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Referat Aufbau praktischer schaltungen - methodisch-didaktische Überlegungen


electronica referate

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AUFBAU PRAKTISCHER SCHALTUNGEN

1  ALLGEMEINE LERNZIELE

Die Scler         geben unterschiedliche Methoden des Schaltungsentwurfs an; setzen theoretische Kenntnisse in praktische Schaltungen um; bauen Schaltungen funktionsfertig auf;


können aus der 50-Hz-Netzfrequenz den Sekundentakt ableiten;

können bei fehlerhaften Schaltungsaufbauten die entsprechende Fehlerquellen beseitigen;

können mit Hilfe von Operationsverstärkern einen einfachen 3-Bit-AD-Wandler aufbauen.

2  METHODISCH-DIDAKTISCHE ÜBERLEGUNGEN

Die technische Realisation einer Schaltung kann willkürlich erfolgen oder nach einem vorgegebenen Ablauf. Will man bei größeren Schaltungsaufbauten die Entwicklungszeit auf ein Minimum reduzieren, so empfiehlt sich ein nach festgelegten Wegen geplanter Schaltungsentwurf. Ahnlich wie bei der Erstellung eines Rechenprogramms kennt man dabei die Top-Down-Methode und die Bottom-Up-Methode (Abbildung 6-1). Grundsätzlich kann keine verbindliche Aussage darüber getroffen werden, welche der beiden Methoden effizienter ist; dies hängt unter anderem sehr stark von dem Bearbeiter selbst und dem von ihm bearbeiteten Problem ab. Beide Methoden kommen in den folgenden Beispielen zur Anwendung. Die Auswahl der Beispiele erfolgte so, d ein Nachbau ohne weiteres möglich ist. Die Beurteilung der praktischen Relevanz bleibt dabei dem Leser überlassen.

Abbildung 6-1 Unterschiedliche Methoden des Schaltungsentwurfs

Die eingeschränkte Verfügbarkeit von integrierten Schaltungen, sei es im Fachhandel, in der Schule oder zu Hause, kann erfordern, d abweichend von den hier genannten logischen Gattern zusätzliche Verknüpfungen vorzusehen sind. Diese Tatsache hat jedoch keine Auswirkungen auf den logischen Ablauf des Schaltungsentwurfs!

Der Aufbau des Würfelzahlengenerators bereitet den Sclern erfahrungsgemäß wenig Probleme und eignet sich auch hervorragend zur Motivation der Scler, die nicht über umfangreiche Kenntnisse verfügen. Weiterhin sind hier Differenzierungen möglich, z.B. die Ansteuerung von 42 Volt-Glühlampen.25) Bereits 6 Volt-Glühlampen können nicht mehr direkt von den IC's angesteuert werden, so d eine sogenannte Treiberstufe vorzusehen ist, die allerdings

25   42 Volt-Glühllampen sind relativ leicht zu erwerben; diese Spannung darf aus Sicherheitsgründen auch in der aerschulischen Praxis häufig nicht überschritten werden, z.B. Beleuchtung in Arbeitsgruben des Kraftfahrzeughandwerks. Bei Bedarf kann auch auf helle 12 Volt-Glühlampen zurückgegriffen werden.


entsprechend der folgenden Abbildung nur aus einem Widerstand und einem Transistor besteht. Bei leistungsstarken

Glühlampen muß man eventuell auf einen Darlington-Transistor26) zurückgreifen.

Abbildung 6-2 Ansteuerung von Glühlampen

3  VERSUCHE UND AUFGABEN

Versuch 1:  Bauen Sie die angegebene Schaltung des Würfels unter Verwendung entsprechender IC's.

Benutzen Sie dabei zur eventuellen Fehlersuche einen 1-Hz-Generator.

Versuch 2:  Erstellen Sie zusätzlich zur normalen Würfelanzeige eine 7-Segment-Anzeige. Benutzen Sie zur

Dekodierung das vorhandene IC SN 7448.

Versuch 3:   Bauen Sie die komplette Schaltung der Digitaluhr auf und überprüfen Sie diese auf eine einwandfreie Funktion. Berücksichtigen Sie dazu vorerst keine Stellmöglichkeit.

Versuch 4:   Überprüfen Sie anhand des Versuchsaufbaus, welchen Zustand die Anzeige einnimmt, wenn sämtliche sechs Zähler mit R91=R92=High (R01 und R02 dabei beliebig) zurückgesetzt werden.

Versuch 5:  Begründen Sie, warum beim Stellen der Uhr auf die Reihenfolge “Sekunden-Minuten-Stunden”

geachtet werden sollteberprüfung anhand des Versuchsaufbaus).

Versuch 6:  Erweitern Sie die Stellmöglichkeit der Uhr durch eine weitere Taste, welche die Uhr auf die

Anzeige “00 00 00” bringen kann. Welcher Vorteil ergibt sich dadurch?

