Impressum © 2011 Franzis Verlag GmbH, 85586 Poing www.elo-web.de Autor: Burkhard Kainka ISBN 978-3-645-10073-1 Produziert im Auftrag der Firma Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1, 92240 Hirschau Alle Rechte vorbehalten, auch die der fotomechanischen Wiedergabe und der Speicherung in elektronischen Medien.
Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1.1 Steckfeld 1.2 Batterie 1.3 Leuchtdioden 1.4 Widerstände 1.5 Kondensatoren 1.6 Tastschalter 1.7 Vierfaches NAND-Gatter 4011 1.
15 Set und Reset 42 16 JK-Flipflop 44 17 Schieberegister 47 18 Phasenverschiebung 90 Grad 50 19 Bit-Decoder 53 20 Eins aus Vier 55 21 Synchronzähler 57 4
1 Einführung Digitale Elektronik ist die Grundlage moderner Computertechnik. »Digital« heißt, dass es nur eindeutige An- oder Aus-Zustände in einer Schaltung gibt, nicht aber Zwischenstufen wie halb an oder drei viertel an, wie man es in der analogen Elektronik kennt. Auf den ersten Blick hat man also weniger Möglichkeiten. Wenn man aber viele digitale Leitungen gleichzeitig verwendet, gibt es insgesamt sehr viele unterschiedliche Zustände. Jeden einzelnen Zustand bezeichnet man als ein Bit.
Sie jedoch die Anschlussdrähte ungekürzt, damit sie auch noch für weitere Versuche einsetzbar bleiben. 1.1 Steckfeld Alle Versuche werden auf einer Labor-Experimentierplatine aufgebaut. Das Steckfeld mit insgesamt 270 Kontakten im 2,54-mm-Raster sorgt für sichere Verbindungen der Bauteile. Abb. 1: Das Experimentierfeld Das Steckfeld hat im mittleren Bereich 230 Kontakte, die jeweils durch vertikale Streifen mit fünf Kontakten leitend verbunden sind.
Abb. 2: Die internen Kontaktreihen Das Einsetzen von Bauteilen benötigt relativ viel Kraft. Die Anschlussdrähte knicken daher leicht um. Wichtig ist, dass die Drähte exakt von oben eingeführt werden. Dabei hilft eine Pinzette oder eine kleine Zange. Ein Draht wird möglichst kurz über dem Steckbrett gefasst und senkrecht nach unten gedrückt. So lassen sich auch empfindliche Anschlussdrähte wie die verzinnten Enden des Batterieclips einsetzen.
Verwenden Sie keine Alkali-Batterie und keinen Akku, sondern nur einfache Zink-Kohle-Batterien. Die Alkali-Batterie weist zwar eine größere Lebensdauer auf, hat aber einen entscheidenden Nachteil: Sie liefert (wie auch ein Akku) im Fehlerfall (z. B. Kurzschluss) sehr große Ströme bis über 5 A, die dünne Drähte oder die Batterie selbst stark erhitzen können. Der Kurzschlussstrom einer ZinkKohle-Blockbatterie ist dagegen meist kleiner als 1 A.
einer Schutzschicht überzogen. Die Beschriftung erfolgt in Form von Farbringen. Neben dem Widerstandswert ist auch die Genauigkeitsklasse angegeben. Abb. 5: Ein Widerstand Widerstände mit einer Toleranz von ±5 % gibt es in den Werten der E24-Reihe, wobei jede Dekade 24 Werte mit etwa gleichmäßigem Abstand zum Nachbarwert enthält.
