Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
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Digitaltechnik - 6

Übungen zum Thema Zähler

In diesem Übungsteil wird der Zählerbaustein 74HC193N eingesetzt. Es ist ein synchroner 4-Bit Vorwärts-/Rückwärts Binärzähler mit Preset in einem 16-Pin DIL-Gehäuse. Die Möglichkeiten, die dieser Baustein bietet, werden in vier Übungen experimentell erarbeitet:

  • Übung 1  -  Synchroner binärer Vorwärts-Zähler von 0 – 15
  • Übung 2  -  Synchroner binärer Rückwärts-Zähler von 15 – 0
  • Übung 3  -  Synchroner binärer Vorwärts-Zähler von 0 – 11
  • Übung 4  -  Synchroner binärer Vorwärts-Zähler von 2 - 15

Die dazu notwendigen Materialien zeigt die folgende Liste.

Vier Übungen mit dem 74HC193N

Material

  • 1x  Funktionsgenerator, alternativ: ELV Exp.Board EXSB1
  • 1x  Labornetzgerät
  • 1x  Steckbrett, alternativ: ELV Exp.Board EXSB1
  • 1x  IC 74HC193N mit Datenblatt
  • 1x  IC 74HC08N mit Datenblatt
  • 4x  LEDs mit Vorwiderstand und Transistortreiber, alternativ: ELV Exp.Board EXSB1
  • 1x  USB-Oszilloskop
  • diverse Steckdrähte/Kabel

In dieser Übung wird ein SN74HC193N (synchroner binärer 4-Bit Vor-/Rückwärtszähler mit Preset und Clear) eingesetzt. Seine Leistungsdaten können dem Datenblatt entnommen werden.

Pinbelegung des SN74HC193N

Übung 1 - Synchroner Vorwärts-Zähler von 0 bis 15

Synchroner Vorwärts-Zähler von 0 bis 15

Aufgaben

  • Informiere dich über das Datenblatt des 74HC193N,
    - über den Hardware-Aufbau des IC.
    - unter welcher Bedingung der Zähler seinen Ausgangszustand ändert.
    - unter welchen Schaltungsbedingungen der Zähler aufwärts bzw. abwärts zählt.
    - welche Bedeutung der Anschluss MR hat und wie er beschaltet wird.
    - über die Bedeutung der Pins /TCD und /TCU.
  • Baue eine Schaltung auf, die binär von 0 bis 15 hochzählt und das Ergebnis über LEDs darstellt.
  • Erläutere den Schaltungsaufbau.
  • Erstelle zu der Schaltung ein Oszillogramm und interpretiere die Darstellung.

Schaltungsaufbau

 

 

 

 

 

Abb. 1

Schaltungsaufbau mit dem Zählerbaustein 74HC193N und einer 8-fach LED-Anzeige mit Treibertransistoren. Die Ausgänge Qi des Zählers sind mit der LED-Anzeige verbunden. Betriebsspannung: 5 Volt. CLR liegt auf LOW.

Schaltskizze

Informationen aus dem Datenblatt

 

 

Der 74HC193N ist ein 4-Bit synchroner binärer Vorwärts-/Rückwärtszähler mit zwei getrennten CLK Eingängen mit vier Master-Slave-Flipflops.

  • Das Ausgänge ändern bei jedem LOW-HIGH Übergang (steigende Flanke) des Taktgebers synchron ihren Zustand.
  • Liegt der Taktgeber am Eingang CPU, während CPD auf HIGH liegt, dann zählt der Baustein vorwärts, liegt der Taktgeber an CPD und ist CPU auf HIGH, zählt er rückwärts.

 

CPD

CPU

Aktion

Takt

1

Rückwärts- Zähler

1

Takt

Vorwärts-Zähler

 

  • MR ist der Master Reset Pin, der im Zählbetrieb auf LOW liegt.
  • Die Ausgänge /TCU und /TCD liegen normalerweise auf HIGH. Sobald der Zähler 15 erreicht hat, wird bei der nächsten fallenden Flanke des Taktgebers /TCU kurz auf LOW gezogen.
  • Der Ausgang /TCD geht auf LOW, sobald der Zähler 0 erreicht hat und CPD auf LOW geht.
  • Über die Eingänge D0, D1, D2 und D3 lässt sich der Zählstart festlegen; dies geschieht unabhängig vom Eingangspuls, wenn der Eingang /PL auf LOW liegt.
  • Ist MR auf HIGH, werden die parallelen Setzeingänge abgeschaltet, alle Ausgänge auf LOW gesetzt und die Takteingänge überschrieben.

Der binäre Zählvorgang beim Aufwärtszählen kann dem Oszillogramm direkt entnommen werden.

Oszillogramm

 

 

 

Abb. 2

Der Zählvorgang beginnt mit 0000 an der Stelle -8,0 auf der Zeitachse und endet kurz vor 4,0 auf der Zeitachse.

(Oszillogramm aufgenommen mit einem PicoScope 2000).

Der Taktgeber wird in der obersten Zeile (CLK) aufgezeichnet, darunter befinden sich die vier Ausgänge der jeweiligen JK-Flipflops, die ich hier mit ihren Stellenwerten des binären Zahlensystems versehen habe.

Auf der Zeitachse bei  ca. -8,0 s sind alle Ausgänge auf LOW gezogen. Die Taktflanken des Generators liegen an allen internen Flipflops gleichzeitig an (synchroner Zähler!).

Mit der nächsten steigenden Flanke des Taktgebers wird das 1er wieder auf LOW gezogen; die fallende Flanke setzt das nachfolgende 2er Flipflop auf HIGH.