Versuch 7:  Leiten Sie aus den angegebenen Schaltbildern zur Digitaluhr das Schaltbild eines 6-stelligen

Impulszählers ab. Andern Sie dahingehend den Schaltungsaufbau der Digitaluhr.

Versuch 8:  Erstellen Sie folgende Schaltung mit einem Operationsverstärker, z.B.  A 741.

26   Entspricht im Prinzip der Hintereinanderschaltung zweier Transitoren, so d sich als Versrkungsfaktor das Produkt aus den beiden Einzelversrkungen ergibt, wobei hier dann Werte von 1000 und mehr möglich sind, bei einem maximalen Kollektorstrom von ca. 8 A!


Abbildung 6-3 Operationsversrker als Komparator

Wie verändert sich die Ausgangsspannung ua, wenn Sie das Potentiometer jeweils vom linken zum rechten Anschlag drehen? Beobachten Sie dazu auch die Eingangsspannung ue.

Versuch 9:  Bauen sie einen 3-Bit-ADU entsprechend Abbildung 6-19 auf und überprüfen Sie die Schaltung durch Anlegen einer analogen Spannung, die Sie langsam von Null Volt auf den Maximalwert verstellen. Beachten   Sie   beim   Versuchsaufbau,   daß   die   Ausgangsspannung   der   Operationsverstärker   bei Verwendung von TTL-Gattern 5V nicht übersteigen darf!

Aufgabe 1:  Führen Sie ca. 100 Würfe” durch und erstellen Sie die Häufigkeitsverteilung der einzelnen

Würfelzahlen.

Aufgabe 2:  Erklären Sie, ob der Rücksetzvorgang des Zählers einen Einfluß auf die Häufigkeitsverteilung hat.

Aufgabe  3:    Bestimmen  Sie  die  Impulsbreite  in  Millisekunden  der  in  Abbildung  6-8  dargestellten

Impulsspannung up unter den folgenden Randbedingungen:

a) Schwellenspannung des Transistors: 0,5 V

b) Scheitelwert von ua : 5 V

(Diese   Aufgabe   ist   bei   fehlenden   mathematischen   Kenntnissen   durch   praktische   Messung   zu

beantworten)

Aufgabe 4:  Erstellen Sie das Schaltbild für den Fall einer Einweggleichrichterschaltung.

Aufgabe 5:  Wie kann eine Erweiterung der möglichen Eingänge auf vier oder mehr vorgenommen werden?

Erstellen Sie dazu das entsprechende Schaltbild. Welche Grenzen sind hier in bezug auf die Anzahl der

Eingänge zu beachten?

Aufgabe 6:  Erstellen Sie das Schaltbild eines 4-Bit-AD-Umsetzers.

Aufgabe 7:  Nennen Sie Vor- und Nachteile des hier beschriebenen Analog-Digital-Umsetzers.

4  SACHANALYSE

Im  folgenden sollen  die  einzelnen Beispiele  ausführlich besprochen werden,  so  d eine  Umsetzung der  relativ anspruchsvollen Schaltungen in einen normalen Unterrichtsablauf gewährleistet ist.

5  ELEKTRONISCHER WÜRFEL


Ausgehend von der Bottom-Up-Methode des Schaltungsentwurfs (Abbildung 6-1) wird zuerst die Datenausgabe bzw. Datenanzeige geklärt. Der elektronischerfel soll eine Anzeige aufweisen, wie sie von den herkömmlichen rfeln altbekannt ist. Es müssen also insgesamt sieben(!) Leuchtdioden entsprechend Abbildung 6-4 angeordnet werden, um die sechs Ziffern darzustellen. Bis auf die Leuchtdiode A besteht jeweils eine paarweise Zuordnung. r die Ziffern 2 und 3 sind zudem zwei Möglichkeiten r die Anzeige gegeben, nämlich die Diagonalen. Eine davon wird jedoch nur becksichtigt. Abbildung 6-4b gibt die Zuordnung der Leuchtdioden zur jeweiligen Würfelzahl an.

Abbildung 6-4 Datenausgabe eines elektronischen Würfels

a) Anordnung    b) Zuordnung der Leuchtdioden zu den Würfelzahlen

Nach Klärung der Datenausgabe (Anzeige) kann die nächsthöhere Stufe, der Zähler, konzipiert werden. Da es z.Z. keine speziellen Sechs-Zähler zu erwerben gibt, muß man auf einen normalen 4-Bit-Binärzähler zurückgreifen. Die Verwendung anderer Zähler, z.B. Dezimalzähler, oder direkt von JK-FF's ist ohne weiteres möglich. Die binär kodierten Ausgangsdaten können nicht direkt zur Anzeige kommen, es ist daher ein Dekodierer vorzusehen (Abbildung 6-5). Zur Darstellung der Zählfolge 1..6 wäre ein 3-Bit-Binärhler ausreichend. Es entsteht also aufgrund der Verwendung eines

4-Bit-Zählers eine Redundanz (wie groß ist sie?). Aus schaltungstechnischen Gründen ist es sinnvoller, von einer Zählfolge 0..5 auszugehen. Ein Zähler ßt sich leichter auf 0 setzen, d.h. alle Ausgänge auf Low-Signal, als auf einen Wert größer Null. Die binär kodierte Dezimalzahl Null wird dann der Würfelzahl 1 zugeordnet usw.

