Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
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Digitaltechnik - Teil 4a

Monostabile Kippschaltung

Eine monostabile Kippschaltung oder auch Monoflop, One-Shot oder Univibrator kennt nur einen stabilen Zustand. Wird eine solche Schaltung von außen angestoßen (getriggert), ändert sie ihren Schaltzustand für eine bestimmte Zeit tX (Verweilzeit) und kippt anschließend wieder in den Ausgangszustand.

 

Bessere und stabilere Eigenschaften als die aus einfachen Gattern aufgebauten Schaltungen haben integrierte Univibratoren, da ihre Schaltungen umfangreicher ausgelegt sind. Ein solcher Vertreter wird in Übung 2 näher angeschaut.

 

Ausgelöst werden Univibratoren durch eine steigende oder fallende Flanke. Der Auslöse- oder Triggerimpuls muss eine Breite zwischen ca. 25 – 100 ns haben und kann kürzer oder länger als der Ausgangsimpuls sein.

 

Es gibt zwei Typen von monostabilen Kippschaltungen:

  1. Diejenigen, bei denen die Verweilzeit konstant bleibt, auch wenn ein neuer Triggerimpuls eintrifft, bevor die Schaltung in die Ausgangslage zurückgekippt ist.
  2. Ein Triggerimpuls löst immer einen Ausgangsimpuls aus und die Verweilzeit verlängert sich jedes mal (sog. Retriggerbarer Monoflop).

 

Wir beschäftigen uns zunächst mit einer einfachen, aus Gattern aufgebauten monostabilen Kippschaltung, da daran die Physik gut erklärt werden kann (Übung 1). Für die elektronische Alltagspraxis empfiehlt es sich auf eine integrierte Univibratorschaltung zurückzugreifen.

 

Das Zeitverhalten eines Monoflops wird über ein RC-Glied verändert bzw. beeinflusst, dass den Ausgang des einen Gatters mit dem Eingang eines zweiten Gatters verbindet. Abbildung 1 zeigt eine mögliche Variante.

Übung 1 - Monostabile Kippschaltung mit NAND-Gatter

Übung 1 - Monoflop mit NAND-Gatter
Material
  • 1x  IC 74LS00P
  • 1x  Widerstand, 470 Ohm
  • 1x  C = 100 nF
  • 1x  Funktionsgenerator
  • 1x  USB-Oszilloskop
  • 1x  Labornetzgerät
  • Diverser Schaltdraht
Aufgaben
  • Baue die Schaltung nach Schaltskizze auf einem Steckbrett auf.
  • Informiere dich über die Anschlussbelegung des IC aus dem Datenblatt.
  • Nimm ein Oszillogramm auf. Analoge Messung an P, digitale Messung an 1A, 1B und 1Y.
  • Interpretiere das Oszillogramm.

Schaltskizze

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 1 - Schaltskizze zum Monoflop mit NAND-Gatter. P ist ein Messpunkt, an 1B von NAND1 wird das Rechtecksignal eingespeist, an 1A bzw. 2Y das Ausgangssignal entnommen.

Schaltungsaufbau

 

 

 

 

Abb. 2

Schaltungsaufbau mit einem IC 74LS00P. An P wird das analoge Signal , an 1B, 1A die digitalen Signale mit einem USB-Oszilloskop abgenommen.

Oszillogramme

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 3 - Das analoge Signal, abgenommen an P (oberes Fenster) und die zwei digitalen Signale abgenommen an 1B und 1A. Die gemessene Verweilzeit liegt bei t = 92,14 µs.

