Versuch EP9 Digitalelektronik Teil 1: Grundschaltungen und einfache Logikbausteine

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1 BERGISCHE UNIVERSITÄT WUPPERTAL FACHBEREICH C - PHYSIK ELEKTRONIKPRAKTIKUM Versuch EP9 Digitalelektronik Teil 1: Grundschaltungen und einfache Logikbausteine Version 2.14, TEX: 5. Februar 2014 I. Zielsetzung des Versuches Die Digitaltechnik ist heute einer der bedeutendsten Zweige der Elektronik. Angefangen von einfachen Steuerschaltungen bis zur allgegenwärtigen Computertechnik hat die digitale Signalverarbeitung längst auch die Gebiete der Analogtechnik erobert. Analoge Meßwerte werden digitalisiert, gespeichert, und weiterverarbeitet; an die Stelle analoger Bild- und Tonträger (Magnetband, Schallplatte) sind längst digitale Medien (CD, DVD) getreten. Aufgrund der Fülle des Stoffs wird das Thema Digitaltechnik auf drei Versuche verteilt: Im ersten Teil (EP9) sollen Sie einfache logische Grundschaltungen und ihre Realisierung mit einfachen Logikbausteinen (Digital-ICs) kennenlernen. In der zweiten und dritten Woche soll es dann um programmierbare Bausteine gehen. Zunächst beschäftigen wir uns im Versuch EP10 mit programmierbaren Logikschaltungen (CPLD, FPGA). Im Versuch EP11 geht es dann um Mikrocontroller, also die kleinere Version der Mikroprozessoren, die zentraler Bestandteil jedes Computers sind. Diese programmierbaren Bausteine sind heute oft sehr preisgünstig und erlauben die einfache Realisierung auch komplexer Steuerungsaufgaben, wo früher sehr viele einfache Logikbausteine verschaltet wurden. II. Vorkenntnisse 1. allgemeine und spezielle Vorkenntnisse Grundidee der Digitaltechnik (binäre Zustände 0 und 1), logische Grundverknüpfungen (UND, ODER, NICHT) Zahlensysteme (Binär-, Dezimal-, Hexadezimalsystem) Dynamische Logikbausteine (Zählflipflop, T-Flipflop) 1

2 III. Theorie zum Versuch 1. Elementare Logikverknüpfungen Die Digitaltechnik kennt nur zwei Zustände: Bezeichnung: wahr falsch Kurzform: 1 0 Realisierung: Spannung hoch oder Strom fließt Spannung niedrig oder kein Strom Die angegebene Realisierung entspricht der positiven Logik, die wie ab jetzt immer verwenden. (Es gibt auch eine negative Logik, bei ihr bedeutet 1 dann keine Spannung oder Strom.) Die beiden Zustände 0 und 1 können auf verschiedene Weise miteinander verknüpft werden, d.h. aus ein oder mehreren Eingangssignalen E1, E2,... wird ein Ausgangssignal A gebildet. Man unterscheidet die drei Grundtypen UND, ODER und NICHT (engl. AND, OR, NOT): 1.1. UND-Verknüpfung (AND): Nur wenn ausnahmslos alle Eingänge 1 sind, ist der Ausgang 1. Nur wenn E1 UND E2 UND E3... allesamt auf 1 sind, ist der Ausgang 1. Technisches Beispiel: Mehrere Schalter in Serie in einem Stromkreis: Nur wenn Schalter 1 UND Schalter 2 geschlossen ist, leuchtet die Lampe. Schaltungsbeispiel Europäisches, amerikanisches und DIN-Schaltsymbol 1.2. ODER-Verknüpfung (OR): Wenn mindestens ein Eingang 1 ist, ist der Ausgang 1. Wenn E1 ODER E2 ODER E3... (oder mehrere gleichzeitig) auf 1 ist/sind, ist der Ausgang 1. Technisches Beispiel: Mehrere Schalter parallel in einem Stromkreis: Wenn Schalter 1 ODER Schalter 2 geschlossen ist (oder beide geschlossen sind), leuchtet die Lampe. Schaltungsbeispiel Europäisches, amerikanisches und DIN-Schaltsymbol 1.3. NICHT-Verknüpfung (Inverter, NOT): Wenn der Eingang 1 ist, ist der Ausgang 0, also NICHT 1; wenn der Eingang 0 ist, ist der Ausgang 1, also NICHT 0. Technisches Beispiel: Ein NPN-Transistor in Emitterschaltung: Wenn an der Basis Spannung liegt (also eine 1), leitet der Transistor, die Spannung zwischen Kollektor und Emitter ist 0. Wenn an der Basis keine Spannung liegt (also eine 0), leitet der Transistor nicht, die Spannung zwischen Kollektor und Emitter ist hoch (also eine 1). Beachten Sie: Im Schaltsymbol weist ein Punkt oder Kringel auf die Invertierung hin. 2

3 Schaltungsbeispiel Inverter Europäisches, amerikanisches und DIN-Schaltsymbol Es gibt noch einige weitere Verknüpfungen, die aus einer Kombination aus UND, ODER und NICHT resultieren NICHT-UND-Verknüpfung (NOT-AND = NAND) und NICHT-ODER-Verknüpfung (NOT-OR = NOR) Eine NAND-Verknüpfung (man verwendet den einfacheren englischen Namen) entsteht, wenn hinter das AND- Gatter ein Inverter geschaltet wird. Eine NOR-Verknüpfung entsteht, wenn hinter das OR-Gatter ein Inverter geschaltet wird. Diese invertierte Logikfunktionen sind aus zwei Gründen von großer Bedeutung: - Erstens lassen sich durch Kombination mehrerer NAND- oder NOR-Verknüpfungen die obengenannten AND, OR, NOT erzeugen. NAND- und NOR-Elemente sind also die vielseitigeren Bausteine. - Technisch werden die Logikverknüpfungen meist mit Transistoren realisiert, wobei jeder Transistor gleichzeitig eine Inverterfunktion mitbringt (siehe obenstehendes Schaltungsbeispiel des Inverters). Daher ist die NANDoder NOR-Verknüpfung technisch einfacher zu realisieren und die Funktionen AND und OR sind tatsächlich oft invertierte NAND oder NOR. NAND NOR 1.5. Exklusiv-ODER (EXOR) und Exklusiv-NOR (EXNOR) Die gewöhnliche ODER-Verknüpfung ist eine nichtausschließende ODER-Verknüpfung: Es kann der eine ODER der andere Eingang 1 sein, es können aber auch beide Eingänge 1 sein, damit der Ausgang 1 ist. Manchmal ist aber die ausschließende ODER-Verknüpfung gewünscht, bei der entweder der eine ODER nur der andere Eingang 1 ist. Es muß also genau einer der beiden Eingänge 1 sein, aber nicht beide. Ein solches Element wird EX-OR genannt, seine Invertierung ist das EX-NOR. EXOR EXNOR 1.6. Zusammenfassung der Logikverknüpfungen Die folgende sogenannte Wahrheitstabelle zeigt die verschiedenen Ausgangssignale für zwei Eingangssignale A und B. A B AND OR NAND NOR EXOR EXNOR

