1.3 Berühmte Schaltnetze

In meiner Jugendzeit

Als ich in eurem Alter war und Elektronik gebastelt habe gab es noch keine günstigen Mikrocontroller und programmierbare Logikbausteine. Wir mussten uns mit dem begnügen was es gab und das waren z.B. TTL-Chips von Texas Instruments . Den Computer (Apple 2+, Orginal>2000DM), den ich im Gymnasium damals kennen und lieben lernte hatte ganz viele von diesen Chips auf der Platine (Kann ich euch zeigen 🤠, steht im Labor rum, müsste mal das Netzteil reparieren).

Damals wurden spezifische Logik-Bausteine entwickelt und verkauft, die für die Entwicklung digitaler Schaltungen praktisch waren und die viele brauchen konnten. Auch heute gibt es noch Baugruppen, die nach unserem Entwickler-Denken einfach ein typisches Problem lösen und daher immer noch relevant sind. Auch wenn dafür nicht mehr ein spezifischer Chip eingesetzt wird, kann die Funktion in ein Design integriert werden.

Ich beginne mit einem Chip der für eine Dualzahl 0..9 jeweils genau einen Ausgang auf 1 schaltet, hätte man damals für [🔗 Nixie-Röhren] brauchen können..
Verstaubt so ein Baustein in meiner Werkstatt?

Bei Digital gibt es neben den logischen Grundbausteinen noch weitere Schaltnetze: Multiplexer und Arithmetik. Diese Schaltnetze sind so praktisch, dass sie eigene Schaltzeichen bekommen und man sie sogar als Bauteil z.B. SN7442 gekauft hat.
Die Schaltnetze werden folgend in der Reihenfolge der Komplexität des inneren Aufbaus behandelt.

Übergeordnetes Lernziel:
Nur für genau eine Kombination des Steuereingangs ein Ausgang auf 1 geschaltet. Das ist ein Job für ein UND..

Ein (Adress-) Decoder ist ein Schaltnetz, dass für jede duale Eingangskombination genau einen Ausgang auf 1 schaltet. Beispiel mit 1 Eingang, einem Eingang S, Schaltzeichen aus Digital und Innenschaltung des Decoders.

Bei dem Decoder kann die Anzahl der Auswahlbits eingestellt werden hier ein Beispiel mit 2 Auswahlbits, d.h. es geht ein Leitungsbündel mit zwei Leitungen in den Decoder und dadurch kann er für die 4 möglichen Dualzahlen jeweils genau einen Ausgang Yi auf 1 schalten.
Beachte: S kann jetzt nicht nur 0 und 1 sondern 0,1,2,3 annehmen. Für den Nachbau der Innenschaltung wird ein Splitter 2->1,1 verwendet. Das Bündel aus zwei Leitungen wir auf zwei Einzelleitungen aufgetrennt.

Schaltzeichen aus Digital und der Nachbau der Innenschaltung.

❓ Wozu ist ein Decoder nützlich?

🖥 Mal einen Blick auf das Datenblatt werfen.

🖥 In Digital den Baustein suchen und sich die Innenschaltung anzeigen lassen…

Übergeordnetes Lernziel:
Y = E & (Kombination weiterer Eingänge): Bei genau einer Kombination der Steuereingänge schaltet ein UND ggfs. weiter Eingänge durch: Y = E & 0 = 0; Y = E & 1 = E.

Ein Eingangssignal soll auswählbar auf genau einen Ausgang durchgeschaltet werden.

Wozu nützlich? Z.B. Sicherung bei Zündmaschine Feuerwerk, nacheinander sollen Raketen gezündet werden. Die Ausgänge werden mit der Steuerleitung durchgezählt. Erst wenn das Eingangssignal 1 ist kann am jeweiligen Ausgang auch eine 1 ausgegeben werden..