Abbildung 6-5 Bedeutung der Dekodierschaltung

Tabelle 6-1 Zuordnung der Flip-Flop-Ausgänge zu den Würfelzahlen

Binärzähler                            Dezimalzahl                             Würfelzahl                            Leuchtdioden


   QD                QC               QB              QA                                                                                                                                                                                                                                          

L

L

L

L

0

1

A

L

L

L

H

1

2

B

L

L

H

L

2

3

C

L

L

H

H

3

4

B

C

L

H

L

L

4

5

A         B

C

L

H

L

H

5

6

B

C

D

L



H

H

L

6

Rücksetzen

L

H

H

H

7

H

L

L

L

8

H

L

L

H

9

H

L

H

L

10

 Redundanz

H

L

H

H

11

H

H

L

L

12

H

H

L

H

13

H

H

H

L

14

H

H

H

H

15

Das Rücksetzen des Zählers erfolgt somit bei Erreichen der Zahl 6 (LHHL im Dualsystem), wobei aufgrund der Redundanz des vierten Bits der Ausgang QD nicht becksichtigt zu werden braucht. Die Dekodierung, d.h. die Zuordnung der Zählerausgänge QA, QB und QC zu den Leuchtdioden A,B,C und D kann durch ausschließliche Überlegung erfolgen. Betrachtet man Tabelle 6-1 näher, so fällt auf, d die Leuchtdiode A grundsätzlich dann leuchten muß, wenn QA auf Low-Signal liegt. Da die Leuchtdiode unter Becksichtigung eines Vorwiderstandes direkt an den Ausgang des Zählers geschaltet werden kann, ßt sich die Schaltbedingung r die Diode leicht formulieren. Der Widerstand wird zwischen den Ausgang QA und die Diode geschaltet. Die Diode leuchtet genau dann, wenn QA auf Low-Signal ist (Abbildung 6-6).

Abbildung 6-6 Schaltbild des Dekodierers

Das Diodenpaar B leuchtet dagegen nur dann, wenn entweder der Ausgang QC oder der Ausgang QA auf High-Signal liegt. Dies ßt sich durch ein ODER-Gatter bewerkstelligen (Abbildung 6-6). Für das Diodenpaar C gelten die gleichen Überlegungen, jedoch bezüglich der Ausgänge QB und QC. Nur bei der Würfelzahl 6 leuchtet das Diodenpaar D. Dies kann nur mit einer UND-Bedingung erreicht werden. Wenn die Ausgänge QA und QC auf High-Signal liegen, ist diese Bedingung entsprechend Tabelle 6-1 erfüllt.

Das Rücksetzen des Zählers erfolgt nach Regel 2 (vgl. dazu 5.5.2.6 Zähler als Frequenzteiler), d.h. die FF's werden über den gemeinsamenckstelleingang zurückgesetzt. Die Bedingung lautet:


 
R A B C


Gl. 6-1


Als letztes ist noch die Dateneingabe zu klären. Diese besteht aus einem Taktgeber, wie er bereits in 3.5.2 behandelt wurde (astabiler Multivibrator). Die Taktfrequenz ist so zu wählen, d das Zählen am Aufleuchten der Dioden zu erkennen ist, ohne d eine Unterscheidung der einzelnen Würfelzahlen während des Zählvorganges möglich ist (das Schummeln ist also ausgeschlossen). Über einen mechanischen Schalter (Tipptaster) wird der Impulsgeber an den Zähler angeschlossen. Dabei ist eine Entprellung des Tasters (vgl. 4.4.3 RS-Flip-Flop) nichttig, die Anzahl der Impulse an sich ist nicht von Belang.

Ein vollständiges Schaltbild als Folienvorlager Overlays findet sich im Anhang. Der astabile Multivibrator wurde hier mit logischen NAND-Gattern aufgebaut, so d die obigen logischen Beziehungen leicht modifiziert werden mußten. Die NAND-Gatter wurden eingesetzt, weil diese damals als einzige UND-Gatter verfügbar waren. Der Einsatz anderer logischer Bausteine ist ebenfalls möglich.

