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Praktische Digitaltechnik  (1A)

Digitale Mess und Prüfgeräte selbstgebaut

Grundlagen der Digitaltechnik im Selbststudium
Digitale-Schaltungen
Sammlung von Schaltbeispielen
fürElektronik-Amateure
Lehrbuch für Schüler / Studenten  für VHS-Fortbildungs-Kurse  geeignet.

Bernhard Lichtenberger
HÜTHIG-Verlag
1992-Jänner  1987-September
UNI-Linz









********************************************************I*
Inhaltsverzeichnis   Praktische Digitaltechnik   Bernhard Lichtenberger

Vorwort      VII

1    Logik für Jeden 1
1.1.0 Logische Funktionen 1
1.1.1 Die Grundfunktionen 1
1.1.2 Funktionstabellen 3
1.1.3 Zusammengesetzte Funktionen 5
1.1.4 Übungen 9
1.2.0 Rechnen mit logischen Funktionen 9
1.2.1 Allgemeine Rechenregeln 9
1.2. 2 Umwandlungsregeln 11
1.2.3 Kürzungsregeln 12
1.2.4 Zusammenstellung aller Rechenregeln 14
1.2.5 Übungen 18
1.3.0 Ermitteln logischer Funktionen 19
1.3.1 Die ODER-Normalform 19
1.3.2 Die UND-Normalform 23
1.3.3 Grafisches Vereinfachen 25
1.3.4 Übungen 31
1.4.0 Vereinfachtes „Lesen" einer logischen Schaltung 32
1.4.1 Aufstellen der Funktionsgleichung 32
1.4.2 Übungen 35

2    Elektronische Verwirklichung logischer Funktionen      37
2.1.0 Logikpegel 38
2.2.0 Schaltzeiten 39
2.3.0 Impulsverzögerungszeiten 39
2.4.0 TTL-Logikfamilien 40
2.4.1 Elektrische Daten 42
2.4.2 Impulsverzögerungszeiten 47
2.4.3 Übungen 47
2.4.4 Sonderbauformen 47
2.4.4.1 Bausteine mit „offenem" Kollektor 47
2.4.4.2 Bausteine mit „3-Zustands"-Ausgängen 53
2.4.4.3 Bausteine mit „Schmitt-Trigger"-Eingängen (74LS13 74LS14 74LS132 4093) 54
2.4.5 Übungen 57
2.5.0 Die CMOS-Logikfamilie 58
2.5.1 Elektrische Daten 59
2.5.2 Impulsverzögerungszeiten 61
2.5.3 Die sehr schnelle CMOS-Logikfamilie 74HCXXX 62
2.5.4 Übungen 62
2.6.0 Störungen und Entstörmaßnahmen 62
2.6.1 Netzbrummspannung 63
2.6.2 Elektrische Störfelder 63
2.6.3 Entkopplung 63
2.6.4 Störungen auf Grund der Signalströme 64
2.6.5 Übersprechen 65
2.6.6 Kabelreflexionen 66
2.6.7 Übungen 68
2.7.0 Hinweise zur Verwendung von integrierten Bausteinen 68
2.7.1 Unbenutzte Eingänge 68
2.7.2 Offene Eingänge 68
2.7.3 Nicht benutzte Gatter 69
2.7.4 Anschlußbelegungen einiger ausgewählter IC 69

3    Kippschaltungen     71
3.1.0 Monostabile Kippschaltungen 73
3.1.1 Grundbegriffe 73
3.1.1 Signal-Zeit-Plan monostabiler Kippschaltungen 73
3.1.1 Schaltzeichen und Funktionstabelle monostabiler Kippglieder 74
3.1.2 Monostabile Kippglieder aus TTL- oder CMOS-Schmitt-Triggern 75
3.1.3 Monostabile Kippglieder der TTL- und CMOS-Familie 77
3.1.3 Allgemeines 77
3.1.3 TTL-Monoflops 79
3.1.3 CMOS-Monoflop (74LS121 74LS122 74LS123 4528 LM555) 81
3.1.4 Monostabiles Kippglied, aufgebaut mit dem Zeitgeberbaustein LM 555 82
3.1.5 Zusammenfassung mit Beispielen 82
3.1.6 Übungen 86
3.2.0 Astabile Kippschaltungen 86
3.2.1 Grundbegriffe 86
3.2.2 Rechteckoszillatoren aus TTL- oder CMOS-Schmitt-Triggern (4093 LM555) 88
3.2.2.1 Freilaufende Rechteckoszillatoren 88
3.2.2.2 Start-Stop-Oszillator 91
3.2.3 Start-Stop-Rechteckoszillatoren aus monostabilen Kippgliedern 92
3.2.4 Spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCO  74LS124) 94
3.2.5 Quarzgeneratoren mit IC (7404) 95
3.2.6 Übungen 97
3.3.0 Bistabile Kippschaltungen (Flipflops) 98
3.3.1 Grundbegriffe 98
3.3.2 RS-Flipflops 98
3.3.3 D-Flipflops 101
3.3.4 JK-Flipflops 102
3.3.4.1 Einflankengetriggerte JK-Flipflops 103
3.3.4.2 Impulsgetriggerte JK-Flipflops 104
3.3.5 Zusammenfassung mit Beispielen (74121) 105
3.3.6 Übungen 110

