Grundkurs Digitaltechnik - RB

Grundkurs Digitaltechnik
PRAXIS
Von Studenten für Studenten
Böttinger Michael
Schneider Sascha
Schubert Thomas
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Wir begrüßen dich zu den praktischen Übungen des Grundkurses „Digitaltechnik“.
Bevor du aber loslegen kannst, gilt es zunächst einige wichtige Dinge zu beachten. Diese
betreffen zum einen deine persönliche Sicherheit, aber ebenso auch die Sicherheit deiner
Kommilitonen. Daher sind die folgenden Regeln unbedingt zu beachten:

5 Sicherheitsregeln beachten

Achte auf deine Kommilitonen/Innen

Sichtprüfung der Gerätschaften zu Beginn durchführen

Keine eigenmächtigen Reparaturen durchführen

Defekte Geräte dem Betreuer melden
Die Regeln sollen im Folgenden noch näher erläutert werden, da sie ein absolutes MUSS
für jeden sind. Nur so kann sichergestellt werden, dass auch alle das Labor wieder
unbeschadet verlassen.
Die 5 Sicherheitsregeln sind absolute Basics für jeden, der mit elektrotechnischen
Komponenten arbeitet. Diese umfassen folgende Schritte:
5 Sicherheitsregeln:
1. Freischalten
2. Gegen Wiedereinschalten sichern
3. Spannungsfreiheit feststellen
4. Erden und Kurzschließen
5. Benachbarte unter Spannung stehende Bauteile absperren/abschranken
Das Freischalten bedeutet, dass die Stromzufuhr zur entsprechenden Stelle unterbrochen
wird. Dies kann z.B. erfolgen, indem man die Sicherung entfernt, den Hauptschalter
ausschaltet, oder ähnliche Schritte durchführt. Da nun ein Kommilitone die
Stromversorgung aber wieder aus Versehen einschalten könnte, ist entsprechende Stelle
gegen Wiedereinschalten zu sichern, sodass ihm dies nicht möglich ist.
Seite | 2
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Ein einfaches Schild ist hierfür nicht ausreichend, sondern es müssen weitere
Maßnahmen, wie z.B. das Abschließen des Hauptschalters getätigt werden.
Um sicher zu gehen, dass keine Spannung mehr an deiner Arbeitsstelle anliegt, ist die
Spannungsfreiheit festzustellen. Als Werkzeug dient hierfür ein zweipoliger
Spannungsprüfer, ein einpoliger ist nicht zulässig.
Die Punkte Erden und Kurzschließen, sowie benachbarte unter Spannung stehende
Bauteile absperren/abschranken müssen erst ab Spannungen größer 1000V beachtet
werden und sollen an dieser Stelle nicht näher erläutert werden. Falls es dich aber
dennoch interessiert, gibt dir dein Betreuer gerne Auskunft darüber.
Wenn du eine Übung bearbeitest, dann achte unbedingt auch auf
deinen Nachbar. Sollte ein Notfall, irgendeiner Art vorliegen, findest
du an deinem Tisch einen Not-Aus-Schalter, der sofort den Strom im
Raum unterbricht.
Abbildung 1: Not-Aus
Bevor du mit den Übungen beginnst, solltest du dir zunächst die Geräte und Kabel, die du
für die Laborübungen benötigst genau ansehen. Sollten dir Mängel auffallen, dass z.B. ein
Kabel einen Schaden an der Isolierung aufweist, irgendwelche Pins, oder Schalter an
einem Board defekt sind, dann melde dies bitte unverzüglich deinem Betreuer. Fehler
passieren und so kommt es schon einmal vor, dass etwas kaputt geht. Es ist nur wichtig,
dass dies gemeldet wird, sodass schnell für Ersatz gesorgt werden kann.
Damit aber möglichst wenig der Laborausrüstung beschädigt wird, bitten wir dich, mit den
Geräten pfleglich umzugehen. Achte dabei z.B. beim Herausziehen von Kabeln darauf,
dass du diese am Stecker greifst.
Das Essen und Trinken ist in den Laborräumen verboten. Der Dozent wird Pausen machen,