6  SEKUNDENTAKT AUS DER NETZFREQUENZ

Abbildung 6-7 Ausgangsspannung bei unterschiedlichen Gleichrichterverfahren a) Einweggleichrichtung          b) Zweiweggleichrichtung

Für diese Problemstellung bietet sich die Top-Down-Methode des Schaltungsentwurfs an, da die Eingabe durch die Vorgabe der Netzfrequenz von 50 Hz festliegt. Bevor diese weiterverarbeitet, d.h. auf 1 Hz reduziert werden kann, muß die Netzspannung sekundärseitig gleichgerichtet werden. Hierzu bieten sich die aus dem Physik-Unterricht bekannten Einweg- und Zweiweggleichrichter an. Abbildung 6-7 zeigt die unterschiedlichen Auswirkungen. Die Ausgangsfrequenz der Gleichrichterschaltung beträgt zum einen 50 Hz(Einweg) und zum anderen 100 Hz (Zweiweg). Es ist daher bei Anwendung der ersten eine Frequenzteilung von 50:1 und bei der zweiten von 100:1 vorzunehmen. Hier soll die Zweipunktgleichrichtung, also die 100:1 Teilung weiterverfolgt werden.

Die sinusförmigen Impulse (Abbildung 6-7) werden mit Hilfe eines einfachen Transistors in rechteckförmige umgeformt (Abbildung 6-8). Mit dem Erreichen der Schwellenspannung  des Transistors schaltet dieser schlagartig durch, womit die Impulsspannung up auf Null springt (der Transistor ist als Inverter geschaltet). Es ergeben sich sehr schmale Impulse, die jedochllig zum Betrieb der nachfolgenden FF's ausreichen.


Abbildung 6-8 Umwandlung der sinusförmigen Impulse in rechteckige bei konstanter Frequenz

Die Teilung des Signals up ßt sich entsprechend 5.5.2.6 Zähler als Frequenzteiler durch Hintereinanderschalten zweier dekadischer Zähler bewerkstelligen. Den entsprechenden Schaltungsteil zeigt Abbildung 6-9. Sämtliche Rücksetzeingänge sind entsprechend den Angaben des Datenbuches auf Low zu legen. Einecksetzung der Zähler ist nicht erforderlich, es wird das maximale Zählvolumen 0..99 ausgenutzt, d.h. diecksetzung erfolgt automatisch. Als weitere schaltungstechnische Maßnahme ergibt sich die Verbindung des ersten FF-Ausganges mit dem Eingang des zweiten FF's; diese ist intern nicht vorgesehen. Der geforderte 1-Hz-Takt steht am letzten FF-Ausgang des zweiten Zählers zur Verfügung.

Abbildung 6-9 Schaltbild eines 100:1 Frequenzteilers, bestehend aus zwei Dezimalzählern SN 7493

7  DIGITALUHR

Mit der Bereitstellung des 1-Sekunden-Takts entsprechend dem vorhergehenden Abschnitt sind die Grundlagen r den Schaltungsentwurf einer Digitaluhr gelegt. Ausgehend von der Anzeige (Bottom-Up-Methode) werden die einzelnen Schaltungsteile konzipiert.

Als Anzeigeelemente sollen 7-Segment-Leuchtdioden zur Anwendung kommen (Abbildung 6-10). Diese können nicht direkt von den binär-kodierten Daten der Zähler angesteuert werden, es ist analog zum elektronischen Würfel ein Dekoder vorzunehmen. Jedoch kann hier auf ein entsprechendes IC zurückgegriffen werden (Abbildung 6-11), welches den BCD-Kode in den 7-Segment-Kode überführt. Insgesamt werden sechs 7-Segment-Anzeigen benötigt, je zweir


die Sekunden, Minuten und Stunden. Somit sind auch sechs Dekoder vorzunehmen. Es wird hier bereits deutlich, dder Schaltungsaufwand weit über dem der anderen angegebenen Schaltungsbeispiele liegt.

Abbildung 6-10 Darstellung der Ziffern 0..9 durch sieben Segmente

Abbildung 6-12 zeigt das Blockschaltbild der gesamten Schaltung. Dieses ßt zwar noch keinerlei Schlüsse auf den Schaltungsaufbau zu, erleichtert jedoch die Entwicklung. Da eine Uhr ohne Bedienung keine praktische Bedeutung hat, sind unbedingt die Möglichkeiten des Startens, Stellens und Stoppens vorzusehen. Die dazu notwendigen Überlegungen werden jedoch erst zurückgestellt.

Das Zählen der Sekunden und Minuten ist identisch, es werden jeweils 60 Impulse gezählt. Einmal sind es die Sekunden und einmal die Minuten. Dazu sind je zwei Zähler vorzusehen, wobei hier wegen der Einerstellen zweckmäßigerweise Dezimalzähler verwendet werden. Nurr die Zehnerstellen ist wegen der notwendigen Zählfolge 0..5 bei Erreichen der Zahl 6 einecksetzung vorzunehmen. Die restlichen Stellen sind wieder redundant.

Das Zählen der Stunden erfolgt ebenfalls mit zwei Dezimalzählern und zwar Zähler 1r die Einerstellen 0..9 und

hler 2r die Zehnerstellen 0..2. Beide Zähler müssen bei Erreichen der Zahl 24 zurückgesetzt werden.

