11  Digitaltechnik

11.1  Lernziel

Die digitale Informationsverarbeitung ist heute von großer Bedeutung in der physikalischen Meßtechnik. Der Versuch soll dazu dienen, einige grundlegende Erfahrungen sowohl theoretischer als auch praktischer Art mit der Digitaltechnik zu sammeln. Die physikalische Wirkungsweise der einzelnen Bausteine ist dabei von untergeordneter Bedeutung, sondern das Wesentliche ist deren Verknüpfung untereinander. Im vorliegenden Versuch sind die Bausteine durch Halbleiterbauelemente ausgeführt, deren Wirkungsweise und Schaltungstechnik Sie somit auch kennenlernen.

11.2  Lerninhalte

1. Verständnis der binären Logik.
   Boole’sche Algebra, Wahrheitstabelle, logische Funktion, konjunktive und disjunktive Normalform, Karnaugh-Diagramm.
2. Funktionsweise von logischen Grundfunktionen,
   Monoflop, Flip-Flop’s (R-S-, T-, D-, J-K-Master-Slave), Addierern und Zählern.
3. Meßtechnischer Umgang mit elektronischen Digitalbausteinen (TTL-Technik). Stromversorgung, Belastbarkeit von Ein- und Ausgängen. Bausteine mit offenem bzw. geschlossenem Kollektor.

11.3  Aufgaben

1. Untersuchungen zur Schaltungslogik. Test der Wirkungsweise der Gatter, NAND, NOR, EXOR. Wie wird ein offener Eingang gelesen? Messung der Ausgangsspannungen und -ströme. Aufbau eines EXOR-Gatters aus NAND- und aus NOR-Gattern. Bestimmung der Gatterlaufzeit eines NAND-Gatters. Torschaltung mit einem NAND-Gatter. Aufbau einer ”Wired-OR”-Schaltung und eines 1-bit-Volladdierers. Ableitung der logischen Funktionen für die Segmente eines Hexadezimal-zu-7-Segment-Dekadierers.
2. Untersuchungen mit astabilen Schaltungen, Messung der Triggerschwellen eines Schnitt-Triggers. Aufbau einer Oszillatorschaltung und Messung der Frequenz.
3. Untersuchungen mit bistabilen Schaltungen. Aufbau eines R-S-Flip-Flops aus zwei NAND-Gattern. Test der Wirkungsweise eines J-K-Flip-Flops. Aufbau eines Synchronzählers aus zwei J-K-Flip-Flops, Inbetriebnahme eines einstufigen Dezimal-Zählers. Bau einer Digitaluhr mit Minuten- und Stundenanzeige.
4. Untersuchungen mit monostabilen Schaltungen, Messung von Anstiegsund Abfallzeit des Ausgangsimpulses eines Monoflops. Anwendung: Mit einem Schalter sollen zwei verschiedene Lämpchen in beliebiger Reihenfolge alternativ angesprochen werden.
5. Lösung eines vom Betreuer gestellten Problems.

11.4  Literatur

U.Tietze, Ch.Schenk

Halbleiter-Schaltungstechnik, 2.Aufl.,Springer-Verlag

Texas-Instruments

TTL-Kochbuch

H.L.Stuckenberg

Digitale Logik, Reihe: Nukleare Elektronik und Meßtechnik, Bd. 1,G.Braun, Karlsruhe, Kapitel 2,3,4-6

U. Weyh

Elemente der Schaltungsalgebra Oldenburg-Verlag

W.Weber

Einführung in die Methoden der Digitaltechnik AEG-Telefunken, Handbuch Bd. 6, Kapitel 1.1., 1.3, 2.2, 3.1, 5.1

G.Durcansky

Digitaltechnik, Physik-Verlag

11.5  Hinweise

Zur Wahrung der Übersicht, notiere man die Kontaktbelegung der aufgebauten Schaltung in einer Skizze. Zur Anzeige von logischen Zuständen verwende man die Lämpchen im Anzeigegerät. Logische Werte für 8 Variable sind am Impulsgenerator einstellbar.

Impulsfolgen mit Frequenzen von 0.1 bis 100 kHz stehen am Impulsgenerator zur Verfügung.

Schätzen Sie den Stromverbrauch der Schaltkreise aus ihrer typischen Leistungsaufnahme ab und stellen Sie die Strombegrenzung am Netzgerät entsprechend ein.