Digitaltechnik

Der Taktgeber

Die untere Abbildung zeigt den Aufbau eines mit geringem Aufwand zu realisierenden Rechteck-Generator. Mit ihm können - bei entsprechender Beschaltung - Signalfrequenzen von 0,1 Hz bis 10 MHz erreicht werden. Damit der Generator schwingen kann., muss die NAND - Bedingung für den Eingang gewährleistet werden. Dies wird durch die Rückkopplung des Ausgangs über den 330 - Ω - Widerstand auf dem Eingang und - evtl. durch weitere H - Signale (Schalter offen!) - erzielt.

Wenn am Schaltglied-Ausgang ein H-Signal liegt, wird der Kondensator C solange aufgeladen, bis der obere Schwellwert des Schmitt-Triggers erreicht wird. Jetzt schaltet der Schmitt-Trigger durch und am Ausgang erscheint ein L-Signal. Daraufhin entlädt sich der Kondensator über den Widerstand R solange, bis der Eingangspegel den unteren Schwellwert erreicht hat. Der Ausgang kippt erneut auf H-Signal um. Dies geschieht schlagartig und periodisch.

Zu beachten ist, dass bei geschlossenem Schalter die NAND-Bedingung nicht erfüllt werden kann. Der Generator ist gesperrt.

Die Taktfrequenz des Generators wird durch die RC-Kombination bestimmt. Der Widerstand soll möglichst in der angegebenen Größenordnung bleiben. Es wird also nur die Kapazität verändert.

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Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Decodierer

Ohne Dolmetscher geht nichts.

Die Umsetzung von binären Signalen in Dezimalzahlen setzt daher bei einer Siebensegmentanzeige einen Umschlüssler, einen Schaltdolmetscher voraus.

Das Innenleben des Decoders

Grundsätzlich könnte ein Decoder aus Relais mit entsprechenden Kontaktbestückungen als Schalter bestehen, da lediglich je nach Eingangs-Signalzustand die hierfür entsprechende Anzeigesegmente ein-und ausgeschaltet werden müssen. Im heutigen Zeitalter der Halbleitertechnik und integrierten Schaltungen werden jedoch kaum mehr dies gewichtigen, platzfressenden und trägen Relais-Dekodierern verwendet, die jedoch zur Pionierzeit der Digitaltechnik überhaupt erst eine Dekodierung ermöglichten.

Dekodierung für Siebensegmentanzeige

Der BCD - Decoder (Binary Code Decoder) muss also die zweiwertigen Eingangs- Signalzustände, d.h. eine bestimmte Binärkombination so verarbeiten, dass an seinen Ausgängen der zur Darstellung der richtigen Ziffer erforderliche Schaltzustand vorhanden ist. Die zur Sichtbarmachung der Ziffern 0...9 notwendigen Schaltzustände (Schaltdiagramme) sind auf folgender Decodierungstabelle ersichtlich.

Erst wenn diese Ausgangszustände am Decoder anliegen, werden die entsprechenden Leuchtsegmente, welche die Ziffern ausmachen, richtig angesteuert.

Hier ein Beispiel der Innenschaltung des 7447(Decoder)-Darstellung der Ziffern 1+2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Zähler

Grundsätzliches

Elektrische Zählschaltung werden zum zählen elektrischer Impulse verwendet. Lieferant der elektrischen Impulse können Schaltungsanordnungen mit elektronischen Fühlern sein, die auf Lichteinfall, Temperaturänderung oder Magnetismus ansprechen und physikalische Größen in entsprechende elektrische Impulsfolgen umwandeln (Analog-/Digital-Wandler). Im einfachsten Fall reicht ein kurzer Spannungstoß aus, um eine Zählschaltung zu triggern. Der Zählstand bzw. das gespeicherte Zählerergebnis wird dann durch eine darauffolgende Anzeige sichtbar gemacht. Einfache Zählerarbeiten teilweise mit elektromagnetischen Relais- Zählwerken, bei denen mit jedem elektrischen Impuls das Schrittschaltwerk um einen Schritt fortbewegt wird. Demzufolge leuchtet dann die dem Stand des Schrittschaltwerkes entsprechende Ziffer auf. Abgesehen von der verhältnismäßig niedrigen Zählgeschwindigkeit solcher elektronischen Zählwerke ist der Aufwand bei mehrstelligen Zählern nicht unerheblich. Im Zeitalter der Halbleitertechnik, bei dem das einzelne Gatter nicht mehr viel kostet und hohe Zählgeschwindigkeiten verlangt werden, arbeitet man bevorzugt mit integrierten Digitalschaltungen. Diese haben eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit, geringes Bauvolumen und arbeiten praktisch verschleislos (ohne mechanische Kontakte) und sind sehr zuverlässig,