Dieser Vorgang setzt sich wiederholt fort.

Übung 2 - Synchroner Rückwärts-Zähler

Synchroner Rückwärts-Zähler

Aufgaben

  • Baue eine Schaltung auf, die binär von 15 bis 0  rückwärts zählt und das Ergebnis über LEDs darstellt.
  • Erläutere den Schaltungsaufbau.
  • Erstelle zu der Schaltung ein Oszillogramm und interpretiere die Darstellung.

Schaltskizze

 

 

 

 

 

 

Abb. 3

Die Anschlüsse Pin 4 und Pin 5 müssen vertauscht werden bei einem Rückwärtszähler. Vergleiche mit Übung 1.

Schaltungsaufbau

 

 

 

 

 

Abb. 4

Schaltungsaufbau eines synchronen binären 4-Bit Rückwärtszählers von 15 bis 0 mit einem IC 74HC192N; das IC 74HC08N wird in dieser Übung noch nicht gebraucht.

Für diesen Schaltungsaufbau benutze ich das ELV Experimentier-/ Steckboard EXSB1. Es macht den Schaltungsaufbau übersichtlicher, weil einige Komponenten, wie z. B. die LEDs mit Vorwiderstand und ein Rechteckgenerator vorhanden sind.

Oszillogramm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 5 - Der Zählvorgang beginnt mit 1111 dort, wo die unterste Zeile (8er) auf HIGH geht und endet nach einer Schwingungs-periode (8er). (Oszillogramm aufgenommen mit einem PicoScope 2000).

Mit jeder steigenden Impulsflanke wird das 1er-FF getoggelt. Dazu sucht man sich im Impuls- oder Zeitdiagramm die Startstelle 15 = 0b1111. Die nächstfolgende steigende Flanke dekrementiert den Zähler. Dieser Vorgang wiederholt sich bis zur Zahl 0 = 0b0000. Die nächste steigende Flanke setzt den Zähler zurück auf 0b1111.

Übung 3 - Synchroner Vorwärts-Zähler von 0 bis 10

Synchroner Vorwärts-Zähler von 0 bis 10

Aufgaben

  • Baue eine Schaltung auf, die binär von 0 bis 10 zählt und das Ergebnis über LEDs darstellt.
  • Erläutere den Schaltungsaufbau.
  • Erstelle zu der Schaltung ein Oszillogramm und interpretiere die Darstellung.

Schaltungsaufbau

 

 

 

Abb. 6

Über das IC 74HC08N mit vier NAND-Gattern wird die Schaltung so eingestellt, dass ein Reset ausgelöst wird, sobald Ausgang 3Y des NAND-Gatters auf 0 gezogen wird.

Oszillogramm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 7

Synchroner Vorwärtszähler von 0 bis 10. (Oszillogramm aufgenommen mit einem PicoScope 2000).

Wie arbeitet die Schaltung?

 

Der Start bei 0000 beginnt mit der fallenden Flanke in der untersten Zeile (8er). Mit jeder nachfolgenden steigenden Flanke inkrementiert der Zähler solange, bis die Zahl 10 = 0b1010 erreicht ist.

Drei der vier Eingänge des NAND-Gatters sind verbunden mit dem ersten, zweiten und vierten Flipflop. Der vierte Eingang liegt direkt an Ucc.

Inkrementiert der Zähler von 10 = 0b1010 auf 11 = 0b1011, dann liegen alle vier Eingänge des NAND-Gatters auf 1, sein Ausgang schaltet auf LOW und löst einen Reset aus. Der Zähler startet wieder mit 0.

Die vier Eingänge werden über die Zusammenschaltung von drei NAND-Gattern des Bausteins 74HC08N erreicht.

Übung 4 - Synchroner Vorwärts-Zähler von 2 bis 15

Synchroner Vorwärts-Zähler von 2 bis 15

Aufgaben

  • Baue eine Schaltung auf, die binär von 2 bis 15 aufwärts zählt und das Ergebnis über LEDs darstellt.
  • Erläutere den Schaltungsaufbau.
  • Erstelle zu der Schaltung ein Oszillogramm und interpretiere die Darstellung.

Schaltungsskizze

 

 

 

 

Abb. 8

Ausgang 1Y zieht /PL auf 0, sobald der Ausgang /TCu auf 1 geht.

Oszillogramm

 

Abb. 9

Synchroner Vorwärtszähler von 2 bis 15. Deutlich zu erkennen, dass TCu und TCd kurzzeitig auf LOW gehen und damit den Setzvorgang für den Start mit 2 = 0b0010 freischalten. Oszillogramm aufgenommen mit einem PicoScope 2000.

Wie arbeitet die Schaltung?

 

Der Start bei 0b0010 beginnt mit der fallenden Flanke in der Zeile 8er. Mit jeder nachfolgenden steigenden Flanke in Zeile CLK inkrementiert der Zähler solange, bis die Zahl 10 = 0b1010 erreicht ist.

Drei der vier Eingänge des NAND-Gatters sind verbunden mit dem ersten, zweiten und vierten Flipflop. Der vierte Eingang liegt direkt an Ucc.

Inkrementiert der Zähler von 10 = 0b1010 auf 11 = 0b1011, dann liegen alle vier Eingänge des NAND-Gatters auf 1, sein Ausgang schaltet auf LOW und löst einen Reset aus. Der Zähler startet wieder mit 0.

Die vier Eingänge werden über die Zusammenschaltung von drei NAND-Gattern des Bausteins 74HC08N erreicht.

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