in denen du vor den Laborräumen etwas zu dir nehmen kannst.
Um die Aufgaben sinnvoll lösen zu können, solltest du dir zunächst die Aufgabenstellung
sorgfältig durchlesen und die Fragen, welche es im Vorfeld zu beantworten gilt,
bearbeiten.
Seite | 3
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Ist dir etwas unklar, bzw. du hast eine weiterführende Frage? Kein Problem, sprich einfach
deinen Laborbetreuer an. Ein reger Austausch macht Allen mehr Spaß und das Labor
gestaltet sich für alle deutlich interessanter.
In diesem Sinne wünschen wir dir viel Spaß mit den folgenden Übungen und hoffen, dass
du dadurch deine Kenntnisse festigen kannst.
Verwendete Hardware
Die folgenden Übungen wirst du auf einem Universal-Aufbauboard von HPS durchführen.
Dieses besteht aus zwei kleinen Einzelboards, welche über Steckbrücken miteinander
verbunden sind (siehe Bild 2).
Steckverbinder
2mm Buchse
4mm Buchse
durchgeschaltete Strecke
Abbildung 2: Zwei Universal-Boards verbunden
Seite | 4
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Das Board an sich ist simpel aufgebaut und weißt zwei verschiedene Größen von Buchsen
auf. Diese sind einmal die 4mm und die 2mm Buchsen. Am oberen und unteren Ende
siehst du eine weiße Linie. Diese symbolisiert, dass diese Strecke intern durchgeschalten
ist. Willst du eine Verbindung zwischen zwei 4mm Buchsen herstellen, um deine Boards
mit Spannung zu versorgen, dann solltest du die kleinen weißen Steckverbinder nehmen,
die sich ebenfalls beim Zubehör befinden. Jedoch musst du hier aufpassen, dass du die
Boards nicht gewaltsam oben aufdrückst. Die Ecken der Boards stehen leicht über, sodass
diese brechen würden (siehe Abbildung 3).
Abbildung 3: Bruchgefahr an den Ecken
Um die Spannungsversorgung herzustellen, liegt ein Netzteil bereit, welches du nur am
PWR-Board anschließen musst (siehe Abbildung 4). Du kannst nun die folgenden Boards
mit den weißen Verbindern, bzw. den vorhandenen 2mm Kabeln, hinter diesem Board
anschließen, sodass alle mit Spannung versorgt sind. Du musst jedoch immer aufpassen,
dass du die Polunug (Ground, +5V) nicht vertauschst.
Seite | 5
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Grundbausteine
VERSUCH 1:
Für den ersten Versuch benötigst du nun das PWR Board (Abbildung 4) und das AND Board
(Abbildung 5). Dafür musst du bei einem AND Gatter die beiden Eingänge (links) jeweils
mit einem Kippschalter des PWR Boards verbinden. Die Grünen LEDs am Eingang des AND
zeigen dir nun an, ob an diesem Eingang ein Signal ansteht, also eine „1“ vorhanden ist.
Durch das Einschalten beider Kippschalter leuchtet dann auch die rote LED am Ausgang.
Der zweite Ausgang des AND ist der inverse Ausgang (durch einen Kreis gekennzeichnet).
An diesem ist die Logik genau umgekehrt. Dadurch ist der inverse Ausgang des AND
gleichzustellen mit einem NAND (Not AND).
Abbildung 4: PWR-Board
Abbildung 5: AND-/OR-Board
Seite | 6
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
VERSUCH 2:
Für den nächsten Aufbau müssen zwei Kippschalter mit einem OR verbunden werden.
Beim Betätigen dieser Schalter ist der Unterschied zu einem AND deutlich zu erkennen.
Dieser Unterschied besteht darin, dass das AND nur schaltet, wenn beide Eingänge ein
HIGH-Signal haben. Bei einem OR schaltet der Ausgang sobald am Eingang mindestens ein
HIGH-Signal anliegt. Der obere Ausgang ist in diesem Fall ebenfalls wieder der inverse
Ausgang und stellt damit ein NOR Gatter dar (not OR).

Aufgabe:
Stelle ein NOT Gatter dar. Wie ist dies mit den vorhandenen Gattern möglichst einfach zu
realisieren?
Lösung:
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
Seite | 7
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Zusammengesetzte Gatter
Alle Gatter lassen sich durch eine Kombination aus NAND Gatter darstellen. Dies hat den
Vorteil, dass du in einer Schaltung nur NAND Gatter benötigst, um deine gesamte Logik zu
realisieren. Es ist zwar ein etwas größerer Verdrahtungsaufwand, ermöglicht aber ein
einfacheres Austauschen der Gatter.
VERSUCH 3:
Zur Übung wird nun ein Gatter durch drei NAND Gatter realisiert. Die Eingangssignale A
und B werden jeweils durch Kippschalter realisiert. Baue dazu folgende Schaltung auf:
Abbildung 6: Schaltung Aufgabe 3
Der Ausgang Y wird dazu einfach über eine Leitung auf den Eingang eines freien ORGatters gelegt. Dadurch ist das Schalten des aufgebauten Gatters besser zu erkennen.
Seite | 8
Grundkurs Digitaltechnik

Version 1.0
Datum: 2014
Aufgabe:
Trage das erhaltene Ergebnis für die vier Möglichkeiten in folgender Wahrheitstabelle ein.
A
B
Y
Tabelle 1: Grundgatter

Aufgabe:
Wie lautet der Name des erstellten Gatters?
Lösung:
___________________________________________________________________
Seite | 9
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
VERSUCH 4:

Aufgabe:
Ändere die vorige Schaltung so ab, damit du ein AND Gatter erhältst. Was muss dafür
geändert werden?
Zeichne den Schaltplan dafür.
Wie viele NAND Gatter benötigst du dafür?
Lösung:
Seite | 10
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
VERSUCH 5:
Über das Textool-Board besteht die Möglichkeit jeden beliebigen IC mit einem DIP
Gehäuse darauf zu integrieren (Abbildung 7). DIP beschreibt dabei die längliche Form
eines ICs, welcher aus zwei Reihen mit Anschlussstiften (Pins) besteht. Um einen IC auf
dem Board zu befestigen, muss der Hebel geöffnet werden. Danach muss der IC eingesetzt
werden und wird dann über das Schließen des Hebels festgehalten. Beim Einsetzen musst
du darauf achten, dass du den IC so platzierst, dass du weißt welcher Pin auf welchem
Anschluss wiederzufinden ist.
Abbildung 7: Textool-Board
Im folgenden Versuch wird dir der Umgang mit einem Datenblatt zur
Versuchsdurchführung aufgezeigt. Dafür sind die benötigten Seiten des Datenblattes auf
den kommenden Seiten abgebildet. Die geschwärzten Bereiche verdecken dabei nur die
Lösung der folgenden Aufgabe und sind im Original natürlich nicht vorhanden.
Seite | 11
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Abbildung 8: Datenblatt IC-Baustein
Seite | 12
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Auf der ersten Seite des Datenblattes sind die verschiedenen Bauformen des ICs zu
erkennen. Zusätzlich sind die Betriebstemperaturen, der Leistungsverbrauch, die
Pinbelegung und die Schaltzeiten der Gatter auf dieser Seite vermerkt. Des Weiteren ist an
den vielen Bezeichnungen im oberen rechten Eck zu erkennen, für welche Bausteine
dieses Schaltbild gilt. Die passende Bezeichnung ist auf dem IC aufgedruckt. VCC und GND
stehen im Datenblatt für die Versorgungsspannung des Bausteins (GND = Ground; V CC =
positive Versorgungsspannung).
Abbildung 9: Fortsetzung IC-Baustein
Seite | 13
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Die zweite Seite zeigt noch einmal die Ein- und Ausgänge der einzelnen integrierten
Gatter, sowie deren Pin-Nummern. Ebenfalls werden die Ein- und Ausgänge für die
jeweiligen ICs schematisch dargestellt.
Abbildung 10: Fortsetzung 2 IC-Baustein
Seite | 14
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Diese Seite zeigt bei welcher Spannung der IC betrieben werden kann und ab welcher
Spannung dieser durchbrennt. Zusätzlich sind die einzelnen Schaltschwellen in der Tabelle
angegeben. Dabei handelt es sich um die Bereiche, die beschreiben bis zu welcher
Spannung das Gatter einen LOW Pegel erkennt und ab welcher Spannung es sich um einen
HIGH Pegel handelt. Zusätzlich sind die dazugehörigen Ströme und Schaltzeiten
angegeben.
Die Datenblätter der unterschiedlichen Gatter sehen alle recht ähnlich aus, enthalten aber
immer die wichtigsten Informationen, welche du benötigst um den Baustein richtig zu
betreiben. In manchen Fällen sind dabei sogar Schaltbeispiele enthalten.

Aufgabe:
Setze diesen Baustein auf das Textool-Board und schließe die Eingänge 1A und 1B auf
jeweils einen Kippschalter. Setzte dann den Ausgang 1Y auf einen beliebigen Eingang eines
Grundgatters um das Schaltverhalten des ICs über eine LED anzeigen zu lassen. Die
Pinbelegung ist dafür aus dem Datenblatt abzulesen.
Fülle nun die folgende Wahrheitstabelle aus:
A
B
Y
Tabelle 2: Wahrheitstabelle IC-Baustein

Aufgabe:
Wie lautet der Name des erstellten Gatters?
Lösung: ___________________________________________
Seite | 15
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
VERSUCH 6:

Aufgabe:
In diesem Versuch soll der vorherige Versuchsaufbau so erweitert werden, dass folgende
Wertetabelle entsteht:
A
B
Y
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
Tabelle 3: Erweiterung IC-Baustein
Lösung:
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________

Aufgabe:
Zeichne den passenden Schaltplan zu deiner Lösung auf und realisiere dann deine
Schaltung.
Seite | 16
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Lösung:
Die Grundbausteine werden nicht nur für die zusammengesetzten Gatter verwendet,
sondern auch für die Schaltwerke. Mit diesen komplexeren Schaltungen können Speicher,
Zähler sowie Schieberegister realisiert werden.
Um in dieses Thema langsam einzusteigen werden wir mit den Flip Flops anfangen und auf
diesen aufbauen.
Flip-Flops
Allgemein wird ein Flip Flop als Speicherelement bezeichnet. Es ist in der Lage eine
Datenmenge von einem Bit zu speichern. Es werden verschiedenste Flip Flops verwendet,
von denen nun die drei gängigsten bearbeitet werden sollen.
Seite | 17
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
RS-Flip-Flop
VERSUCH 7:
Zunächst beschäftigen wir uns mit dem RS-Flip Flop. Wie du aus dem Vorbereitungsskript
schon weißt, kann dieses entweder mit 2 NAND- oder mit 2 NOR-Bausteinen realisiert
werden.
In diesem Versuch verwendest du das PWM-Board sowie das AND-NAND/OR-NOR-Board.
Nun sollst du ein RS-Flip Flop mit 2 NOR-Gattern aufbauen.
Verwende dazu zwei Kippschalter, z.B. S1 und S2 und schließe sie entsprechend dem
Schaltbild aus dem Vorbereitungsskript an zwei NOR-Bausteine an. Achte darauf, dass du
jeweils den negierten Ausgang eines NOR-Bausteins mit einem Eingang des anderen NOR
verschaltest.

Aufgabe:
Vervollständige die folgende Wahrheitstabelle und vergleiche dein Ergebnis mit der
Wahrheitstabelle des Vorbereitungsskriptes.
Lösung:
S
R
Q
Kommentar
Tabelle 4: Wahrheitstabelle RS-Flip-Flop
Seite | 18
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
VERSUCH 8:
Wie du sicherlich schon bemerkt hast, gibt es auch ein Flip Flop-Board. Bei diesem sind
schon mehrere Flip Flops integriert.
Verwende nun dieses Board (Abbildung 11) und beschalte das linke obere RS-Flip Flop.
Abbildung 11: Flip-Flop-Board

Aufgabe:
Was fällt dir im Vergleich zu Versuch 7 auf?
Welche Unterschiede gibt es zwischen den beiden Realisierungen?
Mit welchen internen Bausteinen arbeitet das RS-Flip Flop aus Versuch 8?
Lösung:
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
Seite | 19
Grundkurs Digitaltechnik
S
R
Q
Version 1.0
Datum: 2014
Kommentar
Tabelle 5: Wahrheitstabelle RS-Flip-Flop (vom Board)
D-Flip-Flop
VERSUCH 9:
Das nächste Flip Flop, welches du schon kennen gelernt hast, ist das D-Flip Flop. Auch hier
gibt es schon einen fertigen Baustein auf dem Flip Flop-Board.
Aber da wir uns in einer Laborübung befinden, wollen wir diesen Baustein zunächst mit
den bekannten aufbauen.
Deine Aufgabe ist es das D-Flip Flop entsprechend dem Schaltplan aus dem
Vorbereitungsskript (siehe S. 14) aufzubauen. Verwende hierfür das AND-NAND / OR-NORBoard. Die Taktfrequenz wird dabei über den Drucktaster T1 manuell vorgegeben.
Alternativ kannst du auch die Frequenz über den Taktgenerator vorgeben.
Versuche dein theoretisch erlerntes Wissen nachzuvollziehen bzw. zu festigen.
Kontrolliere dazu deine praktischen Ergebnisse mit den Ergebnissen des
Vorbereitungsskriptes.
Seite | 20
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
JK-Flip-Flop
VERSUCH 10:
Das letzte Flip Flop, das du in dieser Übung kennen lernen wirst, ist das JK-Flip Flop. Um
die Funktionsweise zu verstehen werden wir hierzu jedoch den schon vorhandenen
Baustein verwenden.
Verwende hierfür das Flip Flop-Board, sowie das AND-NAND / OR-NOR-Board, um die
Ausgänge über ein OR-Gatter sichtbar zu machen.

Aufgabe:
Was fällt dir auf, wenn du beide Eingangssignale auf den logischen Wert ‚1‘ setzt?
Wie nennt man diesen Zustand? Erkläre kurz was passiert.
Lösung:
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
Seite | 21
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Digitale Zähler
Asynchronen Vorwärtszähler
VERSUCH 11:
In diesem Versuch wirst du mit Hilfe deines Vorbereitungsskriptes einen asynchronen
Vorwärtszählers aufbauen. Hierfür benötigst du das PWR-, Flip Flop- und Anzeige-Board
(Aufbau siehe Bild 12).
Abbildung 12: Vorbereitung für Versuch 11
Wir werden einen 3-Bit Zähler aufbauen und uns den Zählerstand durch die 7-SegmentAnzeige auf dem Anzeige-Board ausgeben lassen. Verwende zur Realisierung die JK-Flip
Flops. Bevor es aber ans Eingemachte geht, bearbeite bitte folgende Aufgaben.
Seite | 22
Grundkurs Digitaltechnik

Version 1.0
Datum: 2014
Aufgabe:
Welchen Zählbereich erwartest du? Begründe deine Antwort.
Lösung:
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________

Aufgabe:

Vervollständige den Schaltplan (siehe Abbildung 13) des 3-Bit Vorwärtszählers.

Wie müssen die Eingänge J und K eines jeden Flip Flops beschalten sein um am
jeweiligen Ausgang einen Toggle-Zustand auszulösen?

Was bedeutet ‚asynchron‘? Mit welchem Signal müssen die Takteingänge des
zweiten und dritten Flip Flops beschalten sein? Warum?
Abbildung 13: Unvollständiger Schaltplan des asynchronen Zählers Versuch 11
Seite | 23
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Lösung:
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
Da wir auf dem Flip Flop-Board 4 JK-Flip Flops zur Verfügung haben, ist es deine nächste
Aufgabe den 3-Bit Vorwärtszähler zu einem 4-Bit Vorwärtszähler zu erweitern.

Aufgabe:
Wie lautet der Zählbereich jetzt?
Was fällt dir an der Anzeige auf?
Lösung:
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
Seite | 24
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Synchronen Vorwärtszähler
VERSUCH 12:
Wenn es einen asynchronen Zähler gibt, muss es logischerweise auch einen synchronen
Zähler geben. Diesen darfst du in diesem Versuch aufbauen.
Da der Schaltplan ein wenig komplexer ist, wird dir dieser vorgegeben und du musst die
Boards entsprechend verschalten. Für den Aufbau benötigst du wieder das PWR-, Flip
Flop- und Anzeige-Board. Zusätzlich wirst du auch noch das AND-NAND / OR-NOR-Board
benötigen.
Aber ACHTUNG: Die Schaltung hat es schon mehr in sich wie die bisherigen, also achte
darauf, dass du den Überblick behältst.
Abbildung 14: Schaltplan eines synchronen Vorwärtszählers
Seite | 25
Grundkurs Digitaltechnik

Version 1.0
Datum: 2014
Aufgabe:
Wie muss man die Eingänge J und K ändern um die Zählfolge 0, 1, 3, 5, 7, … zu erhalten?
Lösung:
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
Seite | 26
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
VERSUCH 13:
Wenn du nun Blut geleckt hast und noch die Zeit hast, dann überlege dir doch einmal wie
man einen asynchronen 4-Bit Rückwärtszähler realisieren kann und baue diesen auch auf.
Gehe hierfür von der Struktur des Schaltplans auf S.23 (Versuch 11) aus. Die nichtinvertierten Ausgänge zeigen wieder den Zählerstand an.

Aufgabe:
Wie würdest du bei einem Rückwärtszähler das Taktsignal durch die Flip Flops befördern?
Schaue dir dazu den asynchronen Vorwärtszähler aus Versuch 11 nochmals an und
verwende einfach das invertierte Signal
Lösung:

Aufgabe:
Baue einen entsprechenden Zähler auf und teste dessen Funktionsweise.
Seite | 27
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Count-Shift-Memory-Board
VERSUCH 14:
Wie du sicherlich schon bemerkt hast, gibt es einen fertigen 4-Bit Zähler auf dem CountShift-Memory-Board. Dieser beinhaltet die Funktionen Vorwärts-, sowie Rückwärtszählen.
Verwende diesen nun um dieselben Schaltungen wie in Versuch 11 und 12 aufzubauen.

Aufgabe:
Bestätigen sich deine Ergebnisse?
Seite | 28
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Schieberegister
Neben Flip Flops und digitalen Zählern ist das Schieberegister eines der wichtigsten
Schaltwerke in der heutigen digitalen Welt. Die Aufgabe eines Schieberegisters besteht
darin eine Information (ein Bit) mit jeder gültigen Taktflanke (ob positiv oder negativ sei
mal dahingestellt) um eine Position weiterzuschieben. Vergleichen kann man dies mit
einer Eimerkette, bei der ein Eimer nach und nach weitergereicht wird.
Anwendung findet dies, wenn z.B. aus einem parallelen Signal ein synchrones Signal
erzeugt werden soll.
Realisierung mit D-Flip-Flops
VERSUCH 15:
Deine Aufgabe wird es in diesem Versuch sein, ein eben solches Schieberegister
aufzubauen. Dazu verwendest du neben dem PWM-Board auch das Flip Flop-Board. Das
Schieberegister soll aus D-Flip Flops aufgebaut werden.
Der folgende Schalplan, siehe Abbildung 15, gibt dir dafür die nötige Hilfestellung:
Abbildung 15: Schaltplan eines Schieberegisters
Seite | 29
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Hier ist immer ein Ausgang auf den jeweils nächsten Eingang geschalten. Um mit dem
Schieberegister ein wenig zu spielen, schließe den ersten Eingang auf einen der beiden
Drucktaster des PWM-Boards.

Aufgabe:
Was passiert wenn man lange Zeit auf dem Taster T1 bleibt oder ganz schnell
hintereinander drückt?
Lösung:
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
Seite | 30
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Realisierung mit JK-Flip-Flops
VERSUCH 16:
Im vorherigen Versuch wurde dir ein Schaltplan vorgegeben um das Schieberegister zu
realisieren. Nun sollst du an Hand der folgenden Informationen einen Schaltplan, zur
Realisierung eines Schieberegisters mit JK-Flip Flops, vervollständigen.
Vorgaben:

Die Eingänge (J und K) des ersten Flip Flops sollen invertiert beschalten sein, z.B. J = 1
und K = 0 oder umgekehrt.
Mit welchem Grundbaustein ist dies möglich?
Lösung: ____________________________________________________________

Die Flip Flops arbeiten taktsynchron. Wie muss dann das Taktsignal angeschlossen
werden?
Lösung: ____________________________________________________________

Die nicht-invertierten Ausgänge Q gehen jeweils auf den J-Eingang des folgenden Flip
Flops.

Die invertierten Ausgänge Q‘ gehen jeweils auf den K-Eingang des folgenden Flip
Flops.

Aufgabe:
Vervollständige den Schaltplan entsprechend den Vorgaben, um ein Schieberegister mit
JK-Flip-Flops aufzubauen
Seite | 31
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Zu vervollständigender Schaltplan:
Abbildung 16: Schieberegister mit JK-FlipFlops

Aufgabe:
Baue nun aus diesem selbst erarbeiteten Schaltplan das Schieberegister mit JK-Flip Flops
auf.
Was passiert wenn die Eingänge J und K die gleichen Werte haben (z.B. J = K = 1)?
Lösung:
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
Seite | 32
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Speicher
VERSUCH 17:
Abbildung 17: Schaltplan für die Ansteuerung des Speichers
Seite | 33
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Hinweise zum Schaltplan:
Bezeichnung
Verbunden mit
Funktion
S1…S4
Eingang Treiberbausteine
Geben Inhalt beim Speichern vor
S8
EN‘ für Treiber
Treiberstufe aktivieren/deaktivieren
T1
Zähler Counter
Zählt beim Counter hoch
T2
WR‘ Speicher (über NOT)
Schreibimpuls für Speicher
Q0…Q3 (Counter)
A0…A3 Speicher
Gibt Adresse für Speicherplatz vor
Q0…Q3 (Speicher)
Eingang 7-Segment
Ausgabewert für 7-Segment
Ausgang Treiber
Eingang 7-Segment
Zeigt Wert der Schalter (bei EN) an
CS‘ (Speicher)
Masse
immer aktiv
Tabelle 6: Hinweise zu den einzelnen Elementen
Besonderheiten:

Der Ausgang des Speichers (Q) ist nicht immer als Ausgang zu verstehen. Bei einem
Schreibvorgang übernimmt er die Funktion eines Eingangs, beim Lesen ist dieser als
Ausgang zu verstehen

Der Eingang CS (Chip Select) ermöglicht es dir beim verwenden mehrerer Speicher
immer einen bestimmten auszuwählen, auf welchem du etwas abspeichern willst. Da
nur ein Speicher verwendet wird benötigt CS dauerhaft eine „1“, was durch die
Negation bedeutet, dass du CS auf Masse anschließen kannst.

Der Anschluss von RAM und EEPROM auf dem Board erfolgt nach dem gleichen
Schaltplan. Die Unterschiede dieser beiden Speicher liegen in deren Eigenschaften.
Seite | 34
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Programmierablauf:
Der folgende Ablauf zeigt dir, wie du den jeweiligen Speicherbaustein richtig beschaltest.
Dieser Ablauf bezieht sich dabei auf den Schaltplan (Abbildung 17). Der Kippschalter S8 ist
dafür zuständig, dass der Treiber-Baustein aktiviert wird. Hierbei übernimmt dieser die
Funktion eines Schalters. Allgemeine Aufgabe eines Treiber-Bausteins ist es, die benötigte
Leistung für die Ansteuerung mehrerer Gatter zur Verfügung zu stellen. Für die
Programmierung gehst du wie folgt vor:
1. Den Counter mittels Taster T1 auf den entsprechenden Wert setzen (Speicherstelle)
2. Die Kippschalter S1…S4 für die Festlegung des Inhalts entsprechend betätigen. Der
aktuelle Wert ist dann auf der 7-Segmentanzeige zu sehen.
3. Wenn du den aktuellen Wert der Anzeige abspeichern willst, musst du den Taster T2
betätigen. Dadurch wird der Wert auf die aktuellen Adresse geschrieben.
Die Schritte 1 bis 3 kannst du nun wiederholen um mehrere Werte auf verschiedene
Adressen zu schreiben. Wenn du alle Werte eingelesen hast musst du den Kippschalter S8
wieder abschalten (auf „0“ setzen). Dadurch wird an der 7-Segmentanzeige nur noch der
Wert angezeigt, welcher vom Speicher ausgegeben wird. Über den Taster T1 kannst du
nun alle Adressen durchgehen und die Anzeige zeigt dir die entsprechenden Werte an den
jeweiligen Adresse an.
Umsetzung:
Für diesen Versuch sollst du eine Anzeige für einen Aufzug realisieren. Dabei soll die 7Segmentanzeige U, E und 1 für Untergeschoss, Erdgeschoss und 1.Stockwerk anzeigen. Es
ist zu erkennen, dass bei allen drei Anzeigewerten die Segmente f und g immer benötigt
werden und somit dauerhaft mit +5V zu verbinden sind.
Seite | 35
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
In der folgenden Tabelle (Tabelle 7) kannst du ebenfalls sehen, dass b und c immer
denselben Wert besitzen, wodurch diese miteinander verbunden werden können.
Speicherstelle
Anzeige
a
b
c
d
e
f
g
0000
U
0
1
1
1
1
1
1
0001
E
1
0
0
1
1
1
1
0010
1
0
0
0
0
1
1
0
Tabelle 7: Codierung des Aufzugs

Aufgabe:
Deine Aufgabe besteht nun darin die Schaltung mit dem RAM Baustein zu realisieren und
die Werte der Tabelle 7 in diesen zu speichern.

Aufgabe:
Worin unterscheiden sich der RAM und der EEPROM Baustein? Teste dies an deinem
Aufbau einmal aus.
Lösung:
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
Seite | 36
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Nachdem du nun diesen Grundkurs durchgearbeitet hast, würde uns noch deine Meinung
interessieren.
Uns liegt viel daran, dass dir der Kurs Spaß gemacht hat und du vor allem deine
theoretische Vorbereitung durch die Praxis festigen konntest. Gerade in den folgenden
Semestern wirst du feststellen, dass eine beherrschte Vorgehensweise schwierigere
Aufgabenstellungen deutlich einfacher macht. Wir bitten dich deshalb, für die
kommenden Semester zur Verbesserung dieses Kurses beizutragen und die folgenden,
kurzen Fragen zu beantworten. Scheue nicht vor Kritik, über Lob würden wir uns aber
auch freuen. Diese Seite kannst du bei Herrn Smagacz-Allramseder in der Kronenstraße B
R3.04 abgeben.
1. Zu deiner Situation
Du befindest dich derzeit im wievielten Semester?
Deine Studienrichtung ist:
Vorkenntnisse waren vor dem Kurs vorhanden?
2. Kurs
Trifft
zu
1
Trifft
nicht zu
2
3
4
Der Schwierigkeitsgrad ist angemessen
Ausreichende Hinführung durch das Vorbereitungsskript
Der zeitliche Rahmen ist angemessen
3. Inhalte
Trifft
zu
1
Trifft
nicht zu
2
3
4
Die erwarteten Inhalte sind ausreichend behandelt
Die Themen sind zu ausführlich behandelt
Die Inhalte der Skripte sind gut verständlich dargestellt
Seite | 37
Grundkurs Digitaltechnik
Version 1.0
Datum: 2014
Zu welchen Themen hättest du gerne noch mehr Infos, bzw. weitere Übungen?
4. Betreuer
Trifft
zu
1
Trifft
nicht zu
2
3
4
Die Betreuungsperson ist fachlich kompetent
Die Betreuungsperson ist didaktisch kompetent
5. Sonstiges
Haben wir etwas vergessen? Gibt es sonstige Vorschläge zu dieser Laborübung?
Seite | 38