Digitaltechnik - 7

In diesem Kapitel geht es um Übungen mit dem Zähler- und Teilerbaustein 74LS90.

Der 74LS90N ist ein mod-10 Zähler, der einen BCD Ausgangscode erzeugt. Er ist mit vier JK-Master-Slave Flipflops ausgerüstet; eines davon, ein sog. Toggle-Flipflop, wird über den Eingang CLKA (P14) angesteuert, die restlichen drei asynchron über Eingang CLKB (P1). Die Zählsequenz wird auf die fallende Flanke (von HIGH nach LOW) ausgelöst.

Mit R0(1) an P2 und R0(2) an P3 verfügt der Zähler über zwei Reset-Eingänge. R9(1) an P6 und R9(2) an P7 sind Setz-Eingänge. Werden die Reset-Eingänge auf HIGH gezogen, setzen sie den Zähler zurück auf Null. Werden die Set-Eingänge auf HIGH gezogen, wird der Zähler auf 0b1001 gesetzt.

7.0 - Didaktisch methodische Einordnung

In diesen Übungen lernst du ...

... eine Schaltung nach Vorgabe zu entwickeln und auf einer Streifenrasterplatine in die Realität umzusetzen.
... schaltungsrelevante Daten den IC-Datenblättern zu entnehmen.
... mit dem Lötkolben umzugehen und saubere Lötstellen zu setzen.
... Schaltungen nach Schaltungsvorgabe auf einem Steckbrett aufzubauen.
... den Aufbau und die Wirkungsweise von Teiler- und Zählersschaltungen zu erklären.
... Versuchsergebnisse zu bewerten und Fehlerquellen zu benennen.

7.1 - Pinbelegung des IC 74LS90N

Abb. 1

Eingänge CKA, CKB: Takteingänge

Steuereingänge: R0(1), R0(2), R9(1), R9(2)

Ausgänge: Q_A, Q_B, Q_C, Q_D

Zum Ansteuern des Zählers müssen die Reset-Eingänge gesetzt werden, nach Angaben des Herstellers im Datenblatt.

Setzen der Reset-Eingänge

RESET-Eingänge				Ausgänge
R0(1)-P2	R0(2)-P3	R9(1)-P6	R9(2)-P7	Q_D P11	Q_C P8	Q_B P9	Q_A P12
H	H	L	X	L	L	L	L
H	H	X	L	L	L	L	L
X	X	H	H	H	L	L	H
X	L	X	L	Zähler
L	X	L	X	Zähler
L	X	X	L	Zähler
X	L	L	X	Zähler

Tabelle 1 – Reset Tabelle. In der zweiten Zeile sind zusätzlich zu den Pinbezeichnern zur besseren Orientierung die Pinzahlen angegeben.

Die vier Einstellungsmöglichkeiten der RESET-Eingänge für den Zählerbetrieb sind gleichwertig.

7.2 - Übung 1 - BCD-Zähler

Übung 1 - BCD-Zählerschaltung mit einem 74LS90N

Material

1x Steckbrett
1x Spannungsversorgung, 5V
1x IC 74LS90N
4x LED mit Vorwiderstand 1k
1x Rechteckgenerator
1x USB-Oszilloskop
diverse Steckdrähte
1x Datenblatt IC 74LS90N

Aufgaben

Mache dich im Datenblatt mit den Grenzdaten des IC 74LS90N vertraut und finde heraus, welcher Spannungsversorgungsbereich vom Hersteller angegeben ist und wie das IC für die Aufgabenstellung beschaltet werden muss (Pinbelegung)?
Baue dann auf dem Steckbrett eine BCD-Zählerschaltung auf. Überprüfe mit Hilfe der LEDs die fehlerfreie Funktion.
Nimm ein Zeitdiagramm auf und interpretiere es Takt für Takt.

Schaltungsaufbau

Abb. 2

BCD-Zähler mit einem 74LS90N Baustein. Der Aufbau befindet sich auf einem ELV EXSB1 mit integriertem Rechteckgenerator und LED-Ansteuerungsleiste. Die oberen vier LEDs werden angesprochen. Die LED ganz rechts in der oberen Zeile wird im Oszillogramm mit ihrem Binärgewicht „1er“, die links daneben mit „2er“ usw. angesprochen.

Oszillogramm

Abb. 3

Impulsdiagramm zu Übung 1: BCD-Zähler. Zur Beschriftung auf der Hochachse, siehe Abb. 2.

7.3 - Übungen 2 und 3 - DIV2-, DIV10- und DIV5-Teiler

Übung 2 und 3 - DIV2-, DIV10- und DIV5-Teiler mit einem 74LS90N
Material	wie in Übung 1
Aufgaben	Mache dich im Datenblatt mit den Grenzdaten des IC 74LS90N vertraut und finde heraus, welcher Spannungsversorgungsbereich vom Hersteller angegeben ist und wie das IC für die Aufgabenstellung beschaltet werden muss (Pinbelegung)? Baue dann auf dem Steckbrett eine DIV2-Teilerschaltung auf. Überprüfe mit Hilfe der LEDs die fehlerfreie Funktion. Nimm ein Zeitdiagramm auf und interpretiere es Takt für Takt. Wie muss die Schaltung abgeändert werden, um eine DIV10-Teilerschaltung zu erhalten? Wie muss die Schaltung abgeändert werden, um eine DIV5-Teilerschaltung zu erhalten?

