Das Lernpaket Digitale Elektronik 

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Das Franzis Lernpaket Digitale Elektronik


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 dreiviertel an wie in der analogen Elektronik. 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. Ein 8-Bit-System kann 256 Zustände darstellen, ein 16-Bit-System schon 65636 (= 2 hoch 16) Zustände. Wenn dann noch alle Zustände schnell wechseln, lassen sich riesige Datenmengen verarbeiten und komplexe Systeme wie z.B. das Internet realisieren.  
 
Die ersten Versuche zur digitalen Elektronik sollten mit möglichst einfachen Bauteilen durchgeführt werden. Ein typischer Grundbaustein ist ein so genanntes Gatter, also eine Schaltung mit Eingängen und einem Ausgang. Der Zustand an den Eingängen bestimmt, was am Ausgang passiert. Ein typisches Beispiel ist das NAND-Gatter. Das im Lernpaket verwendete vierfache NAND-Gatter 4011 erlaubt bereits zahlreiche Schaltungsvarianten. Aus mehreren NAND-Gattern lassen sich Schaltungen mit anderen Funktionen aufbauen. Sogar ein ganzer Computer ist letztlich aus solchen Grundfunktionen aufgebaut.
 
Aus Gattern lassen sich z.B. Flipflops oder Speicherbausteine aufbauen, die den zuletzt eingenommenen Zustand behalten. Ein komplexeres Flipflop ist das JK-Flipflop, das intern ebenfalls aus Gatterfunktionen aufgebaut ist. Das Lernpaket enthält ein doppeltes JK-Flipflop 4027. Als drittes IC ist ein Zählerbaustein 4040 mit einer Teilerkette aus zwölf Flipflops im Lernpaket enthalten. Damit lassen sich Binärzahlen darstellen und Frequenzen bis zu 4096-fach herunterteilen. Alle drei ICs gehören zur CMOS-Familie 4000 und dürfen mit Betriebsspannungen zwischen 3 V und 15 V betrieben werden. Damit eignen sie sich hervorragend für einfache Experimente und für den Batteriebetrieb mit 9 V.

Inhalt

1 Bauteile   

1.1 Das Steckfeld   
1.2 Die Batterie   
1.3 Leuchtdioden   
1.4 Widerstände   
1.5 Kondensatoren   
1.6 Tastschalter   
1.7 Vierfaches NAND-Gatter 4011   
1.8 Zweifaches JK-Flipflop 4027   
1.9 Zwölffach-Teiler 4040   
2 Experimente mit Logik-Gattern   
2.1 Inverter   
2.2 Berührungsschalter   
2.3 NAND-Grundfunktion   
2.4 AND-Gatter   
2.5 OR-Gatter   
2.6 NOR-Gatter   
3 Kippschaltungen aus NAND-Gattern   
3.1 RS-Flipflop    19
3.2 Blinkschaltung   
3.3 Doppelblinker   
3.4 Variable Frequenz   
4 Das Zweifach-Flipflop 4027   
4.1 Frequenzteiler   
4.2 Teiler durch vier   
4.3 Stop and Go   
4.4 Set und Reset   
4.5 JK-Flipflop   
4.6 Schieberegister   
4.7 Phasenverschiebung 90 Grad   
5 Decoder   
5.1 Bit-Decoder   
5.2 Eins-aus-Vier-Decoder   
5.3 Bit-Decoder und Synchronzähler   
6 Teilerketten mit dem 4040   
6.1 Ein Teiler durch Zwei   
6.2 Vier-Bit Binärzähler   
6.3 Zähler zurücksetzen   
6.4 Besondere Blinkmuster   
6.5 Teiler durch 10   


Beispielkapitel 6.2: Vier-Bit Binärzähler

 
Mit vier LEDs an den Ausgängen Q1 bis Q4 hat man einen Binärzähler von 0000 bis 1111 (dezimal 0 bis 15). Verwenden Sie aus Platzgründen die farbigen LEDs mit eingebautem Vorwiderstand. Bei einem Eingangstakt mit etwa 2 Hz bleibt die letzte LED an Q4 jeweils 4s an und 4 s aus. Die Frequenz wird also durch 16 geteilt. Die folgende Tabelle zeigt alle 16 nacheinander vorkommenden Zustände.


 

Q4

Q3

Q2

Q1

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

1

1

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1

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1

0

1

0

1

1

0

0

1

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1

1

0

0

0

1

0

0

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0

1

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0

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1

1

1

0

0

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

 

 

Unterbrechen Sie einmal die Taktleitung und halten Sie stattdessen die linke Seite des 10-kΩ-Widerstands zwischen den Fingern. Nun kann es passieren, dass der Zähler mit hoher Frequenz zu laufen beginnt.  Das liegt meist an 50-Hz-Brummsignalen, die von nahen Netzleitungen stammen. Die letzte LED sollte dann mit etwa 3 Hz flackern.
 

 

 




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