gattertyp 3. chaltnetze mit regelmäßiger truktur Dieser Versuch beschäftigt sich mit chaltnetzen vom ontakttyp. Gattertyp und regelmäßige truktur werden in den Versuchen 5,11 und 12 behandelt. Bei chaltungen mit ontaktlogik werden mechanische (z.b. Relais) oder elektronische (z. B. FET-Transistoren) chalter mit Hilfe elektrischer pannungen ein- oder ausgeschaltet. Wir wollen hier folgende Zuordnungen treffen: log. Pegel ontakt 0 Low offen stromlos 1 High geschlossen stromdurchflossen Tabelle 1 Abbildung 1 zeigt hierzu ein Beispiel: IN I 1 OUT R 1 U out GND I 2 Abbildung 1: elektronischer chalter

3 Versuch T-1 eite 3 Liegt der teuereingang IN auf O V (=GND), so ist der chalter nach Tabelle 1 offen, der trom I 1 = I 2 ist 0. Es baut sich also keine pannung am Widerstand R auf, der Ausgang OUT ist LOW (= log. 0). Wird IN auf log 1 (= High = 5 V) gelegt, so wird der chalter geschlossen, es fließt ein trom I 1 = I 2. Handelt es sich nun um einen idealen chalter, d.h. einen chalter, der im eingeschalteten Zustand keinen Widerstand besitzt, so wird U out = 5 V. Reale chalter, wie hier verwendet, besitzen jedoch einen Widerstand R on, so daß sich im eingeschalteten Zustand folgendes Bild ergibt: R on I 1 OUT GND R 1 I 2 U out Abbildung 2: Ersatzschaltbild 1 Die Ausgangsspannung ergibt sich dann nach der pannungsteilerformel zu R U out = R on + R 5 V Daneben besitzen reale chalter einen Eingangswiderstand R in und eine Eingangskapazität C in. Diese bewirkt, daß z.b. beim Ein- und Ausschalten von 1 in Bild 3 die pannung U in nicht sprunghaft ansteigt und abfällt, sondern nach einer e-funktion: R 1 C in R in - τ U in = U 0 1 e mit τ = R C t U in R OUT Abbildung 3: Ersatzschaltbild 2 GND

4 eite 4 Versuch T-1 Aufgabenstellung: Zur Durchführung des folgenden Versuchs sind 12 elektronische chalter mit ihren Anschlüssen zur Verfügung gestellt. Die interne Realisierung dieser chalter soll hier nicht interessieren. 1. Es sind die Widerstände R on der chalter 1 und 9 zu ermitteln. Überlegen ie sich dazu eine chaltung, die dies durch einfache pannungsmessung mit Hilfe eines Multimeters erlaubt. Beachten ie, daß der trom durch einen ontakt nicht größer als 10 ma sein darf. Benutzen ie folgende Widerstandswerte: 100 Ω, 1 Ω, 10 Ω, 100 Ω, 1 MΩ. Bauen ie die chaltung auf dem Protoboard auf. Die ontakte stehen auf der Anschlußleiste zur Verfügung. ist der ontakt, der teuereingang. 2. Ermitteln ie wie in 1 den Eingangswiderstand R in des chalters Es ist die Eingangskapazität C in von chalter 9 zu ermitteln. Bauen ie dazu folgende chaltung mit 1 und 9 auf. Wählen ie sich einen Messpunkt für das Oszilloskop und bestimmen ie eine Methode, mit der ie die apazität C in ermitteln können. Takt 56 kω 1 9 1kΩ Abbildung 4: Meßschaltung B Welche Taktflanke wählen ie zur Messung am günstigsten und warum? tellen ie die Frequenz des zur Verfügung gestellten Taktgenerators auf 1 khz ein. Machen ie sich mit der prinzipiellen Wirkungsweise eines Oszilloskops vertraut. Betätigen ie möglichst nur die in der Anleitung angegebenen Bedienelemente.

5 Versuch T-1 eite 5 4. Das folgende Bild stellt im Prinzip eine dynamische peicherzelle dar. Erklären ie kurz deren Funktion sowie deren Nachteil gegenüber statischen peicherzellen! Eingang Ausgang Takt 1kΩ Abbildung 5: dynamische peicherzelle B Bauen ie die chaltung auf und bestätigen ie Ihre Erklärung durch Messung! Verbinden ie zum Testen den Eingang Ihrer chaltung mit einem der beiden (mechanischen) chaltern A oder B, den Ausgang mit dem Oszilloskop. Messen ie die Zeit, während der die peicherzelle die Information hält, mit Hilfe des Oszilloskops 5. Es sind in ontaktlogik, also mit chaltern, folgende logische chaltungen zu enwerfen, aufzubauen und zu testen: a) Inverter b) NAND c) NOR d) Antivalenz B Verbinden ie zum Testen die Eingänge Ihrer chaltungen mit den chaltern A und B, den Ausgang mit dem Multimeter. Demonstrieren ie die mit B gekennzeichneten Messungen einem Betreuer

