Das 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.
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Q4
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Q3
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Q2
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Q1
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0
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1
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1
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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.
