Monthly Archives: April 2019

Basteln mit integrierten Schaltungen Teil 10 – Multiplexer/Demultiplexer

In diesem Grundlagenteil geht es um eine weitere wichtige Schaltung: dem Multiplexer / Demultiplexer.

Multiplexer (Mux) schalten von vielen Eingängen auf einen Ausgang.
Demultiplexer (Demux) schalten von einem Eingang auf viele Ausgänge.

Anschaulich erklären lässt sich die Funktionsweise mit einem Bauteil mit z.B. einem Eingang und n-Ausgängen. Der gewünschte Ausgang wird per Drehschalter ausgewählt. Das Eingangssignal wird zum gewählten Ausgang durchgeleitet. Natürlich funktioniert dies auch umgekehrt mit n-Eingangsleitungen und einer Ausgangsleitung – hier wird die gewünschte Eingangsleitung ausgewählt, welche zum Ausgang durchgeleitet werden soll.

In der Elektronik erfolgt die Selektion des gewünschten Ein- oder Ausgangs natürlich nicht per Drehschalter, sondern elektronisch.

Der Vorteil hierbei liegt darin, dass neben der eigentlichen Datenleitung zusätzlich nur wenige Adressleitungen zur Selektion benötigt. Beispiel: Zur Selektion von 8 Eingangs- oder Ausgangsleitungen werden nur 3 Adressleitungen benötigt ( \(2^3=8\) ).

Bei zyklischem Durchlauf können mit einem Multiplexer parallele Datenströme in serielle gewandelt werden. Diese können somit über eine einzige Datenverbindung wie Glasfaser oder eine Telefonleitung übertragen werden und in Verbindung mit einem Demultiplexer wieder in parallele Daten gewandelt werden.

Der untere Aufbau zeigt einen Demultiplexer, hier wird nämlich ein Eingangssignal an Pin 3 (X) zu einem ausgewählten Ausgang X0-X7 durchgeschaltet. Die Selektion (mit dem „elektronischen Drehschalter“) erfolgt über die entsprechende Ansteuerung der Eingänge A bis C.

Multiplexer 74HC4051

Basteln mit integrierten Schaltungen Teil 9 – Das Schieberegister

In diesem Teil geht es um einen weiteren, wichtigen integrierten Schaltkreis: Das Schieberegister 74HC595.

Anschaulich beschrieben, ist die Funktionsweise hierbei ähnlich einer Eimerkette. Mehrere in Reihe geschaltete Flipflops schieben ihren Speicherinhalt (je 1 Bit) bei jedem Arbeitstakt um ein Flipflop weiter. Das zuerst eingespeicherte Bit verlässt den Speicher zuerst (FIFO-Prinzip).

Der nachfolgende Aufbau zeigt die Funktionsweise des Schieberegisters, der Input wird hier über einen Taster SW1 realisiert, welcher im gedrückten Zustand ein High-Signal am Eingangs-Pin 14 (SER/Input) liefert.

Aufbau 9 – Schieberegister 74HC595

Basteln mit integrierten Schaltungen Teil 8 – Zählen mit dem Dekadezähler CD4017

Gezählt wurde bereits in Teil 6 mit den integrierten Schaltungen 74HC193 und 74HC161. Heute geht es genauer um den CD4017, ein Dekade- / Dezimalzähler.

Dieser zählt die Taktimpulse am Eingangs-Pin 14 (CLK) und schaltet mit der steigenden Flanke des Taktsignals nacheinander die Ausgänge Q0-Q9 auf High. Folgt nach 9 ein weiterer Impuls, beginnt der Zähler wieder bei 0. Wenn Eingangs-Pin 13 (CKEN) High ist, ignoriert der Zähler die Taktimpulse.

Ein High-Pegel am Eingangs-Pin 15 (Reset) setzt den Zähler auf 0 zurück. Dies kann man sich u.a. zunutze machen und Reset mit einem bestimmten Qn-Ausgang verbinden, um den Zähler nur bis zu einem bestimmten Wert zählen zu lassen.

Eine Besonderheit bietet der Ausgang 12 (Cout) – dieser liefert 1/10 der Taktfrequenz, wie im Aufbau mittels der roten LED dargestellt.

Aufbau 8 – Zählen mit dem Dekadezähler CD4017

Basteln mit integrierten Schaltungen Teil 7 – Binär zu Dezimal

In den vorherigen Teilen wurden die Binärwerte entweder direkt oder per 7-Segmentanzeige ausgegeben. In diesem Teil geht es um die Wandlung eines Binärwertes in einen Dezimalwert, hierzu kommt der Schaltkreis 74HC42 zum Einsatz.

Der nachfolgende Aufbau verwendet den aus dem letzten Teil bekannten Zähler 74HC193 zur besseren Veranschaulichung. Ähnlich wie zuvor wird eine Wertbegrenzung benötigt, um bei Binär 1011 / Dezimal 11 einen Reset auszulösen. Hierzu kommen wieder NAND-Gatter und Inverter zum Einsatz, die genaue Auslegung und Werttabelle ist anhand des Schaltplanes ersichtlich.