4 2. Speicher- und Zählelemente (Flipflops) Von den verschiedenen Varianten der Flipflops wollen wir nur drei betrachten: das RS-Flipflop, das Zählflipflop und das D-Flipflop Das RS-Flipflop Das RS-Flipflop dient zum Speichern eines Zustandes, z.b. einer 1: Eine 1 am Eingang S (set) führt zu einer 1 am Ausgang (Q). Der Ausgang bleibt auf 1, auch wenn S wieder auf 0 ist. Erst wenn am R-Eingang (reset) eine 1 angelegt wird, wird Q zurückgesetzt, d.h. wieder 0. Neben dem Ausgang Q wird manchmal auch dessen Invertierung Q zur Verfügung gestellt. Die folgende Tabelle veranschaulicht das Verhalten des RS-Flipflops; aufeinanderfolgende Zeilen stellen zeitlich aufeinanderfolgende Zustände dar. In der Versuchsdurchführung erfahren Sie, wie man ein RS-Flipflop aus zwei NAND-Gattern bauen kann. Symbol R S Q Q Wahrheitstabelle 2.2. Das Zähl-Flipflop (T-Flipflop) Beim Zähl-Flipflop (auch Toggle-Flipflop oder T-Flipflop, engl. toggle = hin und her wechseln) sind nicht so sehr die (statischen) Logikpegel an den Eingängen von Bedeutung sondern die Änderungen der Pegel. Man spricht auch von Flanken. Ändert sich der Pegel von 0 auf 1, wird dies positive oder ansteigende Flanke genannt. Ändert sich der Pegel dagegen von 1 auf 0, wird dies negative oder abfallende Flanke genannt. Die Regel für das Zähl-Flipflop lautet nun: Der Ausgang ändert seinen Zustand, wenn am Eingang eine negative Flanke ist. Die folgende Tabelle veranschaulicht das Verhalten des T-Flipflops; aufeinanderfolgende Zeilen stellen zeitlich aufeinanderfolgende Zustände dar. In der Tabelle ist die ansteigende Flanke mit und die abfallende Flanke mit bezeichnet. Der Zähl- oder T-Eingang wird im Symbol oft mit CLK (engl. clock = Zähltakt) beschriftet. Der offene Pfeil bedeutet, daß der Eingang auf ansteigende Flanken reagiert. Durch den vorgeschalteten Inverter (Kringel vor dem Pfeil!) schaltet er aber bei abfallenden Flanken. Symbol Clk Q Wahrheitstabelle 4

5 2.3. Das Daten-Flipflop (D-Flipflop) Eine allgemeinere Form des Zähl-Flipflops ist das Daten-Flipflop oder D-Flipflop. Auch dieses Flipflop hat einen Takteingang (Clk), aber zusätzlich einen D-Eingang (Data). Der Clk-Eingang reagiert wie beim T-Flipflop auf ansteigende Flanken (oder abfallende Flanken, falls invertiert). Für den Ausgang Q gilt aber folgende Regel: Der Ausgang geht auf den Zustand, den der D-Eingang während der ansteigenden Flanke des Clk-Eingangs hat. Ist D auf 1, so geht Q während der Clk-Flanke auf 1. Daran ändern auch weitere Clk-Flanken nichts, solange D während dieser Flanken auf 1 ist. Ist D auf 0, so geht Q während der Clk-Flanke auf 0. Daran ändern auch weitere Clk-Flanken nichts, solange D während dieser Flanken auf 0 ist. Die folgende Tabelle veranschaulicht das Verhalten des Zähl-Flipflops; aufeinanderfolgende Zeilen stellen zeitlich aufeinanderfolgende Zustände dar. Symbol D Clk Q In den Logikbausteinen befinden sich meist Kombinationen dieser Flipflops. Im Baustein 4013 befinden sich 2 D-Flipflops, die zusätzlich eine R- und S-Eingang haben. Außerdem ist neben Q auch der invertierte Ausgang (im Schaltsymbol Q\) vorhanden. Als Baustein findet man T-Flipflops nur in Gruppen (als Zählerkette, siehe folgendes Kapitel), aber nicht einzeln. Ein einzelnes T-Flipflop kann man sich aber leicht aus dem oben gezeigten D-Flipflop bauen, indem man dessen Q\-Ausgang auf den D-Eingang zurückführt. (Wieso? Machen Sie sich klar, was bei einer hier positiven 1 Flanke passiert, also wenn der Datenwert gespeichert wird. Beachten Sie, daß es eine kleine Zeit (Nanosekunden) dauert, bis die neue Speicherung an den Q- und Q\-Ausgängen erscheint; dann ist die Flanke am Clock-Eingang schon vorbei.) 1 Will man auf negative Flanken speichern, setzt man noch einen Inverter vor den Clock-Eingang. 5

