Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
Unterrichts- und Lernmaterial fürMikrocontroller

Digitaltechnik – 2

0 - Beschreibung logischer Zusammenhänge mit Hilfe der booleschen Algebra

Beim Entwurf digitaler Schaltungen steht man häufig vor der Aufgabe, aus einer vorgegebenen Wahrheitstafel eine möglichst einfache boolsche Gleichung zu entwickeln. Für das Formulieren eines der Tafel entsprechenden booleschen Ausdrucks gibt es die Verfahren der disjunktiven und konjunktiven Normalform, während das Auffinden der einfachsten Form (Minimierung) erheblich schwieriger ist. Dafür wenden wir hier die Methode nach Karnaugh und Veitch (KV) an. Dabei werden die Variablen in sog. KV-Tafeln dargestellt.

1 - Die disjunktive Normalform (DNF)

Wie entsteht aus einer Wahrheitstafel nun ein boolescher Term, der die Verknüpfungen beschreibt? Es gibt zwei verschiedene Ansätze: die disjunktive und die konjunktive Normalform. Ich werde hier nur die disjunktive Normalform (DNF) beschreiben.

Disjunktive Normalform

In der disjunktiven Normalform werden alle Konjunktionen (AND-Funktionen) der Eingangsvariablen A, B, C, … disjunktiv (mit OR) verknüpft, die den Wert 1 oder HIGH haben.

Beispiel 1

A

B

C

Q

0

0

0

1

0

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

1

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

0

Tabelle 1 - Wahrheitstafel einer logischen

Verknüpfung mit den drei Eingangsvariablen

A, B und C und der Ausgangsgröße Q.

Die DNF lässt sich wie folgt aus der Wahrheitstafel (s. Tabelle 1) ableiten:

  1. Markiere alle Zeilen in der Spalte Q, die eine 1 enthalten (hier rot markiert).
  2. Stelle für jede markierte Zeile einen booleschen Produktterm auf. Dort wo eine 1 steht, schreibe den Spaltennamen auf, dort wo eine 0 steht setze hinter den Spaltennamen ein Apostroph (Negation).
  3. Stelle die disjunktive Normalform her, indem du alle Minterme addierst.
  4. Q = A´B´C´ + A´B´C  + A´BC  + AB´C´
  5. Vereinfache den Term mit Hilfe boolescher Regeln.
    Q = B´C´ + A´C     (DNF)

2 - KV-Tafel

Die KV-Tafel für zwei Variable enthält je eine Spalte für die Variable A und ihr Komplement A´, sowie je eine Zeile für die Variable B und ihr Kompliment B´.

 

 

 

 

 

 

Abb. 1

KV-Tafel für zwei Variable. Die Spalten werden mit A und A´ (non A), die Zeile mit B und B´ (non B) bezeichnet. In den Feldern stehen die Produkte aus Zeilen- und Spaltenbezeichnern.

Dort, wo in einer Funktionstabelle in der Ausgangsspalte eine 1 steht, werden die zugehörigen Eingangsgrößen, die ebenfalls eine 1 ausweisen mit ihrem Bezeichnernamen (z. B. A, B o.ä. ) aufgeschrieben und die, bei denen eine 0 steht, erhalten zusätzlich zum Bezeichnernamen ein Apostroph (z. B. A´, B´ o.ä.). Minterme sind immer AND-Verknüpfungen (Multiplikation).

Nachbarschaftsregel für KV2

Benachbarte Felder dürfen zusammengefasst werden.

2.1 - Übungsbeispiele zu KV2

Nach der Nachbarschaftsregel für KV2 gilt:

  • Q = A * B = AB          (Abb. 2a)

Entsprechend gilt für Abb. 2b die Gleichung

  • Q = A´ * B´ = A´ B´    (Abb. 2b)

Der Malpunkt kann - wie in der klassischen Algebra auch - weggelassen werden, wenn es nicht zu Unstimmigkeiten kommt.

Abb. 2a - Drei Beispiele von KV-Tafeln für zwei Variable

Die weiteren Beispiele ergeben die booleschen Gleichungen:

  • Q = B    (Abb. 2c)

Abb. 2b - Drei weitere Beispiele von KV-Tafeln für zwei Variable

Die weiteren Beispiele ergeben die booleschen Gleichungen:

 

  • Q = A´                    (Abb. 2d)
  • Q = B + A´            (Abb. 2e)
  • Q = A´ B + A B´  (Abb. 2f)

Die KV-Tafel für drei Variable besteht aus vier Spalten und zwei Zeilen.