Abbildung 6-11 BCD-7-Segment-Dekoder SN 7448 (FLH 551) nach Siemens


Abbildung 6-12 Blockschaltbild einer Digitaluhr

Aus den oben angestellten Überlegungen folgt, d der Zeitpunkt Mitternacht durch die Anzeige “00 00 00gekennzeichnet wird. Dies ist schaltungstechnisch einfacher zu realisieren als die Anzeige “24 00 00 und die nach einer Stunde folgende “01 00 00”.




Die Teilung des Sekundentaktes im Verhältnis 60:1 kann nicht unabhängig vom verwendeten Kode erfolgen, denn die jeweiligen Zwischenergebnisse kommen als Sekunden, Minuten und Stunden zur Anzeige. Das Zurücksetzen der Zähler erfolgt somit nach Regel 2 aus 5.5.2. Dazu können die in den IC's vorhandenen UND-Gatter mit den Eingängen R01, R02, R91 und R92 verwendet werden. Tabelle 6-2 gibt den logischen Zusammenhang zwischen den Signalen an diesen viercksetzeingängen und den Zählerausgängen wieder.

Tabelle 6-2 Logischer Zusammenhang zwischen dencksetzeingängen und den Zählerausgängen

 
X : High- oder Low-Signal

cksetzeingang                                                          Ausgang

R01

R02

R91

R92

QA

QB            QC

QD

H

H

L

X

L

L          L

L

H

H

X

L

L

L          L

L

X

X

H

H

H

L          L

H

X

L

X

L

hlen

L

X

X

L

hlen

L

X

L

X

hlen

X

L

L

X

hlen

Aus Abbildung 5-26 ergibt sich, d der Zähler zurückzusetzen ist, wenn QB=QC=High und QA=QD=Low gilt (Dezimal 6). Für alle anderen Ausgangszustände des Zählers muß der Zählbetrieb einwandfrei gewährleistet sein. Sieht man sich Tabelle F1 näher an, so fällt auf, d die Kombination QB=QC=High erst mit Erreichen der Dezimalzahl 6 auftritt,r kleinere Zahlen dagegen nicht. Somit kann diese Kombination auch als Rücksetzbedingung verwendet werden, indem gilt

R01=QB                                                                                                                                                                              Gl. 6-2

R02=QC

Zusätzlich muß noch einer der beiden R9-Rücksetzeingänge auf Low-Signal gelegt werden (vgl. dazu Tabelle 6-2).

Abbildung 6-15 zeigt das Schaltbild des Sekundenhlers, welches ebensor den Minutenhler gültig ist, wenn die Frequenzangaben verändert werden. Als Übertragsausgang zur Steuerung des Minuten-, bzw. Stundenhlers kann der Ausgang QC des Dekadenhlers verwendet werden, da dieser Ausgang nur einmal pro Periode von High auf Low wechselt. Der Ausgang D dieses Zählers (rechts in Abbildung 6-13) ist redundant. Trotzdem sollte er zur Vermeidung von Fehlern mit auf den Dekoder geführt werden.


Abbildung 6-13 Schaltbild des Sekundenhlers

R01 : Anschluß 2  R91 : Anschluß 6    R02 : Anschluß 3

R92 : Anschluß 7    + : Anschluß 5       - : Anschluß 10

Das Schaltbild des Stundenhlers (Abbildung 6-16) unterscheidet sich von Bild F11 nur durch diecksetzbedingung. Es kann jedoch auf das im Zähler-IC vorhandene NICHT-UND-Gatter zurückgegriffen werden. Die Zehnerstelle 2 ist erreicht, wenn nur der QB-Ausgang dieses Zählers auf High-Signal liegt, die Einerstelle 4 (für 24 Uhr) dagegen, wenn nur der QC-Ausgang des anderen Zählers auf High-Signal liegt (vgl. dazu Tabelle 6-1). Die R0-Rücksetzeingänge beider Zähler werden parallel geschaltet; im Gegensatz zu den Sekunden- und Minutenhlern sind sowohl Einer- als auch Zehnerstellenhler zurückzusetzen.

Abbildung 6-14 Schaltbild des Stundenhlers (Anschlüsse entsprechen Bild F11)

Mit den angegebenen Schaltungsteilen ist der Aufbau einer Digitaluhr möglich. In dieser Form läßt sich die Uhr jedoch nicht einstellen, d.h.r einen sinnvollen Betrieb ist die eingangs erwähnte Stellmöglichkeit vorzusehen. Das Starten und Stoppen läßt sich relativ leicht bewerkstelligen. Zwischen dem 1-Hz-Takt und dem ersten Zähler wird ein Schalter gelegt, der durch ein RS-FF entprellt wird (vgl. dazu 4.4.3). Der Ausgang dieses FF's führt auf ein UND-Gatter und bewirkt somit, d der gleichzeitig auf dieses UND-Gatter geführte 1-Hz-Takt entweder gesperrt oder durchgelassen wird (Abbildung 6-15). Mit einem Taster kann die Uhr gestoppt und mit einem anderen Taster wieder gestartet werden.