6 2.4. Verkettung von T-Flipflops (Binärzähler) Wieso das T-Flipflop auch Zähl-Flipflop genannt wird, wird deutlich, wenn wir die folgende Verkettung von T-Flipflops betrachten. Dabei ist der Q-Ausgang jedes Flipflops mit dem Clk-Eingang seines Nachfolgers verbunden 2. Wie verhält sich eine solche Kette, wenn der Eingang E fortlaufend Impulse bekommt, also zwischen 0 und 1 wechselt? Jedes Flipflop wird mit seinem Ausgang Q(n) seinen Nachbarn genau dann zum Toggeln bringen (d.h. dessen Ausgang Q(n+1) wechseln), wenn Q(n) einen Wechsel von 1 nach 0 (eine abfallende Flanke) macht. Das führt zu der Tabelle unten links, in der aus Platzgründen die Flanken selbst nicht mehr explizit dargestellt sind. Warum dieses System eine Zählkette ist, wird aus der Tabelle unten rechts deutlich. Offenbar nehmen die Q- Ausgänge nacheinander die Zustände des binären Zahlensystems an. Weist man den Q-Ausgängen die entsprechenden Wertigkeiten zu, also Q0 = 2 0 = 1, Q1 = 2 1 = 2, Q2 = 2 2 = 4, Q3 = 2 3 = 8, so ergeben sich die Zahlenwerte 0 bis 15. E Q0 Q1 Q Verhalten der Zählerkette Q0 (Wert 1) Q1 (Wert 2) Q2 (Wert 4) Q3 (Wert 8) Dezimalwert Zustände der Zählerkette = fortlaufende Zahlenwerte In einem BCD-Zähler 3 wird dafür gesorgt, daß er nach dem Zustand 9 (binär: 1001) wieder auf 0 zurückspringt, sein Q3-Ausgang macht dann eine negative Flanke und kann einen nachgeschalteten Zähler (für die Zustände 10 bis 90) weiterschalten. Die vier Ausgänge des Zählerblocks lassen sich noch umcodieren, so daß mit sieben Leitungen eine Siebensegmentanzeige angesteuert werden kann (Details siehe Versuchsdurchführung). 2 Anstelle des Inverters vor dem Clk-Eingang kann man auch einen Inverter hinter den Q-Ausgang des Vorgängers setzen oder falls vorhanden gleich dessen Q\-Ausgang benutzen. 3 BCD = Binary Coded Decimal = binär codierter Dezimalzähler 6

7 IV. Versuchsprogramm 1. Versuchsaufbau Die verschiedenen Logikschaltungen werden mit zwei verschiedenen Experimentiersystemen realisiert: Die elementarsten Logikverknüpfungen können mit einigen wenigen Dioden, Widerständen und einem Transistor aufgebaut werden. Wie setzen daher zunächst das bekannte Leybold-Stecksystem ein. Etwas komplexere Logikschaltungen wollen wir mit integrierten Bausteinen (ICs) aufbauen. Solche ICs haben oft 14 oder 16 Anschlüsse und würden auf dem Leybold-System entweder zu extrem großen Steckelementen führen oder aber zu einem unübersichtlichen Gewirr zahlreicher Bananenkabel. Man nutzt daher im Laboralltag für den schnellen und flexiblen Aufbau ein Steckbrett (sogenanntes Breadboard), bei dem die Kontakte wesentlich enger sitzen (2,54-mm-Raster) und mit (isolierten) Drahtstücken verbunden werden. Dieses Steckbrett und die verwendeten Bausteine werden in den nachfolgenden Abschnitten nach und nach vorgestellt. 2. Elementare Logikverknüpfungen mit dem Leybold-Stecksystem 2.1. UND-Verknüpfung Bauen Sie die folgende Schaltung mit den Leybold-Steckelemeten auf. Die Schalter realisieren Sie durch Steckbrücken oder Bananenkabel, die entweder gesteckt sind oder nicht. Beachten Sie: Die Schalter gehen hier nach Masse (0 Volt). Welchem Logikzustand (welcher Spannung) entspricht hier ein geschlossener/offener Schalter? Das Ausgangssignal betrachten wir mit einer Leuchtdiode (rote LED im Steckelement), bitte vergessen Sie nicht den Vorwiderstand (er wird spätestens bei der ODER-Schaltung unten gebraucht)! Außerdem messen wir die Ausgangsspannung U a mit einem Digitalvoltmeter. (Wieso macht es in dieser Schaltung keinen Sinn, die Spannungen E1, E2, E3 zu messen, also zwischen den Verbindungspunkten Diode/Schalter und GND?) Versorgen Sie die Schaltung mit 5 V. Messen Sie für alle Schalterkombinationen die Ausgangsspannung A (also U a bzgl. Masse GND). Die Ausgangsspannungen sind nicht genau 0 V oder 5 V (warum?). Darum ordnet man in der Digitaltechnik den Logikzustanden bestimmte Spannungsbereiche zu: Man definiert z.b. für die sogenannte TTL-Logik: Spannungsbereich Logikzustand 2,0 V bis 5,0 V 1 0,0 V bis 0,8 V 0 0,8 V bis 2,0 V undefiniert Füllen Sie unter Beachtung dieser Spannungsbereiche die Spalte A der folgenden Wahrheitstabelle aus. E1 E2 E3 A

8 2.2. ODER-Verknüpfung Bauen Sie die folgende Schaltung mit den Leybold-Steckelemeten auf. Beachten Sie: Die Schalter gehen jetzt nach Versorgungsspannung (5 Volt). Welchem Logikzustand (welcher Spannung) entspricht ein geschlossener bzw. offener Schalter? Das Ausgangssignal betrachten wir wieder mit einer Leuchtdiode (rote LED im Steckelement), bitte vergessen Sie nicht den Vorwiderstand, er wird in dieser Schaltung unbedingt gebraucht (warum?). Außerdem messen wir die Ausgangsspannung U a mit einem Digitalvoltmeter. (Wieso macht es auch in dieser Schaltung Sinn, die Spannungen E1, E2, E3 zu messen, also zwischen den Verbindungspunkten Diode/Schalter und GND?) Versorgen Sie die Schaltung wieder mit 5 V. Messen Sie für alle Schalterkombinationen die Ausgangsspannung A (also U a bzgl. Masse GND) und füllen Sie unter Beachtung der obengenannten Spannungsbereiche die Spalte A der folgenden Wahrheitstabelle aus. E1 E2 E2 A NICHT-Verknüpfung Bauen Sie die folgende Schaltung mit den Leybold-Steckelemeten auf. Da wir nur einen Schalter brauchen, können Sie das Steckelement mit dem grünen Taster verwenden. Auch hier geht der Schalter nach Versorgungsspannung (5 Volt). Welchem Logikzustand (welcher Spannung) entspricht ein geschlossener bzw. offener Schalter? Das Ausgangssignal betrachten wir wieder mit einer Leuchtdiode (rote LED im Steckelement), bitte vergessen Sie nicht den Vorwiderstand. Versorgen Sie die Schaltung wieder mit 5 V. Messen Sie für beide Schalterstellungen Eingangsspannungen E (bzgl. Masse, GND) und die Ausgangsspannung A (also Ua) und füllen Sie unter Beachtung der obengenannten Spannungsbereiche die Spalte A der folgenden Wahrheitstabelle aus. Wieso macht es diesmal Sinn, auch die Eingangsspannung E zu messen? E1 0 1 A 8