 

 

 

 

Abb. 3

KV-Tafel für drei Variable. Die Spalten werden mit A und A´ (non A) bzw. C und C´, die Zeile mit B und B´ (non B) bezeichnet. In den Feldern stehen die Produkte aus Zeilen- und Spaltenbezeichnern.

Nachbarschaftsregel für KV3

Als benachbart gelten auch solche Felder, die an gegenüberliegenden Enden derselben Zeile liegen. Die Anzahl der jeweils in einer Gruppe zusammengefassten Felder muss eine Potenz von 2 sein.

2.2 - Übungsbeispiele zu KV3

Die Gleichung aus Zeile 4 im Beispiel 1 wird in eine KV-Tafel für drei Variable übertragen, indem man alle Terme entfernt, die nicht in der Gleichung vorkommen und für die vorkommenden Terme eine 1 schreibt. Die KV-Tabelle hat dann das folgende Aussehen:

 

 

Abb. 4

Alle Terme, die keine 1 in der Spalte Q enthalten wurden aus der KV-Tafel gelöscht, die übrig gebliebenen mit einer 1 versehen.

Benachbarte Felder wurden nach der Nachbarschaftsregel KV3 zusammengefasst (Umrandung). Dadurch ergeben sich zwei neue Terme: A´C und B´C´.

Als Ergebnisterm erhält man nach der Nachbarschaftsregel für KV3 für die Wahrheitstafel aus Beispiel 1 in diesem Kapitel:

  • A´C + B´C´

was zu erwarten war, da dieses Ergebnis schon über die DNF in Übung 1 bestimmt wurde.

Aus den folgenden Bildern der Abbildung 5 können die folgenden Funktionen abgelesen werden (bitte unbedingt selbst nachvollziehen!!!):

 

  • A´ B´ C                       (Abb. 5a)
  • A´ C + B´ C´              (Abb. 5b)
  • C + A B´                     (Abb. 5c)
  • A C´+ A´ C + B´         (Abb. 5d)
  • A B + B´ C + A´ C´    (Abb. 5e)
  • A C + A´ B´ + B C´    (Abb. 5f)

Abb. 5 - Sechs Übungsbeispiele von KV-Tafeln mit drei Variablen

Wie man erkennt, ist die Verteilung und Anzahl der Einsen in Abb. 5e und 5f identisch, führen aber zu unterschiedlichen aber gleichwertigen Funktionsgleichungen. Es müssen so viele Gruppen gebildet werden, dass jede 1 erfasst ist.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 6

KV-Tafel für vier Variable. In den Feldern stehen die Produkte aus den Spalten- und Zeilenbezeichnern.

Die KV-Tafel für vierVariable besteht aus vier Spalten und vier Zeilen. Die Nachbarschaftsregel muss jetzt abgeändert werden.

 

Nachbarschaftsregel für KV4

Als benachbart gelten sowohl Felder, die an gegenüberliegenden Enden derselben Zeile liegen, als auch solche, die an gegenüberliegenden Enden derselben Spalte liegen.

2.3 - Übungsbeispiele zu KV4

Aus den Bildern der Abbildung 7 können die folgenden Funktionen abgelesen werden (bitte unbedingt selbst nachvollziehen!!!):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 7 - Zwei Übungsbeispiele von KV-Tafeln mit vier Variablen

  • C´ D´                                                         (Abb. 7a)
  • BD + A´ B C + C´ D + A B´ C D´   (Abb. 7b)

2.4 - Don´t Care Positionen

In der Praxis findet man häufig Schaltungen, bei denen bestimmte Kombinationen der Eingangsvariablen nicht auftreten. Wenn das der Fall ist, ist es völlig gleichgültig, wie sich eine Schaltung dann in solchen Fällen verhalten würde. Als Beispiel sei die folgende Tabelle genommen.

 

A

B

C

Q

0

0

0

1

0

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

X

1

0

0

1

1

0

1

X

1

1

0

0

1

1

1

0

 

Tabelle 2 – Wahrheitstabelle mit frei wählbaren Ausdrücken (don´t care positions)

 

Die Ausgangsvariable Q ist an den beiden mit einem X gekennzeichneten Stellen frei wählbar und die zugehörigen Eingangskombinationen heißen „frei wählbare Ausdrücke“ oder „don´t care positions“. Man spricht auch von einer redundanten logischen Verknüpfung.

 

Don´t cares können in redundanten logischen Verknüpfungen zur Vereinfachung logischer Ausdrücke in KV-Tafeln verwendet werden. Dazu werden die Kreuze zusätzlich zu den Einsen eingetragen und können zum Bilden von Gruppen herangezogen oder auch nicht berücksichtigt werden.