Für das Einstellen der Uhr werden drei Taster betigt:r die Sekunden, Minuten und Stunden. Diese sorgen dafür, dbei gedrücktem Taster der 1-Hz-Takt direkt auf den jeweiligen Zähler wirkt. Die Minuten können somit innerhalb von

60 Sekunden von “00 auf “59 gestellt werden. Der gesamte Stundenbereich innerhalb von 24 Sekunden. Prinzipiell


müßte hinter jeden Taster noch ein RS-FF geschaltet werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde darauf verzichtet. Je nach verwendetem Taster besteht auch die Möglichkeit, d wegen der geringen Taktfrequenz von 1 Hz der Vorgang des Prellens gar nicht bemerkt wird.

Entsprechend Abbildung 6-15 wird der 1-Hz-Takt auf zwei UND-Gatter geführt. Auf das eine kommt zusätzlich der RS- FF-Ausgang direkt und auf das andere negiert. Sind die Start-Stop-Taster geöffnet, so ändert sich am Ausgang des RS- FF's nichts; offene Eingänge entsprechen einem High-Signal und dar zeigt das FF nach Tabelle 5-1 Speicherverhalten. Wird jetzt kurzzeitig der Stop-Taster gedrückt, so ergibt sich Q=Low, womit zum einen das obere UND-Gatter sperrt und zum anderen das untere jetzt den 1-Hz-Takt durchläßt. Damit liegt dieser Takt an den drei Tastern T1, T2 und T3. Die Digitaluhr kann nun auf eine beliebige Anfangszeit eingestellt werden, ohne d der laufende Takt die Zeit beeinflt. Danach ist kurzzeitig die Start-Taste zu drücken; der 1-Hz-Takt wird dadurch von den Tastern auf den Eingang des Sekundenhlers gelegt, die Uhr zeigt von diesem Augenblick an die aktuelle Zeit. Sollte eine Korrektur nötig sein, so erfolgt sie wie eben beschrieben.

Abbildung 6-15 Schaltungsteilr das Stellen der Uhr

8  ZWEIKANALSCHALTER

Die Oszilloskope der unteren Preisklasse verfügen im allgemeinen nur über maximal zwei Y-Eingänge (Zweistrahloszilloskop). Dies ist jedochr die Darstellung digitaler Signale häufig unzureichend;r die einzelnen Ausgänge eines 4-Bit-Zählers wären z.B. vier Eingabekanäle wünschenswert.

Abbildung 6-16 Schaltbild eines Zweikanalschalters


Die Erweiterung eines Oszilloskopeingangs erfolgt auch bei den Zweistrahlgeräten durch wechselseitiges Schalten zweier Eingänge auf diesen einen.r digitale Signale kann dabei auf eine individuelle Einstellung der Amplitude verzichtet werden; es besteht bei allen Signalen der gleiche Spannungspegel (z.B. 5 Volt bei TTL). Damit auf dem Schirm das Umschalten von einem Signal auf das andere nicht zu beobachten ist, muß die Umschaltfrequenz möglichst groß gewählt werden. Zur Anwendung kommt hier wieder der astabile Multivibrator, wobei in diesem Fall beide Ausgänge zu becksichtigen sind (vgl. Abbildung 5-6). Diese sind um 180 Grad phasenverschoben, d.h. wenn der eine Ausgang auf Low ist, befindet sich der andere gerade auf High usw. Beide Ausgänge werden jeweils getrennt auf ein NICHT-UND-Gatter  geführt,  zusammen  mit  einem  der  beiden  regulären  Eingangssignale  A  und  B.  Dies  zeigt Abbildung 6-16, welches bereits das gesamte Schaltbild ist.

Die Ausgänge der NICHT-UND-Gatter werden auf ein ODER-Gatter geführt. Dieses ist im Gegensatz zur TTL-Logik durch eine Dioden-Widerstands-Logik realisiert, d.h. D1, D2 und R2 bilden das ODER-Gatter. Ein derartiger Aufbau ist hier aus Platzgründen günstiger (kostenmäßig ebenfalls).

Abbildung 6-17 Oszillogramm der Ausgänge eines 4-Bit-Binärhlers

Die einwandfreie Darstellung der Signale auf dem Oszilloskop erfordert beim Umschaltvorgang sehr steile Flanken. Um dies zu erreichen, wird im Anschluß an die ODER-Verknüpfung eine Impulsformerstufe geschaltet (vgl. auch 3.7). Dieser Schmitt-Trigger sorgtr die steilen Flanken der darzustellenden Signale. Ohne Becksichtigung des zweiten Schmitt-Triggers in Abbildung 6-16 würde die Grundlinie beider Signale A und B zusammenfallen und eine Unterscheidung sehr erschweren. Eins der beiden Signale muß also gegenüber dem anderen potentialmäßig angehoben werden, so d eine Darstellung entsprechend Abbildung 6-17 möglich ist.r die genaue Einstellung dient der Trimmwiderstand R3.