9 3. Versuchsaufbau für elementare Logikverknüpfungen mit ICs und dem Steckbrett 3.1. Steckbrett Wir wollen nun verschiedene Logikschaltungen mit integrierten Schaltkreisen, den ICs, aufbauen. Dazu verwenden wir ein Steckbrett (auch Steckplatine genannt oder engl. Breadboard). Es besteht aus einer Kunststoffplatte mit vielen kleinen Steckreihen. Dabei gilt folgendes: In den großen fünfzeiligen Feldern sind immer die 5 Kontakte einer senkrechten Reihe miteinander verbunden. In den zweizeiligen Felden sind die 5 waagerechten Kontakte miteinander und mit den waagerecht danebenliegenden 5er-Gruppen verbunden, aber nur bis zur Markierung W in der Mitte des Feldes. Die obere Zeile des zweizeiligen Feldes ist nicht mit der darunterliegenden Zeile verbunden. Die folgenden Abbildungen verdeutlichen die Verbindungen mit grünen Linien. Detail des Steckbretts grün = Interne Verbindung der Kontakte In den Raum zwischen den 5reihigen Feldern können ICs gesteckt werden, ihre Anschlüsse sind dann durch die 4 verbleibenden Kontakte senkrecht über oder unter dem IC verfügbar. Die zweireihen langen Kontaktblöcke dienen als die beiden Leitungen der Versorgungsspannung. An der linken Seite sind mehrere Bananenbuchsen eingeschraubt. Sie haben keine elektrische Verbindung zum Steckfeld. Hier können Bananenkabel (z.b. von Netzgerät) eingesteckt werden. Die Verbindung zum Steckfeld geschieht mit Drahtbrücken, die an den Bananenbuchsen eingeklemmt werden können. Achtung: Diese Banananbuchsen haben unter der eigentlichen Buchse einen Metall-Gewindebolzen mit Seitenloch und zwei lose Metallscheiben. Es genügt nicht, den Draht zwischen die beiden Scheiben einzuklemmen, weil sie diese keinen sicheren Kontakt mit dem Metallbolzen haben. Stecken Sie den blanken Draht unbedingt in das kleine Seitenloch im Bolzen und klemmen Sie dann fest, dann ist der Kontakt zur Buchse zuverlässig. Eine Empfehlung für die Verdrahtung der Versorgungsspannung finden Sie im Anhang. Wichtig: Verwenden Sie für die im Anhang dargestellte Verdrahtung der Spannungsversorgung (sie wird einmal am Anfang gesteckt) die farbigen dünnen starren Drähte. Diese sollten flach auf dem Board verlaufen. Für alle anderen Verdrahtungen (Signale), die sich häufig ändern, nehmen Sie die flexiblen grauen Drähte, die durch ihre dicken Steckerenden auch leichter zu benutzen sind. 9

10 3.2. Integrierte Schaltungen (ICs) ICs werden heute in vielen verschiedenen Gehäuseformen angeboten. Die kleinsten Gehäuse (z.b. TQFP) haben Anschlüsse im 0,5-mm-Raster (d.h. Anschluß nur 0,25 mm breit, dazwischen 0,25 mm Luft), bei manchen Gehäuse sind die Kontakte sogar auf der Unterseite (BGA, ball grid arrays) und damit von Hand nicht mehr lötbar. Eine mittlere Bauform sind die SO-Gehäuse (SO = small outline) mit 1,27-mm-Raster. Wir verwenden hier jedoch die klassischen DIL-Gehäuse (dual in line) mit einem Raster von 2,54 mm (einem Zehntel Zoll), die sich auch in unserem Steckbrett verwenden lassen. Beim DIL-Gehäuse sind die Anschlüsse (kurz: Pins) in zwei Reihen an den Längsseiten des Gehäuses. Alle Pins haben eine Nummer, beim DIL16-Gehäuse mit seinen 16 Pins also von Nr. 1 bis Nr. 16. Für das Durchnumerieren der IC-Pins gibt es eine einfache Regel: Jedes IC hat an seiner linken Seite eine Kerbe oder links unten einen Punkt (oder eine kleine Delle) im Gehäuse. Dort links unten ist immer Pin 1. Man zählt jetzt die untere Reihe von links nach rechts durch: 1,2,3,4,5,6,7,8 (Pin 8 ist also unten rechts. Dann geht man nach oben rechts zu Pin 9 und zählt oben von rechts nach links (Achtung: umgekehrte Richtung also!), also 9,10,11,12,13,14,15,16. Oben rechts ist also Pin 16. Im Schaltbild liegen die Pins oft in einer anderen Reihenfolge als am Gehäuse, weil man im Schaltplan gern Funktionsgruppen bildet (z.b. alle Eingänge links, alle Ausgänge rechts am IC-Symbol). Daher werden die Pins im Schaltplan immer mit ihrer Nummer bezeichnet. Machen Sie sich daher unbedingt mit der obengenannten Zählweise vertraut und achten Sie stets auf die Kerbe oder den Markierungspunkt! Bei vielen einfachen Digital-ICs ist der Pin rechts unten (z.b. Nr. 8) der Minusanschluß der Versorgungsspannung (Masse, GND, bei manchen ICs auch VSS genannt); der Pin links oben (z.b. Nr. 16) ist der Plusanschluß (oft VCC oder VDD genannt). Wenn Sie ein IC versehentlich gedreht einstecken, vertauschen Sie somit die Versorgungsspannung und zerstören damit sofort das IC! 3.3. Anzeigeelemente für IC-Ausgänge: LEDs, LED-Zeilen und Siebensegmentanzeigen Für unsere einfachen Logikschaltungen genügt es oft, die Spannung am IC-Ausgang mit eine LED anzuzeigen. Der Umgang mit LEDs ist Ihnen aus den bisherigen Versuchen bereits bekannt, trotzdem nochmal der Hinweis, daß LEDs immer über einen Vorwiderstand angeschlossen werden müssen. Zwar können unsere Digital-ICs nur einige ma Ausgangsstrom liefern, so daß die LED nicht gefährdet ist, sie könnte aber durch einen Schaltfehler direkt mit der Versorgungsspannung verbunden sein und würde dann ohne Vorwiderstand zerstört. Hat man mehrere Ausgänge gleichzeitig zu beobachten, so ist der Einsatz einer LED-Zeile praktisch. Bei ihr sind die LEDs nebeneinander in einem DIL-Gehäuse untergebracht und ihre jeweiligen beiden Anschlüsse befinden sich meist oben und unten neben der jeweiligen LED. Wo nun die Kathode und die Anode ist, entnimmt man dem Datenblatt oder prüft es einfach nach. Bei den hier verwendeten LED-Zeilen ist das Gehäuse an einer der vier Ecken abgeschrägt, an der zugehörigen langen Seite sind die Anoden der LEDs. Verwenden Sie bei einer Versorgungsspannung von 5 Volt einen Vorwiderstand von 1 kω. 10