 

 

 

 

Abb. 8 – KV-Tafel zur Minimierung einer Funktion mit Don´t Care Positions (X)

Aus dem Beispiel in Abb. 8 liest man den Ausdruck ab:

  • Q = B´

3 - Übung zur DNF und KV-Diagramm

Beim Entwurf digitaler Schaltungen arbeitet man mit Funktionstabellen, Mintermen und KV-Diagrammen. An einer Beispielschaltung, deren Funktionstabelle vorliegt, wird gezeigt, wie die Minterme aufgestellt, das KV-Diagramm erzeugt und die Minimierung darüber erfolgt.

Eingänge

A  B  C

Ausgang

Q

Minterm

 

0   0   0 0  
0   0   1 1 A´ B´ C

0   1   0

1 A´ B C´
0   1   1 1 A´ B C
1   0   0 0  
1   0   1 0  
1   1   0 1 A B C´
1   1   1 0  

Tabelle 2 - Wahrheitstafel einer unbekannten

Schaltung mit den drei Eingangsvariablen

A, B und C und der Ausgangsgröße Q.

Die Minterme werden zu einer Gleichung zusammengefasst:

  • Q = A´ B´ C + A´ B C´ + A´ B C + A B C´

und an der entsprechenden Stelle im KV-Diagramm durch Eintragung einer 1 vermerkt. Anschließend werden benachbarte Paare markiert, nach der Nachbarschaftsregel KV3.

 

 

 

Abb. 8

Die Ergebnisse aus der Wahrheitstafel wurden in die KV-Tafel übertragen und benachbarte Paare markiert. Daraus kann jetzt ein Gleichung formuliert werden.

Die einzelnen Minterme fasst man über das KV-Diagramm zusammen und erhält die Minimierung:

  • Q = A´C + B C´.

Die zu dieser Gleichung gehörige digitale Schaltung besteht aus zwei AND- und einem OR-Gatter mit je einem invertierenden Eingang bei A und C.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 9 - Schaltungstechnische Umsetzung der Wahrheitstafel aus Tabelle 2 mit Angabe des Zeitdiagramms.

3.1 - Übung: Aufbau einer Licht-Steuerung

Übung: Aufbau einer Licht-Steuerung
Aufgabe
  • Eine große Bühnen-Beleuchtungsanlage steuert das Bühnenlicht über drei Lichtkreise mit unterschiedlich vielen Beleuchtungskörpern, die jeder für sich einen unterschiedlich hohen maximalen Leistungsbedarf haben. Die Leistungsangaben der drei Lichtkreise sind: Kreis 1 -> 10.000 Watt, Kreis 2 -> 5.000 Watt, Kreis 3 -> 2500 Watt. Wird eine maximale Leistung von 11.000 Watt überschritten, soll die Anlage sofort abgeschaltet werden.
  • Die drei Lichtkreise werden durch drei LEDs symbolisiert: Kreis 1 -> LED rot, Kreis 2 -> LED blau, Kreis 3 -> LED grün. Das Abschalten der Anlage wird durch das Aufleuchten einer LED gelb dargestellt.
  • Entwirf eine Schaltung, die die genannten Anforderungen erfüllt, baue sie anschließend auf und überprüfe ihre Wirksamkeit.
Material
  • 1x  Software ProfiLab 4.0

Lösung

Gestartet wird mit der Aufstellung einer Wahrheitstabelle für die genannte Aufgabe. Dazu werden die drei Kreise mit A (Kreis 1), B (Kreis 2) und C (Kreis 3) benannt. Die Wahrheitstabelle sieht wie folgt aus:

 

Eingänge

Gesamtleistung in W

Minterm

A

B

C

 

0

0

0

0

 

0

0

1

2500

 

0

1

0

5000

 

0

1

1

7500

 

1

0

0

10.000

 

1

0

1

12.500 > 11.000

A B´ C

1

1

0

15.000 > 11.000

A B C´

1

1

1

17.500 > 11.000

A B C

Übertragung der Ergebnisse aus der Wahrheitstabelle in ein KV-Diagramm:

 

 

 

 

 

Abb. 10 – KV3-Tabelle mit markierten Nachbarn

Aus der KV3-Tabelle ergibt sich die minimierte Gleichung

  • Q = AB + AC

aus der sich die Steuerungsschaltung ableitet; sie enthält zwei AND- und ein OR-Gatter.

Schaltungsaufbau

Abb. 11 - Schaltungsaufbau einer Lichtsteuerungsanlage. Die beiden eingeschalteten Lichtkreise 1 (rot -> 10 kW) und 2 (blau -> 5 kW) übersteigen die maximal vorgegebene Leistung von 11 kW der Anlage, deshalb leuchtet die gelbe LED (die Anlage schaltet si
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