9  ANALOG-DIGITAL-UMSETZER

Es soll ein einfacher Analog-Digital-Umsetzer beschrieben werden, der sich auch leicht aufbauen ßt. Abbildung 6-18 zeigt ausführlich den Zusammenhang zwischen einer analogen und der entsprechenden digitalen Spannung. Dabei wurden willkürlich sieben Quantisierungsstufen vorausgesetzt, d.h. es können insgesamt acht Spannungswerte unterschieden werden, einschließlich Null Volt. Dies entspricht genau 2, also drei Bit. Wichtig ist, d das digitale Signal nicht gleich der Treppenspannungskurve ist, denn dies wäre wiederum ein analoges Signal, wenn auch nicht stetig im Sinne der Definition. Das digitale Signal setzt sich aus den sieben Quantisierungsstufen zusammen. Anders ausgedrückt bedeutet dies, d der einen Datenleitung der analogen Spannung genau sieben Datenleitungen der digitalen Spannung gegenüberstehen. Hinzu kommt bei beiden noch die Masseleitung.

Mit sieben Leitungen lassen sich jedoch weitaus mehr Kombinationen darstellen als die sieben des Analog-Digital- Umsetzers (wieviel genau?). Es ist daher sinnvoll, eine Kodierung vorzunehmen, um so die Zahl der Datenleitungen auf ein Minimum zu reduzieren. Dies sind für einen Umsetzer entsprechend Bild Abbildung 6-18a genau drei Leitungen plus dertigen Masseleitung (Abbildung 6-18b). Das Prinzip des Analog-Digital-Umsetzers ist somit geklärt, so daß jetzt die Umsetzung in eine Schaltung erfolgen kann.


Ein Operationsverstärker eignet sich als Komparator (Vergleicher).27) Das ist genau die Eigenschaft, die eine Quantisierungsstufe aufweisen muß; erreicht die analoge Spannung einen bestimmten Wert, so erscheint am Ausgang der Stufe eine positive Spannung. Mit sieben Operationsverstärkern und sieben Widerständenr die jeweilige Vergleichsspannung ßt sich die Schaltung entsprechend Abbildung 6-19 erstellen. Die vorzunehmende Kodierung auf drei Datenleitungen ist bereits durch Abbildung 6-18 vorgegeben, denn es handelt sich um den reinen Binärkode (vgl.

5.5.2.3). Leitung 3, auch MSB genannt (Most Significant Bit), hat grundsätzlich dann eine positive Spannung, wenn der vierte Operationsverstärker (Quantisierungsstufe) ein Ausgangssignal aufweist. Da dieses auch bestehen bleibt, wenn die darüberliegenden Stufen ein Signal aufweisen, kann der Ausgang des vierten Operationsversrkers direkt als dritte Datenleitung benutzt werden (entsprechende Spannungspegel einmal vorausgesetzt).


Für Leitung 2 gilt: Spannung größer Null, wenn

 

2

 
K 2 K 4 K 6 G


Gl. 6-3


eine wahre Aussage ergibt. Dazu werden ein UND-, ein NICHT- und ein ODER-Gatter betigt (vgl. Abbildung 6-19).

Abbildung 6-18 a) Umwandlung eins analogen Signals in ein digitales Signal       b) Blockschaltbild des ADU

Für Leitung 1, auch LSB (Least Significant Bit) genannt, ist die Kodierung schon etwas umfangreicher: Spannung größer Null, wenn


 

 

 

1

 
K1 K 2 K 3 K 4 K 5 K 6 K 7 G


Gl. 6-4


eine wahre Aussage ergibt. Dazu sind drei NICHT-, drei UND- und ein Oder-Gatter notwendig.

27 Siehe dazu Versuch 8.


Abbildung 6-19 Schaltbild eines 3-Bit-AD-Umsetzers

K1..K7 Operationsversrker (Siemens)


7 LITERATURVERZEICHNIS

[1]       Jacobsen, Wolfgang [Bearb.]: Lexikon der modernen Elektronik, über 3000 Fachbegriffe ausführlich erklärt, Markt und Technik Verlag, Haar bei München, 19852

[2]       Schneider, Hans-Jochen [Herausg.]: Lexikon der Informatik und Datenverarbeitung, Oldenbourg Verlag, München 19862

[3]       Lorenz, C.: Digital-Technik Grundkurs, Hofacker Verlag, München 1977

[4]       Kessel, Werner: Digitale Elektronik, Studienbuchr Studierende naturwissenschaftlicher Fachrichtungen an

Universitäten und Fachhochschulen ab 3. Semester, Akademische Verlagsgesellschaft, Wiesbaden 1976

[5]       Texas Instruments [Herausg.]: Das TTL-Kochbuch, Deutschsprachige TTL-Applikationen, München 19732