Tabelle 2: Der Widerstands-Farbcode Farbe Ring 1 1. Ziffer Schwarz Ring 2 2. Ziffer Ring 3 Multiplikator 0 1 Ring 4 Toleranz Braun 1 1 10 1% Rot 2 2 100 2% Orange 3 3 1.000 Gelb 4 4 10.000 Grün 5 5 100.000 Blau 6 6 1.000.000 10.000.000 Violett 7 7 Grau 8 8 Weiß 9 9 0,5 % Gold 0,1 5% Silber 0,01 10 % Ein Widerstand mit den Farbringen Gelb, Violett, Braun und Gold hat den Wert 470 Ω bei einer Toleranz von 5 %.
vergrößert die Kapazität gegenüber Luftisolation. Die keramischen Scheibenkondensatoren verwenden ein spezielles Keramikmaterial, mit dem man große Kapazitäten bei kleiner Bauform erreicht. Das Lernpaket enthält einen keramischen Scheibenkondensator mit 100 nF (Beschriftung 104, 100.000 pF). Abb. 6: Ein keramischer Kondensator 1.6 Tastschalter Die Tastschalter im Lernpaket besitzen einen Schließerkontakt mit zwei Anschlüssen, die jeweils doppelt herausgeführt sind. Abb. 7: Der Tastschalter 1.
Abb. 8: Das CMOS-IC 4011 1.8 Zweifaches JK-Flipflop 4027 Das 4027 ist ein CMOS-IC mit 16 Anschlüssen. Es enthält zwei unabhängige JKFlipflops. Wie bei allen ICs ist besonders der korrekte Anschluss der Betriebsspannung zu beachten. Die Betriebsspannung darf bei allen ICs der 40xx-Serie zwischen 3 V und 15 V betragen. Abb.
2 Inverter Das CMOS-IC 4011 enthält vier unabhängige NAND-Gatter mit je zwei Eingängen. Ein erster Versuch zeigt den Einsatz des IC an einer Batteriespannung von 9 V und den Anschluss von LEDs. Beim Einbau ist zwingend auf die richtige Polung zu achten. Der Plusanschluss wird auch als Vcc bezeichnet, der Minusanschluss als GND. Bei allen CMOS-ICs muss beachtet werden, dass nicht verwendete Eingänge entweder an Vcc oder an GND gelegt werden.
Abb. 11: Aufbau auf der Steckplatine Die Schaltung verwendet nur zwei der vier NAND-Gatter (NAND 1 und NAND 4). Beide Eingänge sind jeweils verbunden. Damit wird das NAND-Gatter zu einem Inverter. Ein Eingangszustand Null wird zu einem Ausgangszustand Eins und umgekehrt. Am Ausgang ist jeweils eine LED mit ihrem Vorwiderstand angeschlossen. Bei diesem Versuch leuchtet die linke LED, während die rechte LED aus bleibt. Abb.
Eingang Ausgang 0 1 1 0 3 Berührungsschalter Dieser Versuch verwendet ein Gatter als Inverter mit offenem Eingang. Der Eingang erhält einen Schutzwiderstand von 100 kΩ und darf mit dem Finger berührt werden. Falls Sie stark elektrisch aufgeladen sind, begrenzt der Schutzwiderstand den Entladestrom. Der Ausgangszustand dieser Schaltung kann nicht vorausgesagt werden, weil der Eingang extrem hochohmig ist und eine zufällige Ladung tragen kann.
Abb.
Abb. 14: Aufbau mit Berührungskontakt 4 NAND-Grundfunktion In diesem Versuch wird die eigentliche Funktion des NAND-Gatters untersucht. Dabei handelt es sich um eine UND-Funktion mit nachfolgender Invertierung. Für die UND-Funktion (AND) gilt: Nur wenn Eingang 1 UND Eingang 2 an sind, ist auch der Ausgang an. Entsprechend gilt für die NAND-Funktion: Nur wenn Eingang 1 UND Eingang 2 an sind, ist auch der Ausgang aus. Dies zeigt auch die Wahrheitstabelle des NANDGatters.
Abb. 15: Anschlüsse eines NAND-Gatters Die Schaltung verwendet zwei Widerstände mit 100 kΩ, um den Ruhezustand Null herzustellen. Mit den Tastschaltern kann jeweils ein Eins-Zustand eingeschaltet werden. In diesem Fall ist die LED im Ruhezustand an. Nur wenn beide Taster gleichzeitig gedrückt werden, geht sie aus. Abb.
Abb. 17: Aufbau mit Tastschaltern 5 AND-Gatter Durch einen nachfolgenden Inverter kann aus dem NAND-Gatter eine AND-Schaltung gebaut werden. Diesmal lautet die Regel: Nur wenn beide Schalter geschlossen sind, geht die LED an.