Die Ausgabepins des 74HC193 (Q0 bis Q3) werden mit den Eingangspins des 74HC42 (A0 bis A3) verbunden. Die Ausgabe erfolgt allerdings in negativer Logik (0 = HIGH, 1 = LOW), was bei der weiteren Verarbeitung und Ausgabe berücksichtigt werden sollte. Der Schaltplan zeigt ein mögliches Beispiel, alternativ kann z.B. auch ein Inverter verwendet werden.

Versuchsaufbau 7 – BCD zu Dezimal-Decoder

Basteln mit integrierten Schaltungen Teil 6 – Zählen mit 74HC193 und 74HC161

Dieser Teil befasst sich mit einem weiteren, wichtigen Schaltkreis: Dem Binärzähler. Der erste Aufbau befasst sich primär mit dem 74HC193, einem synchronen hoch/runter 4-bit Binärzähler mit Clear. Der zweite Aufbau zeigt den 74HC161, ebenfalls ein synchroner 4-bit Binärzähler mit Clear, dessen Zählrichtung allerdings nur aufsteigend ist.

Ziel des ersten Aufbaus ist es, synchron zum Taktsignal von 0 bis 9 zu zählen. Die Ausgabe soll sowohl binär mit LEDs als auch auf einer 7-Segmentanzeige erfolgen. Hier ergibt sich die erste Problemstellung, der Zähler übersteigt mit 4 Bit (\(2^4=16\)) den zulässigen Wertebereich von 0-9 der Anzeige.

Um den Wertbereich zu begrenzen, kann beim Erreichen des Binärwertes 1010 (Dezimal 10) ein Reset durchgeführt werden – der Zählvorgang beginnt dann wieder von vorne.

Die Anforderung lautet also: Sobald die Ausgänge Q1 und Q3 auf High gesetzt sind, soll Mr (Reset) ebenfalls High sein. Mr wird über einen Pulldown-Widerstand per Standard auf GND gezogen und beim Durchschalten des Transistors auf High gesetzt.

Realisiert wird diese Anforderung zunächst über ein NAND-Gatter, dessen Eingänge an Q1 und Q3 angeschlossen werden. Sobald Q1 und Q3 High sind, ist das Ausgangssignal des NAND-Gatters Low. Über einen Inverter/Negator wird daraus ein High-Signal, welches den Transistor durchschaltet und damit den Reset auslöst.

Die Binärwerte von Q0 bis Q3 werden über den bekannten Decoder BCD zu 7-Segmentanzeige 74HC4511 auf der angeschlossenen 7-Segmentanzeige ausgegeben.

Der zweite Ausbau mit dem 74HC161 gestaltet sich ähnlich und wurde hier vereinfacht dargestellt.

Aufbau 6 – Zählen mit 74HC193/74HC161


Basteln mit integrierten Schaltungen Teil 5 – 7-Segmentanzeige

Nach dem Teil 4 gehe ich auf die dort verwendete Ausgabeeinheit ein, das 7-Segment-Display.

Auch wenn es verschiedene Ausführungen gibt, unterscheidet man zwei Arten von 7-Segmentanzeigen:

  • Gemeinsame Anode (Common Anode) oder
  • Gemeinsame Kathode (Common Cathode)

Welche verwendet wird, hängt von dem zur Anwendung kommenden Logik-Pegel der Schaltlogik ab (positive oder negative Logik).

Positive Logik: 0 = Low (0 V), 1 = High (+5 V)
Negative Logik: 0 = High (+5 V), 1 = Low (0V)

In vielen Fällen kommt die positive Logik zur Anwendung, hier würde man eine 7-Segmentanzeige mit gemeinsamer Kathode wählen. Hierbei lassen sich die einzelnen Segmente entweder manuell direkt ansteuern oder man verwendet den aus dem letzten Aufbau bekannten BCD zu 7-Segment-Dekoder 74HC4511, um den meist ohnehin bereits vorhandenen Binärwert umzuwandeln. Exemplarisch dargestellt ist dies im Schaltplan in der oberen Darstellung zu ersehen.

Mit zusätzlichen Aufwand und Bauteilen kann allerdings auch eine 7-Segmentanzeige mit gemeinsamer Anode in Verbindung mit einer positiven Schaltlogik verwendet werden. Die Signale müssen hierzu negiert werden. Hierzu verwendet man entweder einen Logikbaustein (Negator) oder verwendet Transistoren, wie in der unteren Darstellung des Schaltplanes ersichtlich.

Liegt an der Basis der Transistoren kein Signal an, ist der Eingangspegel der 7-Segmentanzeige High. Sobald ein Signal an der Basis anliegt, schaltet der jeweilige Transistor durch und zieht damit den Eingangspegel der 7-Segmentanzeige auf Low.

7-Segmentanzeige mit gemeinsamer Anode/Kathode und 74HC4511