6 eite 6 Versuch T-1 Protoboardbelegung A0 +12V H0 1 A1 +12V H1 l A2 +12V H2 l A3 +12V H3 2 A4 +12V H4 2 A5 +12V H5 2 A6 +12V H6 3 A7 +12V H7 3 B0-12V I0 3 B1-12V I1 4 B2-12V I2 4 B3-12V I3 4 B4-12V I4 5 B5-12V I5 5 B6-12V I6 5 B7-12V I7 6 C0 V1=0...5V/ V J0 6 C1 V1=0...5V/ V J1 6 C2 V1=0...5V/ V J2 7 C3 V1=0...5V/ V J3 7 C4 V1=0...5V/ V J4 7 C5 V1=0...5V/ V J5 8 C6 V1=0...5V/ V J6 8 C7 V1=0...5V/ V J7 8 D0 V2= V 0 9 D1 V2= V 1 9 D2 V2= V 2 9 D3 V2= V 3 10 D4 V2= V 4 l0 D5 V2= V 5 l0 D6 V2= V 6 11 D7 V2= V 7 11 E0 L0 11 El L1 12 E2 L2 12 E3 L3 12 E4 L4 chaltera E5 L5 chalter B E6 L6 TAT E7 L7 REET (ACT. LOW) F0 M0 +12V F1 M1-12V F2 M2 +18,5V F3 M3-18,5V F4 M4 V1 F5 M5 F6 M6 V2 F7 M7 G0 N0 5V V.. (alt) G1 N1 5V V.. (alt)

7 Versuch T-1 eite 7 Lösungsblatt 1. chalter 1: R on = chalter 9: R on = 2. chalter 1: R in = 3. C in = 4. Nachteil der dynamischen peicherzelle: Haltezeit :...

8 eite 8 Fragen T-1 Fragen T-1 1. Was ist elektrischer trom? Was ist elektrische pannung? Nennen ie eine mechanische Analogie! 2. Aus welchen Elementen besteht ein tromkreis? 3. Durch welche Eigenschaften sind pannungs- und tromquellen charakterisiert? Wie mißt man diese Werte? 4. Welchen Einfluß haben ideale und dagegen reale Messgeräte auf die gemessene chaltung? 5. Wie wird im tromkreis trom und pannung gemessen? Was ist bei gleichzeitiger Messung beider Größen zu beachten? 6. Was sind die irchhoffschen Gesetze? Was bedeuten sie anschaulich? Was ist ihr physikalischer Hintergrund? 7. Was besagt das Ohm'sche Gesetz? Wann gilt es nicht? 8. Was kann man bei Parallel/erien-chaltung sicher und ohne Rechnung aussagen über den resultierenden Widerstand? Was gilt entsprechend bei ondensatoren? 9. Wie lauten die Formeln für Parallel/erienschaltung von Widerständen/ondensatoren? 10. Wie ermittelt man einen Widerstandswert mittels Vergleichswiderständen und nur durch pannungsmessung? Wie erreicht man dabei maximale Genauigkeit? 11. Warum sollte man die Eingangs- und Durchgangswiderstände von elektronischen chaltern nicht einfach mit dem Multimeter messen? 12. Wie lautet die Formel für die Ausgangsspannung eines pannungsteilers? Welchen Innenwiderstand hat diese pannungsquelle? 13. Wie verläuft pannung und trom beim Laden bzw. Entladen einer apazität? Wie lassen sich diese urven anschaulich erklären? Wie lauten die Formeln? 14. Was ist die Zeitkonstante eines RC-Glieds? 15. Was ist ein Hochpass & Tiefpass und wie funktioniert er anschaulich? 16. Mit welcher urve bestimmt man die Eingangskapazität des chalters und warum? Welche Rolle spielen dabei 37% bzw. 63% und warum? 17. In der zum Versuch angegebenen Auf/Entladeformel für die Eingangsspannung am realen chalter kommt ein Widerstand vor. Welcher Widerstand ist dies im Ersatzschaltbild? Wie lautet die korrekte Formel für die Bauelemente der chaltung? Welchen Maximalwert erreicht die pannung am ondensator? 18. Aus welchen Einheiten besteht (grob) ein Oszilloskop? 19. Welcher Mechanismus sorgt für ein stehendes Bild? Welchen Verlauf nimmt die X-pannung bei einer gegebenen periodischen Eingangsspannung und einem bestimmten dargestellten Ausschnitt des Verlaufs? 20. Was ist eine dynamische peicherzelle, was eine statische? Wie ermittelt man die Haltezeit der dynamischen Zelle? Was ist Refresh? 21. Was ist beim Entwurf von chaltungen in ontaktlogik zu beachten?

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