Abb. 18: AND-Gatter Abb.
Abb. 20: Aufbau der AND-Schaltung 6 OR-Gatter Invertiert man zunächst beide Eingänge des NAND-Gatters, entsteht ein ORGatter. Die ODER-Funktion lautet: Wenn Eingang 1 ODER Eingang 2 ODER beide an sind, ist der Ausgang an. Abb.
Eingang 1 Eingang 2 Ausgang 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Abb.
Abb. 23: Test der OR-Schaltung 7 NOR-Gatter Ein weiterer Inverter hinter dem OR-Gatter erzeugt eine Nicht-Oder-Funktion (NOR). Um ein NOR-Gatter zu erzeugen, werden alle vier NAND-Gatter im 4011 benötigt. Abb.
Eingang 1 Eingang 2 Ausgang 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Abb.
Abb. 26: Test der NOR-Schaltung 8 RS-Flipflop Ein Flipflop ist eine Schaltung, die selbstständig einen von zwei Zuständen halten kann. Ein digitaler Zustand kann also gespeichert werden. Durch bestimmte Eingangszustände kann der Ausgang umgeschaltet werden. Das RSFlipflop hat zwei Eingänge, Reset (R) und Set (S). Im Ruhezustand sind beide Eingänge hoch gesetzt (R = 1, S = 1). Der Ausgang ist dann nicht bestimmt (X) und hängt von der Vorgeschichte ab. Schaltet man R auf 0, wird der Ausgang abgeschaltet.
Das RS-Flipflop lässt sich aus zwei NAND-Gattern aufbauen, wobei die Ausgänge jeweils auf einen Eingang des anderen Gatters zurückgekoppelt werden. Die Rückkopplung bewirkt, dass ein einmal vorhandener Zustand erhalten bleibt. Abb. 27: Grundprinzip des RS-Flipflops In der real aufgebauten Schaltung werden beide Ausgänge an LEDs gelegt. Am Ausgang von NAND 2 erscheint immer der invertierte Zustand von NAND 1. Zwei Widerstände gegen Vcc sorgen für den Ruhezustand 1.
Abb. 28: Schaltbild des RS-Flipflops Abb.
9 Blinkschaltung Mit zwei NAND-Gattern, zwei Widerständen und einem Kondensator lässt sich ein astabiles Flipflop aufbauen, das selbstständig hin- und herschaltet. Wie bei einem RS-Flipflop wird hier eine Rückkopplung eingesetzt. Ein Zustand ist aber jeweils nur so lange stabil, wie der Kondensator geladen wird. Danach wechselt der Ausgangszustand. Streng genommen ist dies keine digitale Schaltung, weil die Eingangsspannung des linken Gatters sich allmählich ändert.
Abb.
Abb. 32: Aufbau des Wechselblinkers 10 Doppelblinker Mit vier Gattern lassen sich gleichzeitig zwei unabhängige Blinkschaltungen aufbauen. Theoretisch sollten sie mit gleicher Frequenz arbeiten. Praktisch jedoch führen geringe Bauteiletoleranzen dazu, dass beide Schaltungen nicht exakt synchron arbeiten. Wenn Sie einen der Kondensatoren mit dem Finger berühren, führt eine leichte Erwärmung zu einer geringfügigen Verringerung der Kapazität. Der entsprechende Blinker läuft dann etwas schneller.
Abb.
Abb. 34: Unabhängiger Blinktakt 11 Variable Frequenz Die Frequenz der beiden Blinker lässt sich in weiten Grenzen variieren, wenn ein externer Widerstand zum 2,2-MΩ-Widerstand in der Schaltung parallel geschaltet wird. Hier wird der Hautwiderstand verwendet. Eine leichte Berührung beider Drahtenden führt zu einer Erhöhung der Frequenz. Mit den Oszillatoren lassen sich die Hautwiderstände zweier Personen vergleichen.
Abb.
