Institut für ernphysik, Universität zu öln Praktikum M Versuch 3.9 Digitale Elektronik Stand: 8. uni 205 Zusammenfassung Moderne kernphysikalische Experimente verwenden fast ausschließlich digitale Datenaufnahmesysteme, um die anfallenden (analogen) Signale umzuwandeln, zu verarbeiten und auf die in ihnen steckenden Informationen hin zu untersuchen und auszuwerten. Innerhalb dieses Versuchs wird anhand einfacher digitaler Grundschaltungen (Zähler, Schieberegister, Addierwerk) die für die Experimentalphysik wichtige Weiterverarbeitung digitaler Signale erlernt. Dazu wird ein Schieberegister und ein digitaler Addierer aus Logikbausteinen aufgebaut. Einführung 2. Motivation............................................ 2.2 Praktische Hinweise....................................... 2 2 Flip-Flop 3 3 Zähler 4 4 Schieberegister 4 5 Addierwerk 5 6 Freiwillige Zusatzaufgabe zum Addierer 5 A Sicherheitshinweise 6
2 EINFÜHRUNG Einführung. 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 Funktionsweise einiger digitaler Grundschaltungen sollen hier erarbeitet werden. Mit zwei Grundproblemen werden Sie vertraut gemacht: Zählung und Speicherung binärer Signale mit Flip-Flops Addition von zwei Binärzahlen 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.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 Is liegen beim Versuch aus. Die Pinnummerierung sämtlicher Is orientiert sich an einer Einkerbung über Pin (von oben gesehen), die an jedem I angebracht ist. Von dort aus zählt man, bei beginnend, entgegen dem Uhrzeigersinn. 2n n+ 2 3 n n Bei jeder benutzten Funktionseinheit eines Is müssen stets sämtliche Eingänge angeschlossen werden (auf definiertes Potential L oder H)! Denken Sie auch an die Set-/Preset- und lear-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 (siehe Abb. ), um mit der Funktion der Flip-Flops vertraut zu werden. Untersuchen Sie die möglichen Zustände. X_inv 7400 Y_inv 2 Abbildung : Latch Erweitern Sie dieses Latch mit einem Takteingang (Abb. 2). önnen Sie mit diesem Flip-Flop einen Binärzähler bauen? X 7400 Y 2 Abbildung 2: Taktlatch
4 4 SHIEBEREGISTER 3 Zähler Besonders vielseitig ist das zweiflanken-getaktete -MS-Flip-Flop (7476). Bauen Sie damit einen 5-Bit-Binärzähler (siehe Abb. 3). + Abbildung 3: 5-Bit-Binärzähler 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, wie in Abb. 4): T T T T T T 2 3 4 5 6 S Abbildung 4: 6-Bit-Schieberegister Die Information wird (mit den 6 Tasten T... T 6 ) parallel auf die S-Eingänge gegeben. Untersuchen Sie das Durchschieben mit den Taktimpulsen. 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 (vgl. Abb. 5). Untersuchen und beschreiben Sie den Ablauf des Addiervorgangs (Löschen / Einlesen / Durchschieben / Addieren / Speichern). 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 Binärzahlen subtrahieren? Wirkungsweise eines D-Flip-Flops (7474). Wozu wird es bei diesem Addierer verwendet? S S 2 S 3 T 2 Lesen + S S S R R R R R R + S S S Addierer 7483 A B in Σ Σ 2 7474 S D R 7404 + Endregister G, alle S G R D 7496 2 3 4 5 S4 S5 S6 Takt T 3 T Löschen Abbildung 5: 3-Bit-Binäraddierer 6 Freiwillige Zusatzaufgabe zum Addierer Für diejenigen, die noch nicht an ihre Grenzen gestoßen sind: Bauen Sie mit den verbleibenden Bauteilen einen Zähler, der nur genau drei Taktimpulse an den Addierer weitergibt.
6 A SIHERHEITSHINWEISE A Sicherheitshinweise Betriebsanweisung für mit Netzspannung betriebene Geräte im Praktikum Gefahren für Mensch und Umwelt: Verbrennungen oder Tod durch große Ströme Schutzmaßnahmen: Darauf achten, dass abel und Stecker unbeschädigt sind und nur wie vorgesehen verwenden. Bei Beschädigungen oder den Verdacht auf Beschädigungen sofort den Praktikumsbetreuer informieren, keine Reparaturversuche unternehmen. Nicht mehrere Vielfachsteckdosen hintereinander schalten. Geräte mit großer Leistung nur an den Wandsteckdosen anschließen. Verhalten im Gefahrenfall: Den Netzstecker ziehen. Bei einem Brand elektrische Geräte soweit möglich ausschalten. Erste Hilfe: Ersthelfer sind Herr Görgen, Rolke, Rudolph, Thiel Bei Schock sofort einen Notarzt rufen Tel 0-2 (von jedem Institutstelefon, mobil 2). Unfallkrankenhaus: evangelisches rankenhaus Weyertal. Der Erste Hilfe- asten befindet sich im innenliegenden Treppenhaus. Bei allen Unfällen muss auch der geschäftsführende Direktor informiert werden und ab einer Arbeitsunfähigkeit von 3 Tagen im Geschäftszimmer eine Unfallmeldung ausgefüllt werden. 3..204 Blazhev