11 Ordnet man 8 LEDs so an, daß man mit 7 Strichen (Segmenten) Ziffern darstellen kann (die achte LED ist der Dezimalpunkt), so erhält man eine Siebensegmentanzeige. Für die 8 LEDs brauchen wir eigentlich 2 x 8 = 16 Leitungen. Die Anzeige hat aber nur 10 Anschlüsse, denn man hat die Minuspole (Kathoden) aller LEDs zusammengefaßt, sie liegen an einem gemeinsamen Anschluß unten in der Mitte und auch oben in der Mitte. Die übrigen 8 Anschlüsse sind die eigenen Pluspole (Anoden) jeder LED. Die Segmente werden im Uhrzeigersinn mit kleinen Buchstaben a,b,c,d,e,f,g gekennzeichnet, der Dezimalpunkt heißt DP. g f CC a b a f b g e d c DP e d CC c DP Die 10 Anschlüsse werden wie bei ICs unten von links nach rechts mit 1 bis 5 und oben von rechts nach links mit 6 bis 10 numeriert. Aus der Abbildung geht hervor, an welchem Pin welches Segment liegt. Neben den Anzeigen mit gemeinsamer Kathode (CC, common cathode) gibt es meist auch eine baugleiche Anzeige mit gemeinsamer Anode (CA, common anode) und somit individuellen Kathoden. 11

12 3.4. Erzeugung von Eingangssignalen: DIP-Schalter Möchte man eine größere Zahl von Signalen von Hand schalten, bieten sich die DIP-Schalter als platzsparende Möglichkeit an. Auch sie haben zwei Anschlußreihen und wie bei den LED-Zeilen gehört zu jedem Schalterelement der jeweils darüber und darunter liegende Pin. Die Beschriftung ON markiert die geschlossene Schalterstellung Pullup/Pulldown-Widerstände, Widerstandsnetzwerk (SIL-Netzwerk) Es ist keine Lösung, den Eingang eines ICs nur mit einem Schalter mit z.b. dem Pluspol der Versorgungsspannung zu verbinden. Sobald der Schalter geöffnet ist, hängt der IC-Eingang in der Luft und fängt sich durch Störfelder beliebige Spannungen und damit völlig undefinierte Logikpegel ein. Man verbindet daher den Eingang zusätzlich über einen Widerstand mit einem definierten Pegel (z.b. GND). Der Widerstand zieht den Pin nach GND herunter (pull down). Falls der Schalter mit GND verbindet, muß der Widerstand nach Pluspol hochziehen (pull up). Als Widerstandswert reichen bei CMOS-ICs mehrere 100 kω aus. links: Undefinierter IC-Eingangspegel bei offenem Schalter, rechts: Pull-down-Widerstand definiert GND-Pegel Werden mehrere IC-Eingänge derart beschaltet, so sind die Widerstände an einer Seite alle gemeinsam verbunden. Für diesen Zweck gibt es Widerstandsnetzwerke aus z.b. 8 Widerständen, die mit einem 9-Pin-Gehäuse auskommen (SIL, single in line). Der gemeinsame Anschluß ist auf dem Gehäuse mit einem Punkt oder Strich besonders markiert. Wir verwenden hier ein Netzwerk mit 8 Widerständen zu je 10 kω (beschriftet 103, d.h ). 12

13 4. Elementare Logikverknüpfungen mit ICs und dem Steckbrett Wir wollen nun einige Logikverknüpfungen aufbauen. Dazu verwenden wir den Baustein 4093, der vier NAND- Gatter mit je zwei Eingängen enthält. Das IC hat 14 Pins, die wie folgt beschaltet sind: 4.1. NICHT-UND-Verknüpfung (NAND) Bauen Sie auf dem Steckbrett die folgende Schaltung auf. Die beiden Schalter sind im 8fach-DIP-Schalter, die Pull- Down-Widerstände R1 und R2 im SIL-Netzwerk (z.b. 10 kω, mit 103 beschriftet). Achten Sie auf den richtigen Anschluß des Netzwerks. Der gemeinsame Anschluß aller Widerstände ist auf dem Gehäuse mit einem Punkt oder Strich besonders markiert. Die LED und deren Vorwiderstand (R3 = 1 kω) sind Einzelbauteile. Vergessen Sie nicht die Versorgungsspannung (z.b. 5 V) anzuschließen, Plus (VDD) an Pin 14 und Minus (GND, hier auch VSS genannt) an Pin 7! Eine Empfehlung für die Verdrahtung der Versorgungsspannung finden Sie im Anhang. Verwenden Sie für diese Versorgungsverdrahtung die kurzen, farbigen Drahtbrücken. Für die Signalverkabelung (die sich ja im Versuch immer wieder ändert) nehmen Sie die langen grauen/blauen Kabelstücke, die an ihren Enden kleine Steckerpins haben. Die Pin-Nummern am Gatter sind nur Beispiele, Sie können jedes der vier Gatter gleichwertig verwenden. Das Zeichen in der Mitte des Gattersymbols weist auf einen sogenannten Schmitt-Trigger hin, das ist ein Schaltkreis, der für saubere Umschaltschwellen am Eingang sorgt. Wir werden ihn später noch erklären, vorerst ist das für Sie ohne Bedeutung. Beobachten Sie mit der LED für alle 4 Schalterkombinationen die Ausgangsspannung A und füllen Sie die Spalte A der folgenden Wahrheitstabelle aus. Zur Erinnerung: Hohe Spannung (5 V, LED an) ist logisch 1, niedrige Spannung (0 V, LED aus) ist logisch 0. E1 E2 A