Schaltskizze

Abb. 3

DIV2 und DIV10 Teilerschaltung. Für den Teiler 2 wird Ausgang Q_A, für den Teiler 10 Ausgang Q_D benutzt.

Oszillogramme

Abb. 4

Oszillogramm eines DIV2-Teilers. (Aufgenommen mit einem PicoScope 2000)

Abb. 5

Oszillogramm eines DIV10-Teilers. (Aufgenommen mit einem PicoScope 2000)

Schaltskizze

Abb. 6

DIV5 Teilerschaltung. Das Rechtecksignal wird an Pin CKB eingespeist; Ausgang ist Q_D.

Oszillogramm

Abb. 7

Oszillogramm eines DIV5-Teilers. Abgenommen wird das Signal an Pin 11. (Aufgenommen mit einem PicoScope 2000)

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Übung 4 - Entwurf und Aufbau einer zweistelligen BCD-7-Segment-Anzeige

Weitere Informationen zur 7-Segment-LED-Anzeige findest du unter:

Für die folgenden Übungen wird eine zweistellige BCD-7-Segment-Anzeige benötigt. In dieser Übung wird die Schaltung entworfen und aufgebaut. Dazu wird ein Lötarbeitsplatz benötigt.

Übung 4 - Entwurf und Aufbau einer zweistelligen BCD-7-Segment-Anzeige
Material	1x Streifenrasterplatine 10 cm x 6,5 cm 14x Widerstand, 220 Ohm 2x 7-Segment-Anzeige, z.B. Kingbright SA52-11HWA 2x IC 74LS47 1kl. Rolle Cu-Draht, ummantelt 1x Datenblatt IC 74LS47 1x Datenblatt 7-Segment-Anzeige
Aufgaben	Mache dich im Datenblatt mit den Grenzdaten des IC 74LS90N vertraut und finde heraus, welcher Spannungsversorgungsbereich vom Hersteller angegeben ist und wie das IC für die Aufgabenstellung beschaltet werden muss? Schreibe dir die Pinbelegungen sowohl vom IC 74LS47 als auch vom 7-Segment-LED-Baustein heraus. Baue dann auf dem Steckbrett eine Zählerschaltung auf, die von 0 bis 99 zählt. Überprüfe mit Hilfe der BCD-7-Segment-Anzeige das fehlerfreie Verhalten deiner Schaltung. Nimm ein Zeitdiagramm auf und interpretiere es Takt für Takt.

Schaltungsaufbau

Die folgende Abbildung zeigt eine mögliche Realisierung der Schaltung auf einer Streifenrasterplatine. Die erste Schaltung befindet sich rechts, die zweite baugleiche Schaltung links auf der Platine (siehe Abb. 8).

Abb. 8 – Schaltungsaufbau (Aufsicht Bauteilseite) einer BCD 7-Segment-Anzeige (Darstellung mit Hilfe des Programms Lochmaster 4.0) auf einer Streifenrasterplatine. Mit D1 und D2 sind die beiden 7-Segment-LED-Anzeigen gemeint. Die gewichteten Eingänge sind mit 1er (1A bzw. 2A), 2er (1B bzw. 2B), 4er (3A bzw. 3B) und 8er (4A bzw. 4B) markiert.

F

Abb. 8a - Rückseite (Lötseite mit Leiterbahnen) der Streifenrasterplatine mit den Leiterbahn-Unterbrechungen (hellgelb). Die Unterbrechungen lassen sich am schnellsten mit einem Kleinbohrer (Dremel, Proxxon o.ä.) und einem Feinfräser herstellen.

Die Schaltung wird mit dem BCD-Zähler aus Übung 1 auf korrekte Anzeige überprüft. Dies muss für jede der beiden LED-Anzeigen einzeln durchgeführt werden.

Übung 5 - Zähler 0 bis 99

Übung 5 - Zähler 0 bis 99
Material	wie in Übung 1; die Bauteile und Steckdrähte müssen in ihrer Anzahl verdoppelt werden. BCD-7-Segment-Anzeige aus Übung 4
Aufgaben	Mache dich im Datenblatt mit den Grenzdaten des IC 74LS90N vertraut und finde heraus, welcher Spannungsversorgungsbereich vom Hersteller angegeben ist und wie das IC für die Aufgabenstellung beschaltet werden muss? Baue dann auf dem Steckbrett eine Zählerschaltung auf, die von 0 bis 99 zählt. Überprüfe mit Hilfe der BCD-7-Segment-Anzeige aus Übung 4 das fehlerfreie Verhalten deiner Schaltung. Nimm ein Zeitdiagramm auf und interpretiere es Takt für Takt.