Deutung der Messergebnisse an Hand des Oszillogramms

  1. Ausgangslage: 1B = 1, P = 0 und 1A = 1; 1Y = 0
  2. Sobald 1B von 1 auf 0 fällt (bei ca. -0,018 ms in Abb. 3), wird 1Y = 1, 2Y = 1A = 0; Potential an P wächst linear (ohmsch) auf ca. 2,6 V.
  3. Exponentiell baut sich über C jetzt eine Ladespannung auf; damit sinkt UR. Potential bei P sinkt auf ca. 1,2 V; dann erkennt der Eingang von NAND2 ein Potential LOW und sein Ausgang 2Y = 1A kippt auf 1 (bei ca. 0,082 ms in Abb. 3).
  4. Solange 1B auf 0 liegt, lädt sich der Kondensator weiter auf; Potential von P geht gegen 0. Kondensator ist fast vollständig geladen. 1B = 0, 1A = 1.
  5. 1B = 1, 1A = 1 (bei ca. 0,5 ms in Abb. 3) führt zu 1Y = 0. P wird negativ, 1A = 1 und 1B = 1.
  6. Die monostabile Zeit liegt gemessen bei ca. 92 µs (siehe Abb. 3). Verglichen mit der rechnerisch ermittelten Zeitkonstante Tau des RC-Gliedes, die bei 84,6 µs liegt, ein im Toleranzbereich liegendes Ergebnis.

Übung 2 - Nicht-retriggerbarer One-Shot 74LS221

Übung 2 - Nicht-retriggerbarer One-Shot 74LS221
Material
  • 1x  IC 74LS221
  • 1x  Widerstand, R = 10 kOhm
  • 1x  Kapazität, C = ? nF
  • 1x  Steckbrett
  • 1x  Funktionsgenerator
  • 1x  USB-Oszilloskop
  • 1x  Labornetzgerät
  • Diverser Schaltdraht
Aufgaben
  • Baue die Schaltung nach Schaltskizze auf einem Steckbrett auf.
  • Informiere dich über die Anschlussbelegung des IC aus dem Datenblatt.
  • Dimensioniere das RC-Glied so, dass eine Verweilzeit von ca. 0,7 ms eintritt.
  • Gib an, wie du vorgegangen bist und wie du gerechnet hast.
  • Überprüfe deine Schaltung mit einem USB-Oszilloskop.
  • Interpretiere das Oszillogramm an Hand der Schaltskizze.
  • Führe weitere Versuche mit anderen Kapazitätswerten durch und vergleiche deinen Messwert mit dem rechnerischen Wert.
  • Zeige mit Hilfe des USB-Oszilloskops, dass es sich bei dem verwendeten IC um ein nicht-retriggerbaren One-Shot Baustein handelt.

Schaltungsaufbau

 

 

 

 

 

Abb. 4

Monostabile Kippstufe mit integriertem Monoflop 74LS221.

Oszillogramme zum One-Shot-Verhalten

 

 

 

 

 

Abb. 5

Oszillogramme für verschiedene Kapazitätswerte und gleichem Widerstand R = 10 kOhm. Die Triggerung erfolgt an A1 über die fallende Flanke.

Die gemessenen Impulszeiten sind im Zeitfenster jeweils eingeblendet.

Die aufgenommenen drei Oszillogramme aus Abb. 5 wurden mit unterschiedlichen Werten der Kapazität und gleichbleibendem ohmschen Widerstand R = 10 kOhm aufgenommen. Stellt man die gemessenen Werte den errechneten Werten gegenüber, zeigt sich eine hohe Genauigkeit.

Gegenüberstellung von gemessenen und errechneten Impulszeiten
RC-Glied

gemessener

Wert

errechneter

Wert

R = 10 kOhm, C = 10 nF 66,13 µs 70 µs
R = 10 kOhm, C = 100 nF 699, 3 µs 700 µs
R = 10 kOhm, C = 180 nF 1,252 ms 1,26 ms
R = 10 kOhm, C = 220 nF 1,49 ms 1,54 ms
R = 10 kOhm, C = 3,3 µF 22,4 ms 23,1 ms

Oszillogramm

 

Abb. 6

Nicht retriggerbarer One-Shot Baustein 74LS221

Getriggert wird die Schaltung bei der vorliegenden Beschaltung mit einer negativen Flanke (von HIGH nach LOW). An A1 wird eine Rechteckspannung bestimmter Frequenz gelegt. Solange der Impuls an Q1 auf HIGH liegt, löst die fallende Flanke an A1 den Monoflop nicht aus.

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