🖥 Erforsche einen De-Multiplexer mit 2 Bit Steuereingang (2 Bit Auswahlleitung) und entwickle die Innenschaltung.

Aus vielen Eingangssignalen soll eines ausgewählt werden können.
Wozu ist das nützlich? Z.B. Auswahl eines Eingangs bei einem Receiver.
Aufgabe: Erforsche einen Multiplexer mit 2 Bit Steuereingang (2 Bit Auswahlleitung) und erstelle die Innenschaltung.

Wenn Multiplexer und De-Multiplexer zusammen verwendet werden können Leitungen eingespart werden.
Unspektakulärer Anfang mit 1 Bit Steuerleitung.

Sollen z.B. 8 Alarmmelder übertragen werden, bräuchte man 8 Datenleitungen. Mit der Mux-DeMux-Kombination und einem 3 Bit Zähler sind nur 4 Leitungen notwendig um mit zu kriegen wenn ein Schalter Ei geschlossen wurde.

Bei einer 7 Segment-LED Anzeige werden 8 LED für die 7 Segmente und eine für den Dezimalpunkt dp verbaut. Die Kathoden bzw. Anoden der LED sind heraus geführt und mit Buchstaben a..g, dp benannt. Die Anoden bzw. Kathoden werden auf einem gemeinsamen Anschluß herausgeführt. Hier eine Anzeige mit gemeinsamer Kathode (Leitung nicht sichtbar), die LED leuchten bei log. 1.
Es gibt Bausteine, die zur Ansteuerung von 7-Segmentanzeigen entwickelt wurden [Datenblatt SN7448].
🖥 Mit Digital kann der Baustein als Simulation verwendet werden:

Meine Story für die SuS spielt in einer Zeit der ersten Mondlandungen, die NASA setzt oft mehrere Teams an das selbe Problem um möglichst schnelle eine gute Lösung zu finden, es wird noch mit Papier gearbeitet. In meinen Anfangsjahren als Lehrer sollten die SuS im Laborunterricht mit Tabellen und KV-Diagramm einen Schaltplan und mit dem Digitalkoffer eine Schaltung zusammen stecken und testen:
In einem Raumschiff ist die 7-Segmentanzeige für die Geschwindigkeit ausgefallen und als Ursache wurde ein defekter Decoderchip ausgemacht. Als Ersatzteile sind die üblichen Grundbausteine (AND,OR,NOT) an Bord.

✍️ Einwickeln Sie in einem 2-3er Team eine Ersatzschaltung (Tabelle,KV,Schaltplan).
🖥 Nennen Sie die Schaltung My-BCD-7Seg.dig und testen Sie sie mit der Testschaltung. Nur die Ziffern 0..9 müssen passen, die HEX-Anzeige ist informell.

Notfall-Wahrheitstabelle:

Ein Komparator ist eine Vergleicherschaltung, die den Dualwert zweier Eingänge vergleicht.

Erstellen Sie eine Funktionstabelle und entwickeln Sie die Innenschaltung des 1Bit Komparators.
Testen Sie einen 2 Bit Komparator.

Ein Schaltnetz um zwei Dualzahlen addieren zu können. Beginnen wir mit 1 Bit und erstellen eine Wahrheitstabelle. Die Eingänge sind a und b die Summe ist Ausgang s, aber es kann einen Übertrag, engl. Carry geben dafür gibt es einen Ausgang co für Carry Out. Diese Schaltung nennt man einen Halbaddierer. Laden Sie die Wahrheitstabelle und testen Sie die Schaltung.

Um mehr Bits addieren zu können muss der Übertrag der vorigen Stelle berücksichtigt werden können, daher brauchen wir noch einen Carry In ci-Eingang, einen Volladdierer.
Erstellen Sie die Funktionstabelle und daraus die Schaltung.

Testen Sie beide Schaltungen mit der 2 Bit Addierer Vorgabe:

Erweitern Sie den Addierer auf 3 Bit.

Lösung