Durch Anwendung bestimmter Codes d.h. Verschlüsselung, kann der Umfang der Zählschaltung mit Anzeige nochmals reduziert werden.

Dualzähler

Bistabile Kippstufen können nur die logischen Zustände 0 oder 1 bzw. die Schaltzustände L für niedriges Potential oder H für hohes Potential annehmen.

Dualzähler bestehen aus einer Reihe von solchen bistabilen Kippstufen die in einer monolithisch integrierten Schaltung bereits miteinander verbunden sind. Die Anzahl der benötigten Zählerstufen(Flipflops) hängt von der Zahl der zu zählenden Eingangsimpulse ab. Für zwei Impulse wird eine Zählstufe benötigt (2¹ ), für 4 Impulse (2² ) = 2 Zählstufen, für 8 Impulse (2³ ) = 3 Zählstufen, für 16 Impulse (2⁴ ) = 4 Zählstufen und für 2n - Impulse n Zählstufen.

Eine bistabile Kippstufe nimmt 2 stabile Zustände ein, wobei durch einen Eingangsimpuls das Flipflop in den zweiten stabilen Schaltzustand umkippt und solange beibehält, bis ein weiterer Impuls dieses wieder in den Ausgangszustand zurückversetzt. Daraus folgt, dass Dual- oder Binärzähler Speicherverhalten und als Frequenzteiler oder Frequenzuntersetzer verwendet werden können. Zählimpulse sing zeitlich betrachtet sehr kurze Impulse, so dass die Zähler die Impulse zählen und gleichzeitig speichern. Ein Binärzähler mit 4 Zählstufen kann daher bis zu 16 (0...15) Impulse zählen und speichern. Der Speicherinhalt des Zählers steht bei den einzelnen Zählern- bzw. Speicherelementen in zweiwertiger Form zur Weiterverarbeitung bzw. Dekodierung zur Verfügung. Die Ausgänge der Zählelemente werden direkt einem Decoder zugeführt, welcher die Dualausgänge entschlüsselt. An den Decoderausgängen sind dann die entsprechenden Signalzustände zur Ansteuerung einer Anzeige vorhanden. Diese wird von den einzelnen Speicher-Flipflops solange festgehalten , bis ein neuer Impuls auf den Eingang des Zählers gelangt.

Dabei ist zu beachten, dass die Zähler bzw. Speicherkapazität , d.h. die Anzahl der Speicherelemente (1 Flipflop kann ein bit = zweiwertige Information von Binary digit) der zu erwartenden Informationsmenge entspricht.

Binärzähler mit Flipflops

Binärzähler sind Zählschaltungen, die aus hintereinandergeschalteten , bistabilen Kippstufen besteht, die ihren Schaltzustand immer nur dann ändern, d.h. solange speichern, bis das Ausgangssignal der vorgeschalteten, bistabilen Kippstufe von 1 auf 0 schlagartig wechselt. Der Ausdruck „binär“ bedeutet nichts anderes, als die Darstellungsmöglichkeit von Zahlen von den Ziffern 0 und 1.

Ein Dezimalzähler mit BCD-Codierung Was heißt BCD-Codierung?