14 4.2. UND-Verknüpfung (AND) Wie können mit unseren NAND-Gattern ein AND-Gatter bauen, wenn wir den Ausgang des NAND über einen Inverter führen. Den Inverter bauen wir uns aus einem zweiten NAND-Gatter, dessen beiden Eingänge einfach zusammengeschaltet werden. Bauen Sie auf dem Steckbrett die folgende Schaltung auf. Alle Bauelemente sind dieselben wie beim NAND- Gatter. Beobachten Sie mit der LED für alle 4 Schalterkombinationen die Ausgangsspannung A und füllen Sie die Spalte A der folgenden Wahrheitstabelle aus. E1 E2 A ODER-Verknüpfung (OR) Wir können mit unseren NAND-Gattern auch ein OR-Gatter bauen. Überlegen Sie sich, wie die folgende Schaltung funktioniert. Dazu füllen Sie die folgende Wahrheitstabelle aus. Tragen Sie zunächst in die Spalten E3 und E4 (das sind die Eingänge des rechten NAND, siehe Schaltbild) ein, welche Zustände sich für die entsprechenden E1 und E2 ergeben werden. Danach betrachten Sie die E3 und E4 und bilden aus diesen die NAND-Verknüpfung für den Ausgang A. E1 E2 E3 E4 A Bauen Sie auf dem Steckbrett die folgende Schaltung auf. Alle Bauelemente sind dieselben wie beim NAND- Gatter. Beobachten Sie mit der LED für alle 4 Schalterkombinationen die Ausgangsspannung A und vergleichen Sie mit Ihrer Vorhersage in der Wahrheitstabelle. Funktioniert Ihr OR-Gatter wie erwartet? 14

15 4.4. Inverter und Schmitt-Trigger Den Inverter haben Sie bereits in den vorherigen Schaltungen verwendet. Wir wollen ihn jedoch besonders betrachten, um dabei die Wirkungsweise des eingebauten Schmitt-Triggers zu verstehen. Als Eingangssignal verwenden Sie daher kein Digitalsignal eines Schalters, sondern eine einstellbare Gleichspannung. Die Versorgungsspannung des ICs bleibt aber wie bisher bei festen 5 V. R vor der LED bleibt hier und in den folgenden Versuchen bei 1 kω. Bauen Sie auf dem Steckbrett die folgende Schaltung auf. Achten Sie auf den Eingangswiderstand R1 (1 oder 10 kω). Er schützt das IC, denn falls die Eingangsspannung größer als die Versorgungsspannung oder negativ wird, beginnt eine Schutzschaltung zu leiten. Zu hohe Ströme würden das IC zerstören. Stellen Sie zunächst eine Eingangsspannung von 0 V ein. Wegen der Inverterfunktion leuchtet die LED. Vergrößern Sie dann langsam die Eingangsspannung und messen Sie, bei welchem Wert der Ausgang auf 0 geht (LED geht aus). Danach reduzieren Sie langsam die Eingangsspannung und messen, wann der Ausgang wieder auf 1 geht. Die Schaltschwellen liegen offenbar auseinander. Dieses Phänomen, das auch als Hysterese bezeichnet wird, haben Sie schon beim Versuch EP8 mit den Reglerschaltungen kennengelernt, als der Opamp positiv zurückgekoppelt wurde. Durch die getrennten Schaltschwellen hilft der Schmitt-Trigger, unsaubere (verrauschte) Eingangssignale für digitale Schaltkreise zu bearbeiten: Ein kleines Rauschsignal führt nicht mehr zum Flattern des Ausgangssignals, denn sobald die Eingangsspannung ein bestimmte Schwelle überschritten hat und der Schmitt-Trigger umgeschaltet hat, muß die Eingangsspannung eine deutlich tiefere Schwelle unterschreiten, um den Schmitt-Trigger zurückzuschalten. Nach diesem Zurückschalten muß erst wieder die höhere Schwelle erreicht werden, um erneut umzuschalten. A(t) U s U e,ein U e,aus U e A(t) t t t Hat ein Schmitt-Trigger einen Inverterausgang wie bei unserem IC 4093, so kann man damit sehr leicht einen Rechteckgenerator bauen. Bauen Sie die folgende Schaltung auf. Wählen Sie zunächst R1 etwa 100 kω (kann auch ein abweichender Wert zwischen 50 und 200 kω sein) und C = 10 µf. Wieso blinkt die LED? 15

16 Verkleinern Sie R1 und C. Falls Sie kein Blinken oder Flackern mehr sehen können, schließen Sie den 2000 Ω- Kopfhörer und hören Sie sich das Ausgangssignal an. Sie können auch das Oszilloskop verwenden. Bis zu welcher Frequenz können Sie den Oszillator schwingen lassen? (Tip: Machen Sie R1 nicht kleiner als 1 kω, reduzieren Sie eher den Wert von C. Sollten Sie mit der Beschriftung der Bauelemente nicht klar kommen, können Sie auch Kapatzitäten mit dem Multimeter nachmessen.) 4.5. Speicherbausteine: Das RS-Flipflop Mit zwei NAND-Gattern läßt sich ein Speicherelement bauen. Es wird als bistabiles Kippglied bezeichnet oder wegen seiner Eingänge R (reset, rücksetzen) und S (set, setzen) als RS-Flipflop. Bauen Sie die folgende Schaltung auf. Beide Schalter sollen zu Beginn geschlossen sein (da die Schalter mit +5 V verbinden, bedeutet das: beide Eingänge sind am Anfang auf 1). Öffnen Sie dann abwechselnd entweder kurz den einen Schalter R oder kurz den anderen Schalter S. Achten Sie darauf, daß nicht beide Schalter gleichzeitig geöffnet sind. Sie sehen, daß sich die Schaltung merkt (speichert), wenn ein kurzer Impuls am R bzw. S-Eingang war. Beachten Sie: hier wird durch eine kurze 0 (und nicht durch eine 1) gesetzt bzw. zurückgesetzt. Deshalb sind die Eingänge an den Gattern auch mit R und S bezeichnet (R-nicht oder R-quer bzw. S-nicht oder S-quer), also invertiert. Zum Verständnis der Arbeitsweise betrachten Sie in der folgenden Tabelle für die verschiedenen Zustände R und S an den Gattereingängen die Ausgänge Q und Q (gesprochen: Q nicht ). Aufeinanderfolgende Zeilen bedeuten wieder zeitlich aufeinanderfolgende Zustände. Tragen Sie Zeile für Zeile die Werte für Q und Q ein und beachten Sie, daß die Ausgänge Q und Q auf die zweiten Eingänge der NANDs zurückgekoppelt werden. R S Q Q Man kann mit dieser Schaltung keine kurzen 1-Impulse abzuspeichern. Probieren Sie es aus, indem Sie beide Schalter öffnen, also beide Eingänge auf logisch 0, und abwechselnd einen Schalter kurz schließen. Wie könnte man die Schaltung zum Speichern von 1-Impulsen ändern? Tip: Sie müßten die Eingangssignale invertieren. In Ihrem IC sind noch zwei unbenutzte NAND-Gatter. Zeichnen Sie den entsprechenden Schaltplan. 16