Abb. 36: Aufbau mit Fingerkontakten 12 Frequenzteiler Das CMOS-IC 4027 enthält zwei unabhängige JK-Flipflops. Ein JK-Flipflop ist eine relativ komplexe und sehr vielseitig einsetzbare Schaltung. Beim ersten Versuch wird das IC als Toggle-Flipflop eingesetzt. Die Eingänge R und S müssen dazu an GND gelegt werden, die Eingänge J und K an Vcc. »Toggeln« bedeutet Umschalten. Der Ausgangszustand ändert sich bei jedem 0-1-Zustandswechsel am Takteingang (Clock, C), also bei jeder positiven Taktflanke.
Abb. 37: Das JK-Flipflop als Toggle-Flipflop Schaltungen mit Flipflops sind empfindlich gegen Störsignale. Ein Kondensator zwischen Vcc und GND verhindert Störungen, die sich über die Versorgungsleitungen ausbreiten könnten. Für eine hohe Zuverlässigkeit der Schaltung ist zusätzlich ein Widerstand von 10 kΩ in die Taktleitung eingefügt.
Abb.
Bei diesem Versuch werden sowohl das Taktsignal als auch das Ausgangssignal des Flipflops an LEDs angezeigt. Man sieht deutlich, dass der Ausgangszustand sich nur halb so schnell ändert wie das Taktsignal. Abb. 39: Anzeige der Grundfrequenz und der halben Frequenz 13 Teiler durch vier Zwei Toggle-Flipflops lassen sich hintereinander schalten. Der Q-Ausgang des ersten Flipflops steuert den C-Eingang des zweiten Flipflops. Insgesamt wird dabei die Eingangsfrequenz durch vier geteilt.
Abb. 40: Zwei Teiler hintereinander Takt Ausgang 2 Ausgang 1 Zählerstand 0 0 0 0 1 1 1 3 0 1 1 3 1 1 0 2 0 1 0 2 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 Zugleich kann die Schaltung auch als Zähler angesehen werden, wenn man die Ausgangszustände als Bits einer Digitalzahl betrachtet. Der Zustand am Ausgang 1 muss dann rechts stehen. Es ergeben sich die Binärzahlen 00, 11, 10, 01, 00. Die Schaltung zählt also rückwärts: 0, 3, 2, 1, 0 usw.
Abb. 41: Teilen durch 2 und durch 4 Abb. 42: Aufbau des Binärzählers Diese Schaltung aus hintereinandergeschalteten Toggle-Flipflops wird auch als asynchroner Zähler oder Ripple-Counter bezeichnet. Die jeweils folgende Stufe schaltet erst mit einer Verzögerung von einigen Nanosekunden um, was aber für das Auge unsichtbar bleibt.
14 Stop and Go Setzen Sie statt des 10-kΩ-Widerstands zwei Drähte mit offenen Enden ein. Der Widerstand Rx wird dann z. B. durch Berühren gebildet. Schalten Sie das Taktsignal durch Berührung mit dem Finger ein und aus. Sie können den Zähler damit laufen lassen und stoppen. Versuchen Sie einmal, die Ausgänge genau beim Zustand 1 einzufrieren. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, nur den Takteingang allein zu berühren. Dabei wird meist ein 50-Hz-Brummsignal als Takt wirksam.
Abb.
Abb. 44: Zähler mit Berührungskontakten 15 Set und Reset Die Eingänge R und S können wie bei einem RS-Flipflip verwendet werden. Sie werden hier mit zwei Schaltern bedient. Zusätzlich sind die Eingänge mit Widerständen gegen GND versehen, die den Ruhepegel Null festlegen. Die erste Zählstufe kann nun beliebig gelöscht (R) oder gesetzt (S) werden. Solange einer der Taster gedrückt wird, bleibt der Zähler im entsprechenden Zustand stehen. Damit ändert sich auch der Zustand der zweiten Zählstufe nicht mehr.
Abb.
Abb. 46: Einbau der Taster 16 JK-Flipflop Die Eingänge J und K geben dem JK-Flipflop ihren Namen. Sie werden nun genauer untersucht. Verbinden Sie dazu die beiden Tastschalter mit den zugehörigen Widerständen mit den Eingängen J und K des oberen Flipflops. Mit dem anliegenden Takt können nun alle Zustände von J und K getestet werden. Eine Funktion ist ja bereits aus den vorangegangenen Versuchen bekannt: Mit J = 1 und K = 1 schaltet der Ausgang bei jeder positiven Taktflanke um (Toggeln).