Schaltskizze

Abb. 9a - Schaltungsaufbau mit zwei 74LS90N Bausteinen. Alle Reset-Eingänge müssen geerdet werden. Ausgang Q_D des rechten ICs ist mit dem Takteingang CKA des linken ICs verbunden.

Schaltungsaufbau

Abb. 9b

Aufbau eines Zählers von 0 bis 99 aus zwei IC 74LS90. Die gewichteten Binärausgänge werden mit der BCD-7-Segment-Anzeige aus Übung 4 verbunden.

Oszillogramm

Abb. 10

Impulsdiagramm des Zähler 0 bis 99. Die gewichteten Binärausgänge sind mit 1A-1D für den Einerzähler und 2A-2D für den Zehner-Zähler ausgewiesen.

Übung 6 – Ein einfacher Frequenzzähler

Die 2-stufige Zählerdekade aus Übung 5 ist ein typischer Ereigniszähler, der sich sehr leicht auf eine n-stufige Zählerdekade erweitern lässt. Rüstet man sie zusätzlich mit einer Steuerlogik aus, lässt sich daraus ein einfacher Frequenzzähler bauen.

In der folgenden Übung wird das Prinzip eines einfachen Frequenzzählers praktisch vermittelt.

Das Prinzip eines Frequenzzählers

Mit Hilfe eines Frequenznormals (zum Beispiel mit einem hochwertigen Quarz) wird eine frequenzkonstante Rechteckschwingung von f₀ = 0,5 Hz erzeugt. Die Periodendauer einer solchen Schwingung beträgt dann 2 Sekunden: 1 s HIGH und 1 s LOW.

Legt man diese Schwingung an den einen Eingang eines AND-Gatters (Torschaltung) und an den anderen die zu untersuchende Frequenz f_X, dann schaltet das Gatter für 1 Sekunde durch (wenn f₀ HIGH ist) und 1 Sekunde sperrt es.

Zählt man die durchgelassenen Schwingungen n während dieser einen Sekunde, hat man ein direktes Maß für die gesuchte Frequenz f_X: die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Im Blockschaltbild könnte das so aussehen:

Abb. 11 - Prinzipieller Aufbau eines einfachen Frequenzzählers

Übung 6 - Einfacher Frequenzzähler
Material	1x Zähleinheit 0 … 99 aus Übung 5 1x IC 7408 (AND-Gatter) 1x USB-Oszilloskop 2x Funktionsgenerator (benutzt man das Experimentierboard EXSB1, wird nur ein Funktionsgenerator benötigt)
Aufgaben	Baue die Schaltung nach Schaltskizze auf. Lies die gemessenen Frequenzwerte an der Zähleinheit ab und notiere sie. Nimm ein Impulsdiagramm mit den USB-Oszilloskop auf und vergleiche die Messwerte mit dem Impulsdiagramm. Interpretiere ggf. die Abweichungen von Anzeige- und Messwerten. Wie lässt sich der Messfehler verkleinern?

Schaltskizze

Abb. 11a - 0...99 Zähler mit Torschaltung

Oszillogramme

Abb. 12

Der Rechteckgenerator liefert eine Frequenz f₀ von 0,5 Hz. Das Tor ist 1 s "offen" und zählt zwischen 14 und 15 Impulsen pro Sekunde: f_X,gemittelt = 14,5 Hz.

Abb. 13

Die unbekannte Frequenz f₁ wird mit dem Oszilloskop zu 13,88 Hz bestimmt.

Bemerkungen zur Schaltung

Die Schaltung aus Abb. 11a hat eine experimentelle Einschränkung; dadurch, dass jede zweite Sekunde eine Messung erfolgt, kann man die gemessene Frequenz gar nicht schnell genug notieren, um anschließend einen Mittelwert zu bilden.

Besser wäre, wenn man selbst bestimmt, wann eine Messung (Zählung) erfolgen soll. Dazu kann man einen Taster in die Schaltung einbauen, der im offenen Zustand den Zählvorgang sperrt und bei gedrückter Taste zu zählen beginnt.

Da es sich hier um das Sichtbarmachen des Prinzips eines Frequenzzählers handelt, ist ein Taster akzeptabel. Der Nachteil: er erzeugt Tastenprellen und das kann eine Einzelmessung ganz erheblich verändern.

Die Schaltung aus Abb. 11a muss nur mit zwei Bauteilen, einem Taster und einem Widerstand von 10 kOhm ergänzt werden (siehe Abb. 14).

Abb. 14 - Der Frequenzzähler ist mit einem Taster und Pull-up Widerstand von 10 kOhm ergänzt worden. In dieser Schaltungsversion beginnt der Zählvorgang erst, wenn der Taster gedrückt wird.

Ersetzt man den Taster mit Widerstand durch einen prellfreien Schalter, erzielt man bessere Ergebnisse.

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