17 4.6. Das Zähl-Flipflop Im Baustein 4040 befindet sich eine Kette aus 12 Zähl-Flipflops. Beachten Sie dabei: - Es gibt mehrere Zählweisen (ab 0 oder ab 1). Im unserem Schaltplansymbol werden die Q-Ausgänge anders gezählt: Q0 wird zu Q1, Q1 wird zu Q2 usw. - Die Q-Ausgänge sind leider wahllos auf die Pins verteilt. Das ist fertigungsbedingt, man konnte auf dem Halbleiterchip die Ausgänge wohl nicht anders herausführen. Pinbelegung Schaltplansymbol Bauen Sie die folgende Schaltung auf. Achten Sie darauf, den 4093 und den 4040 mit Spannung zu versorgen (Pins 7/14 bzw. 8/16), und zwar in der richtigen Polarität! Für die LEDs nehmen sie die LED-Zeile. Der Oszillator mit dem NAND-Gatter sollte zunächst mit ca. 1 Hz oder langsamer schwingen, so daß man die Zählimpulse gut erkennen kann. Nehmen Sie für R1 und C die entsprechenden Werte aus Versuchsteil Schließen Sie an die 4 (maximal 10) untersten Ausgänge des 4040 als LED2 bis LED9 die LEDs der 10fach- LED-Zeile an. Für R2 bis R9 können Sie ein 8fach-Widerstandsnetzwerk nehmen, allerdings anstelle des 10 kω- Netzwerkes eines mit 330 Ω (beschriftet 331, also ), sonst sind die LEDs nicht sehr hell. Wenn Sie auch noch die 9. und 10. LED verwenden möchten, nehmen Sie zwei einzelne Widerstände (z.b. 470 Ohm). Für LED1 nehmen sie wieder 1 kω. Beobachten Sie, wie sich mit jedem Impuls des Oszillators das binäre Muster an den LEDs um eins erhöht. Erhöhen Sie die Frequenz auf einige 100 Hz und hören Sie sich die Ausgangssignale mit dem Kopfhörer an. Welches Frequenzverhältnis hat jeder Ausgang Q(n) zu seinem Nachbarn Q(n+1)? 4.7. Ziffernanzeige mit dem Siebensegmentdecoder 4511 Der Siebensegmentdecoder 4511 hat vier Eingänge 4 IA (D1), IB (D2), IC (D3) und ID (D4), an die die vier Ausgänge Q1, Q2, Q3 und Q4 gelegt werden können. Seine 7 Ausgänge werden mit den 7 Segmenten des Sieben- 4 Auch hier gibt es je nach Hersteller verschiedene Bezeichnungen, man erkennt aber immer die Zuordnungsreihenfolge: A bis D oder 1 bis 4. 17

18 segmentanzeige verbunden. Die Arbeitsweise des Decoders können Sie sich als eine Ansammlung von Logikgattern vorstellen. Eine detaillierte Beschreibung finden Sie im Anhang. Pinbelegung Schaltplansymbol Es gibt noch 3 weitere Steuereingänge, die wir hier nicht untersuchen wollen und daher wie im Schaltbild gezeigt fest mit logisch 1 (5 V) bzw. 0 (GND) verbinden. Falls Sie sie trotzdem ausprobieren möchen: Ihre Funktionen sind: LT (Pin 3) muß normalerweise auf 1. Eine 0 bewirkt, daß alle Segmente leuchten (LT = lamp test) BI (Pin 4) muß ebenfalls 1 liegen. Eine 0 schaltet die Anzeige aus (sofern LT=1). BI steht für blank input LE (Pin 5) muß auf 0 liegen. Er wirkt in etwa so wie der Clk-Eingang eines D-Flipflops, d.h. wenn LE auf 1 wechselt, werden die an A,B,C,D anliegenden Daten gespeichert (Anzeige wird eingefroren ). Solange LE auf 0 liegt, kommen die aktuellen Daten immer unmittelbar zur Anzeige. (BI und LT müssen aber auf 0 liegen). Das ganze Verhalten des Decoders beschreibt wieder eine Wahrheitstabelle (X = Zustand egal = darf 0 oder 1 sein, * = bisheriger Zustand gespeichert = Anzeige eingefroren). LE BI LT D C B A a b c d e f g Display X X 0 X X X X X 0 1 X X X X X X X X * * * * * * * * Bauen Sie die folgende Schaltung auf. Sie unterscheidet sich von der bisherigen nur dadurch, daß die Ausgangssignale des 4040 nicht mit LEDs, sondern über den 4511 mit einer Siebensegmentanzeige als Ziffern (also im Klartext) dargestellt werden. Stellen Sie den Oszillator (das 4093) auf etwa 1 Hz, damit Sie die Zahlen gut sehen können. Vergessen Sie nicht, die Pins 3, 4 und 5 des 4511 anzuschließen! Für R2 bis R8, also als Vorwiderstände für das Display, nehmen Sie einzelne Widerstände von 1 kω. 18

