2.4 Schaltwerke bauen
Systematisch Schaltwerke zu entwickeln ist nicht schwer. Im TGI wird dafür auf das Modell des Synchronen Moore-Automaten zurück gegriffen, siehe Vergleich verschiedener Automatentypen.
Mehrere D-FlipFlops werden zu einem Register zusammen gefasst. Die CLK-Eingänge der FF sind mit dem Takt verbunden und können dadurch ihre Zustände nur synchron zum Takt ändern. Zu jedem Zustand kann durch ein Ausgangsschaltnetz ein Ausgabemuster zugeordnet werden.
Zustandsdiagramm
Im Zustandsdiagramm für Digitaltechnik werden die Zustände durch Kreise dargestellt, hier drei Beispiele für unterschiedliche Darstellungen. In Digital wird bereits die Kodierung des Zustandes angezeigt. Die Alte Darstellung meint die alte TGI-Formelsammlung, die neue Darstellung die neue Formelsammlung. Allen gemein sind Zustandsname und die Angabe welche Werte im jeweiligen Zustand am Ausgang ausgegeben werden sollen.
Zustandsübergänge (Transitionen)
Die erste Transition ist der Sprung auf den Startzustand, die weiteren Zustandsübergänge erfolgen mit dem Takt, im ersten Beispiel ohne Bedingung.
Aus dem Zustandsdiagramm wird die Zustandsübergangstabelle erstellt, darin kann auch die Funktionstabelle für das Ausgangsschaltnetz enthalten sein. Daraus entsteht die Schaltung. Typische schriftliche (auf Papier) Prüfungsaufgabe:
- Erstelle aus Aufgabenstellung Zustandsdiagramm.
- Ermittle die Anzahl der notwendigen FlipFlops.
- Erstelle kodierte Zustandsübergangstabelle: Zu jedem Zustand muss die Kodierung der FlipFlop-Werte bekannt sein (Ist in Digital der oberste Wert im Kreis).
- Erstelle Funktionstabelle für das Ausgangsschaltnetz.
- Erstelle aus der Tabelle die Funktionsgleichung für b in DNF.
Aufgabe: Würfel von 1 bis 6
Ein digitaler Würfel von 1 bis 6 soll mit einer Siebensegmentanzeige entwickelt werden. Dazu soll ein Schaltwerk die Werte 1 bis 6 ausgeben, die Siebensegmentanzeige hat bereits einen Dekoder eingebaut. Gegeben ist das Diagramm rechts.
Hinweis: In Digital werden die Werte von nicht angegebenen Ausgangs-Variablen mit 0 vermutet. Bei Leitungsbündeln wie Q=(Q2,Q1,Q0)=0b110 ist Q=110 ist möglich.
Erstellen Sie die Zustandsübergangstabelle usw.
Digital-Lösungen:
Schaltwerk mit Eingang
Eine Anzeige mit 3 Lampen soll mit einem Schalter X eine umschaltbare Ausgabe erzeugen.
Beim Zustandsdiagramm müssen bei den Transitionen die Schalterstellung von X berücksichtigt werden.
Beim VSN kommt eine Eingabe X hinzu.
Das ASN ermittelt beim Moore-Automat nur aus den Registerzuständen die Ausgabe. Eingaben wie X spielen dabei keine Rolle!
Aufgabe: CTR DIV4 mit umschaltbarer Zählrichtung
Entwickeln Sie einen Zähler 0..3 bei dem mit einem Eingang X die Zählrichtung bestimmt werden kann: X=0 vorwärts, X=1 rückwärts: Blockschaltbild, Zustandsdiagramm, Zustandsübergangstabelle, (mit Digital Schaltplan)
Zustandsdiagramm Lösung
Aufgabe: CTR DIV4 mit synchronem und asynchronem Reset
Für eine Verständnisaufgabe bzgl. Synchronen und Asynchronen Reset eines Zählers wurde eine Testschaltung erdacht. Ein Umschalter kann ein Resetsignal A beim Wert ? wahlweise an einen synchronen Eingang Clr oder an einen asynchronen Eingang R zwecks Rückstellen des Zählers auf 0 umschalten. Vermuten Sie bei der jeweiligen Schalterstellung ein Timing mit Gatterdurchlaufzeiten und überprüfen Sie ihre Vermutung mit Digital.
- Erklären Sie den Unterschied zwischen synchronem und asynchronem Reset.
- An den Eingängen Clr und R wurden Bauteile angeschlossen, wie nennt man diese Bauteile und welche Aufgabe haben sie hier?
- Bei welchen Zuständen Q=(Q1,Q0) als Dualzahl ist das Signal A = 1?
- Erstellen Sie ein Timingdiagramm mit Berücksichtigung von Gatterdurchlaufzeiten für die Schalterstellung R.
- Erstellen Sie ein Timingdiagramm mit Berücksichtigung von Gatterdurchlaufzeiten für die Schalterstellung Clr.
Überprüfen Sie ihre Timingdiagramme mit Digital.
Hinweis zu Timingdiagrammen mit Gatterduchlaufzeiten bei Digital: Es werden bei zusammengesetzten Baugruppen wie dem CTR DIV4 mehr Zeiteinheiten angezeigt als bei der Annahme einer Zeiteinheit Verzögerung durch diese Baugruppe.
Unteraufgabe: Zähler entwickeln
Entwickeln Sie ein CTR DIV4 mit synchronem und asynchronem Reset:
- Zustandsdiagramm mit Clr-Transitionen nach 0.
- Zustandsübergangstabelle
- Schaltung erzeugen
- Die einfachen D-FF durch Version mit asynchronem Set und Clr ersetzten, die Clr-Eingänge als Reset-Eingang zusammenschließen
Aufgabe: Code-Schloss
Eine Tür wird durch ein Codeschloss durch Drücken der Taster a,b,x geöffnet. Die Taster müssen nacheinander gedrückt und wieder losgelassen werden. Der Türschnappermagnet bleibt solange Taster x gedrückt ist geöffnet. Beim Drücken einer falschen Taste wird in einen Fehler-Zustand verzweigt, der durch Drücken der Taste x wieder verlassen werden kann.
Erstellen Sie eine codierte Zustandsübergangstabelle und eine Funktionstabelle für das Ausgangsschaltnetz.
Mein Zustandsdiagramm
Aufgabe: Schrittmotor ansteuern
Die Ansteuerung für einen bipolaren Schrittmotor soll entwickelt werden.
https://de.wikipedia.org/wiki/Schrittmotor
https://rn-wissen.de/wiki/index.php/Schrittmotoren
Gegeben ist ist die rechte Schaltung.
Das Schaltwerk für die Ansteuerung muss noch entwickelt werden.
- Erstellen Sie ein Zustandsdiagramm, daraus eine Zustandsübergangstabelle mit Ausgangsschaltnetz und einen Schaltplan für die Ansteuerung im Vollschrittbetrieb.
- Erstellen Sie das Schaltwerk für den Halbschrittbetrieb
| Zustand Vollschritt | Ausgabe | Zustand Halbschritt | Ausgabe |
|---|---|---|---|
| S0 | P = 1010 | S0 | P = 1010 |
| S1 | P = 1001 | S1 | P = 1000 |
| S2 | P = 0101 | S2 | P = 1001 |
| S3 | P = 0110 | S3 | P = 0001 |
| S4 | P = 0101 | ||
| S5 | P = 0100 | ||
| S6 | P = 0110 | ||
| S7 | P = 0010 |