[6]       Hahn, Winfried und Friedrich Bauer: Physikalische und elektrotechnische Grundlagen für Informatiker, Heidelberger Taschenbücher, Springer Verlag, Berlin 1975

[7]       Hahn,  Winfried:  Elektronik-Praktikum für  Informatiker,  Heidelberger  Taschenbücher,  Springer  Verlag, Berlin 1971

[8]       Fischer, Ingo: Elektronik-Praktikum, Experimentelles Arbeitsbuch, Porta-Nigra-Verlag, Trier 1986

[9]       dito.: Einführung in die Elektronik, Handreichung zum Experimentalunterricht, Teil 1 und2, Porta-Nigra- Verlag, Trier 1985

[10]     Tietze, Ulrich und C. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer Verlag, Berlin 19857

[11]     Schmidt, Volker: Digitalelektronisches Praktikum, Teubner Studienskripten, BG Teubner Verlag, Stuttgart

1973

[12]     Kleemann, Johannes: Experimente mit  integrierten Schaltungen, RPB  Reihe Band 338,  Franzis Verlag, München 1973

[13]     Pelka, Horst: Vom Flip-Flop zur Quarzuhr, RPB Reihe Band 340, Franzis Verlag, München 1974

[14]     Hanke, Gerd: Digital-Uhren und andere integrierte Schaltungen, TOPP Buchreihe Elektronik Band 92, M. Frech- Verlag, Stuttgart 19742

[15]     Pütz,  Jean  (Hrsg.):  Einführung  in  die  Elektronik,  cher  des  Wissens,  Fischer  Taschenbuch  Verlag, Frankfurt/Main 1978


8 ANHANG

Um das Arbeiten mit den angegebenen Schaltungen zu erleichtern, sind im folgenden die Schaltbilder, bzw. Anschlußbelegungen der wichtigsten IC's angegeben. Zum Vergleich sind auch einige IC's der CMOS-Serie aufgeführt. r diejenigen, die keinen Zugang zu den Datenbüchern der Herstellerfirmen haben, sind einige Angaben der Firma Siemens wiedergegeben. Derartige Datenbücher können im Fachhandel oder direkt bei den Halbleiterfirmen erworben werden.

Für den Würfelgenerator sind Folienvorlagen angegeben, die im Overlayverfahren eine eingehende Betrachtung der

Schaltung ermöglichen.

8.1  ANSCHLUßANORDNUNG DER WICHTIGSTEN ICS IM GROßFORMAT

SN 7400: Zweifach NICHT-UND-Gatter SN 7402: Zweifach NICHT-ODER-Gatter SN 7404: NICHT-Gatter

SN 7473: JK-Flip-Flop

SN 7490: Dezimalzähler                         (auch als Folienvorlage) SN 7493: 4-Bit-Binärzähler                                                (auch als Folienvorlage)

8.2  ZUSAMMENSTELLUNG DER ICS (74.. UND 40..)

Aus den Schaltbildern kannr die wichtigsten IC's der Vergleich zwischen der TTL-Serie und der CMOS-Serie erfolgen.

8.3  AUSZÜGE AUS DEN DATENBÜCHERN

Angegeben sind die wichtigsten IC's der TTL-Serie, sowie der Operationsversrker  A 741, der als Standardtyp weit verbreitet ist. Er kann hier insbesondere bei den Regenerationsschaltungen und dem Analog-Digital-Wandler eingesetzt werden.r einige Transistoren, die beim praktischen Teil Anwendung finden können, sind die Kenndaten wie Spannung und Strom angegeben. Sämtliche Datenbuchangaben basieren auf Informationen der Firma Siemens.

SN 7400                      Vier NAND-Glieder mit je zwei Eingängen SN 7402                                     Vier NOR-Glieder mit je zwei Eingängen SN 7448                                     BCD-7-Segment-Dekoder

SN 7472                   JK-Master-Slave-Flip-Flop

SN 7480                   1-Bit-Volladdierer SN 7483                   4-Bit-Volladdierer SN 7493                   4-Bit-Binärzähler

TBA 221                  ( A 741) Operationsversrker

Verschiedene NF-Transistoren

8.4  FOLIENVORLAGEN

1.       SN 7400                   4 Und-Gatter (Vergrößerung des Schaltungslayouts)

2.       SN 7490                   Dezimalzähler

3.       SN 7493                   4-Bit Binärzähler

4.       Vollsndiges Schaltbild des Würfelgenerators (Ansicht von oben!)

5.       Schaltbild ohne “Innenleben der IC's

       “Innenleben der IC's als Overlay

7.       Logikplan als Grundlage zur Definition eines IC's (Auszug)

8.       Umsetzung des Logikplans in ein Layout der gesamten Schaltung (vergrößerter Auszug)

9.       Layout in gesamter Größe (4kB RAM-Speicher)

10.      Fertige Belichtungsmaske, aufgebaut aus den Einzel-Layouts



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