Abb.
Abb.
Abb. 49: Taster an J und K 17 Schieberegister Ein Schieberegister schiebt Eingangszustände mit jedem Taktimpuls um eine Stufe weiter. Mit dem 4027 lassen sich zwei Stufen aufbauen. Das Taktsignal wird nun parallel an beide Clock-Eingänge gelegt. Am Eingang hat man wieder zwei Taster an J und K. Entscheidend ist die Verbindung zur nächsten Stufe. Q führt an J und /Q an K. Bei einer positiven Taktflanke übernimmt das erste Flipflop die ungleichen Zustände an J und K.
Abb. 50: JK-Flipflop als Schieberegister Im Ruhezustand sind beide Eingänge J und K Null. Drücken Sie nun den J-Taster. Der 1-Zustand wird beim nächsten Taktimpuls an Q1 übernommen und beim folgenden auch an Q2. Man kann deutlich die Verzögerung um einen Takt erkennen. Lassen Sie den Taster los. Weil nun beide Eingänge J und K der ersten Stufe 0 sind, ändert sich der Ausgang nicht. Beide Ausgänge bleiben also an. Drücken Sie nun die K-Taste.
Abb.
Abb. 52: Versuchsaufbau Schieberegister 18 Phasenverschiebung 90 Grad Führen Sie die Ausgangssignale des zweistufigen Schieberegisters an den Eingang zurück. Dabei sollen aber J und K vertauscht werden. Das Ergebnis ist, dass das erste Flipflop jeweils den invertierten Zustand des zweiten Flipflops annimmt. Das zweite dagegen folgt dem ersten wie bisher mit einer Verzögerung von einem Takt. Im Endergebnis schalten beide Ausgänge jeweils abwechselnd um.
Abb.
Abb.
Abb. 55: Versuchsaufbau zur Phasenverschiebung Ändern Sie die Schaltung einmal so, dass bei der Rückkopplung J und K nicht vertauscht werden. Das Ergebnis ist ungewiss, weil es vom ersten Zustand der Flipflops nach dem Einschalten abhängt. Möglich ist, dass beide Ausgänge dauerhaft an oder aus bleiben, oder dass sie gegenphasig wechseln. 19 Bit-Decoder Beim vorigen Versuch leuchteten beide LEDs jeweils zwei Takte lang. Nun werden einzelne Schaltphasen decodiert und angezeigt.
Ausgang Q2 Ausgang Q1 Zahlenwert LED 1 LED 2 1 0 2 1 0 1 1 3 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 Abb.
Abb. 57: Aufbau mit vier LEDs 20 Eins aus Vier Damit immer jeweils nur eine der vier LEDs leuchtet, müssen auch die beiden LEDs rechts im Schaltbild in gleicher Weise zwischen beide Flipflops geschaltet werden. Damit die beiden verbleibenden Schaltphasen decodiert werden können, wird nun beim unteren Flipflop der invertierte Ausgang /Q verwendet.
Abb. 58: Der Decoder Abb.
21 Synchronzähler Ein mehrstufiger Synchronzähler liefert im Prinzip die gleichen Ergebnisse wie ein mehrstufiger Ripple-Zähler. Der Unterschied ist, dass die Ausgänge nun exakt zum gleichen Zeitpunkt umschalten. Dazu müssen alle Stufen mit dem gleichen Takt arbeiten. Das Taktsignal wird parallel an alle C-Eingänge der Flipflops gelegt. Ein Flipflop kann dabei nicht auf das Ergebnis der vorigen Stufe warten, sondern es muss schon vorher wissen, ob es beim nächsten Takt umschalten soll.
Abb. 61: Synchroner Vorwärtszähler Auch hier sollen wieder vier LEDs einzeln nacheinander leuchten. Insgesamt bildet sich ein Lichtmuster, das aussieht, als ob ein Punkt links herum im Kreis wandert.
Abb.