19 Zwischen der Anzeige der 9 und der 0 ist eine längere Pause. Ursache sind die Zustände 10 bis 15, die vom 4511 nicht decodiert werden, die Anzeige bleibt dunkel. Bei einem echten Dezimalzähler folgt aber der 9 die 0 unmittelbar. Wir können das auch beim 4040 erreichen, indem wir dafür sorgen, daß er im richtigen Moment, nämlich beim Zustand 10 (warum?) auf 0 zurückgesetzt wird. Dazu nutzen wir den Rücksetz-Eingang (RES, Pin 11) des 4040 und bauen mit zwei Dioden und einem Widerstand (R9 = 1 kω) ein UND-Gatter. Modifizieren Sie die Schaltung an dieser Stelle. Die Gesamtschaltung sieht dann so aus: Digitaltechnisch ordentlicher ist es, mit richtigen Gattern zu arbeiten. Da wir noch NANDs im 4093 übrig haben, wäre auch folgendes möglich: 19

20 4.8. Ampelsteuerung mit dem 4017 Der 4017 ist ein Dezimalzähler, d.h. er kennt nur die Zustände 0 bis 9. Bei ihm werden aber nicht 4 Leitungen mit dem Binärcode herausgeführt, sondern es gibt 10 Ausgänge Q0 bis Q9, von denen nacheinander genau einer auf 1 ist, alle anderen sind 0. Am Anfang (nach Reset) ist Q0 auf 1. Beim ersten Takt geht Q0 auf 0 und Q1 auf 1. Beim nächsten Takt geht Q1 auf 0 und Q2 auf 1 usw. Beim zehnten Takt geht Q9 auf 0 und wieder Q0 auf 1. Pinbelegung Schaltplansymbol Sein Verhalten beschreibt die folgende Tabelle. Leider sind die Bezeichnungen der Pins im Datenblatt und im Schaltplansymbol wieder verschieden, siehe Hinweise unter der Tabelle. In der Tabelle bedeutet X wieder: egal ob 0 oder 1. Die Pfeile symbolisieren ansteigende oder abfallende Flanken. MR CP 0 CP 1 Funktion RES CLK ENA (Reset) (Clock) (enable) 1 X X Reset, Q0 = Zähler zählt weiter 0 0 keine Änderung 0 X 1 keine Änderung 0 1 keine Änderung 0 1 Zähler zählt weiter 0 0 X keine Änderung Der Anschluß CP 1 = ENA (d.h. enable = Freigabe) kann zur Freigabe des Takteingangs benutzt werden, aber auch als Takteingang für negative Flanken (CLK ist dann der Freigabe-Eingang). Daher kann der Zähler mit ansteigenden oder abfallenden Flanken getaktet werden. Die folgende Abbildung zeigt, daß CP 1 (ENA) über einen Inverter und CP 0 (CLK) direkt auf ein UND-Gatter gehen, mit dessen Ausgang der Zähler getaktet wird (der Begriff Johnsonzähler soll hier nicht weiter ausgeführt werden). Der Ausgang CO (Pin 12) ist nur dann 1, wenn Q0 oder Q1 oder Q2 oder Q3 oder Q4 auf 1 ist; von Q5 bis Q9 ist er 0. CO wirkt dadurch wie ein Frequenzteiler mit Faktor 10. CO steht für carry output (Übertrag-Ausgang) und bedeutet, daß hier der Takt für die nächste Zählerstufe geliefert wird. 20

21 Wenn noch Zeit ist, können Sie die folgende Ampelsteuerung aufbauen. Der 4017 wird mit etwa 1 Hz getaktet und seine Ausgänge werden über eine ODER-Logik aus Dioden verknüpft, um drei LEDs (rot, gelb grün) anzusteuern. Warum können die Ausgänge Q0 bis Q9 nicht direkt miteinander verbunden werden? Für die Dioden D1 bis D10 können Sie diesmal (und nur hier!) anstelle der einzelnen Dioden auch die LED-Zeile 5 verwenden. So sehen Sie gleichzeitig, bei welchem der 10 Zustände Ihr Zähler ist. Für D11 nehmen Sie dann eine weitere rote LED. R2 bis R4 haben 470 Ω. 5 Wegen des höheren Spannungsverlustes an den LEDs der LED-Zeile leuchten die drei Ampel-LEDs deutlich dunkler. Sie können jetzt aber die Versorgungsspannung auf bis zu 10 V erhöhen. 21

22 Anhang Arbeitsweise eines Siebensegmentdecoders (nur für Interessierte!) Die Arbeitsweise des Decoders können Sie wie folgt als Kombination von Logikgattern verstehen. Zuerst werden zu den Eingangssignalen A, B, C und D noch die Invertierungen Ā, B, C und D erzeugt. 10 UND-Gatter mit je 4 Eingängen erhalten Kombinationen aus diesen 8 Signalen und decodieren zunächst, welcher der 10 sinnvollen Zustände (0 bis 9) anliegt. Beispiel: Der Zustand 2 liegt genau dann vor, wenn (Ā = 1) UND (B = 1) UND ( C = 1) und ( D = 1). Die Ausgänge jedes UND-Gatters werden dann auf ODER-Gatter verteilt, welche die Segmente ansteuern. (Bei den dargestellten ODER-Gattern bedeuten offene Eingänge eine 0). Beispiel: Das Segment a muß leuchten, wenn der Zustand 0 ODER 2 ODER 3 ODER 5 ODER 7 ODER 8 ODER 9 vorliegt. Der Schaltplan zeigt einen Ausschnitt. Die technische Realisierung geht geschickter vor und faßt die UND- und ODER-Funktionen möglichst effizent zusammen. Das Ergebnis ist das folgende Innenleben (inclusive Steuerleitungen und Speicher-Flipflops), welches nur noch schwer zu durchschauen ist. 22

23 Elektronikpraktikum Vorschlag zur Verdrahtung der Versorgungsspannung auf dem Steckbrett 5 Volt vom Netzteil PLUS MINUS LED-Zeile zur roten Ampel-LED zur gelben Ampel-LED zur grünen Ampel-LED <-- bilde 3 Kontaktreihen zum Zusammenfassen der Dioden * R-Netzwerk 10 k Schalter

24 Teileliste R: 1 SIL-Netzwerk 8 x 330 Ω Ohm 12 1 kω 1 SIL-Netzwerk 8 x 10 kω (103) 1 10 kω kω (kann auch ein abweichender Wert zwischen 50 und 200 kω sein.) C: 1 10 µf D: 2 LED 1 LED-Zeile 1 Siebensegmentanzeige (gemeinsame Kathode) ca. 10 Dioden (1N4148) IC: