Versuch 7 - Universität Paderborn

Universität Paderborn
Fachbereich Physik
Physikalisches Praktikum C
Versuch 7
Vorbereitung : Aufbau und Anwendungen von Kippstufen, insbesondere von Flip-Flops und Zählern
7.1 Tastenprellen
7.1.1 Schalten Sie die Teiler-Flipflops zu einem 4-Bit-Zähler zusammen, indem Sie den FFAusgang QA mit dem FF-Eingang EB verbinden (Beachten Sie, dass außerdem zumindest
einer der Reset-Eingänge auf "0" gelegt werden muss). Steuern Sie diesen Binärzähler mit
dem Handtaktgeber an. Stellen Sie für 5 Taktimpulse eine Tabelle nach untenstehendem
Muster auf, in die Sie jeweils für die fallende, wie auch für die steigende Impulsflanke den
Ausgangszustand der Zähl-FFs (erkennbar an der LEDs) eintragen.
Impulsflanke
1
Zählerstand
2
3
4
5
fallend (HL)
steigend (LH)
Wie erklären Sie sich das Ergebnis ?
7.1.2 Entprellen Sie den mechanischen Kontakt, indem Sie dem Umschaltkontakt ein RS-FF
nachschalten.
R
S
&
Q '
&
Q
Benutzen Sie nun den Ausgang Q oder Q' der Entprellschaltung, um den Versuch 7.1.1 zu
wiederholen.Stellen Sie anhand der erstellten Tabelle fest, welche Funktion das RS-FF
ausübt.
Universität Paderborn
Fachbereich Physik
Physikalisches Praktikum C
7.2 Arbeitsweise von Binärzähler und Komparator
7.2.1 Schließen Sie die 7-Segment-Anzeige an die Ausgänge des Binärzählers an (Stecken der
Plus-Verbindung). Nehmen Sie nun die Zustandstabelle des Zählers auf. Führen Sie dazu
seinem Eingang EA mit dem zuletzt aufgebauten Taktgeber Zählimpulse zu.
7.2.2 Benutzen Sie einen Schmitt-Trigger-Oszillator zur Ansteuerung des Dualzählers. Erklären Sie
die Funktion dieses Oszillators. Berechnen Sie den Wert des Kondensators so, daß die
Schaltzustände über die optischen Anzeigen noch gut verfolgt werden können (ν ≈ 1 Hz).
7.2.3 Machen Sie sich die Signalfolge an den Komparatorausgängen (A>B, A=B und A<B) klar,
indem Sie mit der nebenstehenden LED-Zustandsanzeige die Signalpegel an den Ausgängen
abfragen (ν Takt ≈ 1 Hz, ev. manuelle Taktgebung). Verwenden Sie dazu verschiedene
Einstellungen des Ziffernschalters. Nehmen Sie für den Fall, daß der Ziffernschalter auf 5
steht, das Impulsdiagramm der Komparatorausgänge auf.
7.3 Rückgestellte Dualzähler
7.3.1 Rückstellung über das interne Rücksetztgatter
Verwenden Sie die beiden Eingänge des internen Rücksetzgatters.Welche Modulo-m-Zähler
sind nach dieser Methode realisierbar? Bauen Sie unter anderem einen Dekadenzähler
(Modulo-10-Zähler) auf.
7.3.2 Rückstellung über den 4-Bit-Komparator als programmierbare Rücksetzeinrichtung
a) Realisieren Sie einige Modulo-m-Zähler, die Sie unter 7.3.1 nicht aufbauen konnten.
Entscheiden Sie anhand von Versuch 7.2.3, welche Komparator-ausgänge Sie dazu benutzen
können.
b) Realisieren Sie einen Vorwahlzähler, indem Sie den Taktgeber über seinen S-Eingang durch
den Komparator starten bzw. stoppen.Welchen Komparatorausgang benötigen Sie für diese
Schaltung ?
Anmerkung :
starten.
Wenn Sie den Ruhekontakt des Handtaktgebers in die Reset-Leitung legen,
können Sie den Zähler nach dem Stop-Signal durch Betätigen des Tasters wieder
Universität Paderborn
Fachbereich Physik
Physikalisches Praktikum C
7.4 Frequenzteiler
7.4.1 Überzeugen Sie sich, daß jeder Zähler auch als Frequenzteiler arbeitet. Oszilloskopieren Sie
dazu die Spannung am Eingang und an allen Ausgängen des Zählers (ν Takt ≈ 2 kHz).
Skizzieren Sie das Oszilloskopbild aller Ausgänge für das Teilungsverhältnis 5:1; achten Sie
dabei auf eine synchrone Aufnahme. Diskutieren Sie das Ergebnis.
7.4.2 Überzeugen Sie sich auch akustisch von der Frequenzteilung, indem Sie die
Oszillatorfrequenz (ν Takt ≈ 4 kHz). mit dem (nicht rückgestellten) Binärzähler in mehrere
Oktaven (Frequenzverhältnis 1:2) unterteilen. Schließen Sie dazu den Kopfhöhrer an den
verschiedenen Ausgängen Qn an, hören Sie sich nun die erzeugten Tonfrequenzen an und
kontrollieren Sie mit dem Qszilloskop den Oktavenabstand.
7.5 Elektronischer Würfel
7.5.1 Realisieren Sie einen elektronischen Würfel, der die gewürfelte Augenzahl als Dezimalzahl
anzeigt. Benutzen Sie dazu als Zufallsgenerator den Handtaktgeber mit seinem sonst
unerwünschten Kontaktprellen. Mit den abgegebenen Prellimpulsen speisen Sie den
Binärzähler, der modulo-m zu betreiben ist. Listen Sie die Ergebnisse von ca. 20 Schaltungen
in einer Tabelle auf, und berechnen Sie daraus die Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten der
einzelnen Augenzahlen. Treffen Sie danach eine Entscheidung über die Zuverlässigkeit des
elektronischen Würfels. Überlegen Sie sich, wie man den auf der Experimentierplatte
vorhandenen Bauteilen einen zuverlässigeren elektronischen Würfel aufbauen kann und
untersuchen Sie dessen Statistik.
Anmerkung :
Benutzen Sie für diese Versuche den Ruhekontakt, da dieser nur beim
Schließvorgang prellt.
Universität Paderborn
Fachbereich Physik
Physikalisches Praktikum C
zuVersuch 7
Beschreibung der Baugruppen des Digital-Steckbretts:
Stromversorgung
Schmitt-Trigger
rücksetzbarer
als
4-bit-
Takt-Oszillator
R-S Flip-Flop
Anzeige
Binär-Zähler
Status-
Komparator
LED
mit 4-bit-Eingabe
mit Umschalter
(Handtaktgeber)
Binär-
(4 LEDs)
SiebensegmentDekoder
mit Anzeige
(high=an)
Bemerkungen:
Alle Schaltungsteile mit Ausnahme der 7-Segment-Anzeige sind bereits intern mit der
Versorgungsspannung verbunden.
Außer den notwendigen Ein- und Ausgängen der Funktionsgruppen sind noch einige weitere
Steckbuchsen, z.B. für Masseanschlüsse etc. auf dem Steckbrett vorhanden.
Der als Taktgeber vorgesehene Schmitt-Trigger ist bereits über einen variablen Widerstand (0..1 kOhm)
gegengekoppelt, der notwendige Kondensator muß noch von Ihnen bestückt werden.
Der Binärzähler besteht aus einer Einzelstufe (Stufe A) und einem 3-bit-Zähler (Stufen B,C,D), die intern
noch nicht miteinander verbunden sind. Die Eingänge sind mit EA , EB, die Ausgänge mit QA ..QD
gekennzeichnet. Die 2 Rücksetzeingänge sind miteinander verNANDed und wirken auf beide
Zählerteile.
Die Spannungsversorgung der 7-Segment-Anzeige geschieht über die darüber eingebaute Steckbuchse
(diese Buchse ist ein Eingang !), die z.B. mit dem +-Anschluß der 4 Leuchtdioden (unmittelbar darüber)
verbunden wird.