Institut für ernphysik der Universität zu öln Praktikum M Versuch Nr. 8c Digitale Elektronik I Stand 14. Oktober 2010
INHALTSVERZEICHNIS 1 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 2 1.1 Motivation.................................... 2 1.2 Praktische Hinweise............................... 2 2 Flip-Flop 3 3 Zähler 3 4 Schieberegister 4 5 Addierwerk 5
2 1 EINFÜHRUNG 1 Einführung 1.1 Motivation Speziell für kernphysikalische Experimente spielt die Verarbeitung digitaler Signale eine große Rolle. Angefangen bei schlichten Gates, die digital Messdaten selektieren bis zum Analyserechner erfolgt ein großer Teil der Informationsverarbeitung auf diese Weise. Die Funktionweise einiger digitaler Grundschaltungen sollen hier erarbeitet werden. Mit zwei Grundproblemen werden Sie vertraut gemacht: Zählung und Speicherung dualer Signale mit Flip-Flops Addition von zwei Dualzahlen in einem Rechenwerk Stichworte/Fragen zur Vorbereitung: Unterschied zwischen Gatter und Flip-Flop Wirkungsweise des Flip-Flops, insbesondere des MS-Flip-Flops Sinn und Funktion von Takt-, Set- und Reseteingängen 1.2 Praktische Hinweise Die Schaltungen sind vereinfacht schematisch mit Logiksymbolen gezeichnet. Sie müssen beim Experiment in die Realität umgesetzt werden. Die hierzu notwendigen Sockelschaltbilder und Datenblätter der IC s liegen beim Versuch aus. Die Pinnummerierung sämtlicher IC s orientiert sich an einer Einkerbung über Pin 1 (von oben gesehen), die an jedem IC angebracht ist. Von dort aus zählt man bei 1 beginnend gegen den Urzeigersinn. 2n n+1 1 2 3 n 1 n Bei jeder benutzten Funktionseinheit eines IC s müssen stets sämtliche Eingänge angeschlossen werden (auf definiertes Potential L oder H)! Denken Sie auch an die Set-/Preset- und Clear-Eingänge!
3 Zur Vermeidung von Fehlern empfiehlt sich ein stufenweiser Aufbau mit jeweiligen Tests der erweiterten Schaltung. Dies erleichtert die Erkennung etwaiger Fehler. Bei Fehlern brauchen Sie nicht alles neu aufzubauen, sondern versuchen Sie, die fehlerhaft arbeitende omponente einzukreisen. Schließen sie an die geeigneten und notwendigen Punkte der Schaltung immer genügend Anzeigeleuchtdioden an, um das Verhalten des Systems zu studieren. Dadurch wird insbesondere die Fehlersuche erleichtert. 2 Flip-Flop Bauen Sie zunächst als Vorversuch aus zwei NAND-Gattern (7400) ein Latch (Abb. 1), um mit der Funktion der Flip-Flops vertraut zu werden. Untersuchen Sie die möglichen Zustände. X_inv 1 7400 Y_inv 2 Abbildung 1: Latch Erweitern Sie dieses Latch mit einem Takteingang (Abb. 2). önnen Sie mit diesem Flip-Flop einen Dualzähler bauen? X 1 C 7400 Y 2 Abbildung 2: Taktlatch 3 Zähler Besonders vielseitig ist das zweiflanken-getaktete -MS-Flip-Flop (7476). Bauen Sie damit einen 5-Bit-Dualzähler (Abb. 3).
4 4 SCHIEBEREGISTER + C Abbildung 3: 5-Bit-Dualzähler Stichworte/Fragen: Wozu wird das MS-Flip-Flop vorwiegend gebraucht? Synchrone und asynchrone Steuerung. Welche Zählfunktion ergibt sich beim Anschluss der Anzeigedioden statt? 4 Schieberegister Als nächstes bauen Sie ein 6-Bit Schieberegister (mit MS-Flip-Flop 7476; Abb. 4): T 1 T T T T T 2 3 4 5 6 S C Abbildung 4: 6-Bit-Schieberegister Die Information wird (mit den 6 Tasten T 1... T 6 ) parallel auf die S-Eingänge gegeben. Untersuchen Sie das Durchschieben mit den Taktimpulsen C. Verbinden Sie dann die beiden Ausgänge (, ) mit den Eingängen einmal parallel, einmal über reuz. Stichworte/Fragen: Wozu dienen Schieberegister (Multiplikation, Division, Parallel/Seriell-Wandlung,... )? Wie schließen Sie die ersten -Eingänge an?
5 5 Addierwerk Trennen Sie das aufgebaute Schieberegister jetzt in der Mitte auf und erweitern Sie es zu einem 3-Bit-Dualaddierer (Abb. 5). Untersuchen und beschreiben Sie den Ablauf des Addiervorgangs (Löschen/ Einlesen/ Durchschieben/ Addieren/ Endspeichern). Überlegen Sie, wie Sie mit vier, aber auch mit drei Takten das Ergebnis ablesbar machen können. Stichworte/Fragen: Wirkungsweise eines Halb- und eines Volladdierers Wie lassen sich zwei Dualzahlen subtrahieren? Wirkungsweise eines D-Flip-Flops (7474) Wozu wird es bei diesem Addierer verwendet? Abbildung 5: 3-Bit-Dualaddierer Freiwillige Zusatzaufgabe zum Addierer Für diejenigen, die noch nicht an ihre Grenzen gestoßen sind: bauen Sie mit den weiteren D-Flip-Flops und einem NAND-Gatter einen Zähler, der nur genau drei Taktimpulse an den Addierer weitergibt.
6 5 ADDIERWER