Die Bezeichnung „BCD“ ist eine Abkürzung für „Binary Code Dezimal“, was so viel bedeutet wie binäre Verschlüsselung. Ein Binärcode ist eine Verschlüsselungsart, bei der es nur 2 Symbole bzw. Zeichen gibt, entweder ist Spannung vorhanden oder nicht, H oder L Potential. Hierfür werden meistens die Binärsymbole H oder L bzw. in der Schaltungslogik die Bits 0 und 1 verwendet. Ein Bit ist nichts anderes als eine Binärziffer, die aus zwei unterschiedlichen Zuständen besteht.

Die Entschlüsselung von binären Informationen und die Sichtbarmachung in Dezimalziffern

Sollen die am Ausgang der Speicherzellen zur Verfügung stehenden binären Informationen sichtbar angezeigt werden, so ist ein Übersetzungselement erforderlich, welches für das jede Ziffer typische „Schaltdiagramm“ in den Siebensegmentcode umkodiert. Die Zahl der Eingagsimpulse bestimmen ja den Schaltzustand der einzelnen Speicherelemente. Erst nach der Signalaufbereitung werden die einzelnen Leuchtbalken richtig angesteuert, so dass die sichtbare Entschlüsselung, d.h. die Darstellung des Ergebnisses erst durch die Siebensegmentanzeige erfolgt. Entscheidend hierfür ist daher die richtige Umsetzung des für jede Ziffer typischen Speicher- Signalzustandes in eine entsprechende Durchschaltung der Leuchtsegmente, die in ihren Zusammensetzung das Ergebnis sichtbar macht.

Quellen

- ELEKTRONIK, Industrie-, Rundfunk-, Fersehelektronik ( EUROPA LEHRMITTEL )
- Wirsum, Experimente mit digitalen Schaltgleidern (Franzis / VfM )
- Pelka, Von der Schaltalgebra zum Mikroprozessor ( Franzis / VfM )
- Pocket Guide ( TEXAS INSTRUMENTS )

Verlauf des Schaltungsaufbaus

- Nachdem fest stand, wie die Platine auszusehen hatte, begann ich die IC- Sockel laut Layoutzeichnung zu befestigen, um die eigentlichen Bauteile nicht zu beschädigen. ( Durch die Löthitze )

- Um die Platine wenden zu können, habe ich jeden Sockel an 2 Pins fest gelötet.

- Nachdem ich die Platine gewendet hatte, traten einige Orientierungsprobleme auf. Nun galt es umzudenken! Denn nun waren die Pins spiegelverkehrt. Man musste nun von rechts nach links zählen. Als Orientierungshilfe machte ich mir an jedem Sockel einen Punkt an den Pin Nr. 1.

- Zur Verbindung der einzelnen Pins verwendete ich ein Laborverdrahtungsstift der mir freundlicherweise von der Firma Reckitt-Benckiser® zur Verfügung gestellt wurde.

- Als erstes habe ich die Versorgungsspannung an die entsprechenden Pins der einzelnen IC’s verlegt.

- Um sicher zusein ob die Verbindungen Kontakt hatten, habe ich mit einem Durchgangsprüfer (Piepser) die Verdrahtung überprüft. Ab und zu, kam es vor, dass die Verdrahtung zwar richtig war, aber keine Verbindung zu messen war. Nachdem ich mit dem Lötkolben die entsprechenden Pins nochmals erhitzte um die Isolierung zu entfernen, war die Verbindung hergestellt.

- Auch traten Problem mit der Lötspitze auf, da diese zu dick war und somit einige Lötpunkte beim Lötvorgang miteinander verbunden wurden. Diese ungewollten falschen Verbindungen musste ich dann mit einer Entlötpumpe entfernen.

- Nachdem ich die Verdrahtung fertiggestellt und geprüft hatte, steckte ich die IC´s in die vorgesehenen Sockel, schloss die 4,5 V Batterie an und die Siebensegmentanzeige zeigte mir die Ziffern von 0 bis 9 in einem Takt von nicht ganz einer Sekunde an.

Linda Lauinger, Juni 2001 / Abschlussarbeit / Technik / Realschule 10. Klasse