4    Register      113
4.1.0 Register als Zwischenspeicher 113
4.1.1 RS-Register (74118 74279) 113
4.1.2 D-Register (74173 74174) 114
4.2.0 Schieberegister 115
4.2.1 Schieberegister mit D-Flipflops 115
4.2.2 Schieberegister mit JK-Flipflops 117
4.2.3 Schieberegister mit parallelen Eingängen 117
4.2.4 Links-Rechts-Schieberegister (74194) 119
4.2.5 Ringregister 120
4.3.0 Zusammenfassung mit Beispielen 121
4.4.0 Übungen 125

5    Codes und Codewandler      127
5.1.0 Zahlensysteme 127
5.2.0 Rechnen im Dualsystem 129
5.2.1 Addition 129
5.2.2 Subtraktion 129
5.2.3 Multiplikation 130
5.2.4 Division 130
5.3.0 Codes 131
5.3.1 Sieben-Segment-Anzeige Code 131
5.3.2 Gray-Code 132
5.3.3 BCD-Codes 132
5.3.4 Mehrbitcodes (74180) 134
5.4.0 Codeumsetzer 136
5.4.1 BCD-in Dual-Code (74184) 136
5.4.2 Dual-in BCD-Code (74185) 138
5.5.0 Decoder 138
5.5.1 BCD-zu Sieben-Segment-Anzeige-Decoder (7446) 138
5.5.2 BCD-zu Dezimal-Decoder (7445) 139
5.6.0 Encoder 140
5.6.1 Dezimal-zu BCD-Encoder (74147) 140
5.7.0 Zusammenfassung mit Beispielen 141
5.8.0 Übungen 143

6    Zähler      145
6.1.0 Asynchronzähler 145
6.1.1 Asynchronzähler mit D-Flipflops 145
6.1.2 Asynchronzähler mit JK-Flipflops (74293 7493 4040  147
6.1.3 Dezimalzähler 149
6.1.4 Rückwärtszähler 150
6.1.5 Vorwärts-Rückwärtszähler 151
6.1.6 Zähler mit parallelen Eingängen 152
6.2.0 Synchronzähler 152
6.2.1 Entwurf von Synchronzählern (74160 74162 74161 74163) 153
6.2.2 Johnsonzähler 155
6.2.3 Synchroner Vorwärts-Rückwärtszähler (74192) 157
6.3.0 Frequenzteiler 158
6.3.1 2 : 1 Frequenzteiler (74LS56) 158
6.3.2 n : 1 Frequenzteiler 158
6.3.3 Programmierbare Frequenzteiler (74LS292 74LS294) 159
6.4.0 Zusammenfassung mit Beispielen (7490 7448 74100 74LS143) 159
6.5.0 Übungen 161

7    Multiplexer und Demultiplexer      163
7.1.0 Multiplexer (74LS352 74150 74151) 163
7.2.0 Demultiplexer (74LS138 74LS139) 164
7.3.0 Zusammenfassung mit Beispielen 165
7.4.0 Übungen 168

8    Rechenschaltungen     169
8.1.0 Addierer 169
8.1.1 Halbaddierer 169
8.1.2 Volladdierer 170
8.2.0 Subtrahierer 171
8.2.1 Subtraktion durch Komplementbildung 172
8.3.0 Komparatoren 172
8.3.1 Gleichheitskomparator 172
8.3.2 Universal komparator 173
8.4.0 Arithmetisch-logische-Recheneinheit (ALU 74181 74182) 174
8.5.0 Zusammenfassung mit Beispielen 175
8.6.0 Übungen 177

9    Speicher     179
9.1.0 Grundbegriffe 179
9.1.1 Adressierung von Speicherplätzen 179
9.1.2 Speicherorganisation 180
9.2.0 Serielle Speicher (74LS224) 181
9.3.0 Schreib-Lese-Speicher (RAM) 181
9.3.1 Statische RAM 182
9.3.2 Dynamische RAM 184
9.4.0 Nur-Lese-Speicher (ROM) 184
9.4.1 Maskenprogrammierte ROM 185
9.4.2 Programmierbare ROM (PROM) 185
9.4.3 Löschbare PROM 185
9.4.4 Programmierbare Logikschaltungen (PAL) 186
9.4.5 Feldprogrammierbare Logikschaltungen (FPLA) 192
9.5.0 Magnetblasenspeicher 193
9.6.0 Magnetbandspeicher 193
9.7.0 Diskettenspeicher 195
9.8.0 Festplattenspeicher 196
9.9.0 Beispiele Programmiergerät EPROM 2716 (TL497 74HC4040 74HCT245)  197
9.A.0 Übungen 202

10    Microcomputer     203
10.1.0 Zentraleinheit (8085A) 203
10.2.0 Speicher 205
10.3.0 Ein-Ausgabeeinheiten PIO (8255) 206
10.4.0 Zusammenwirken der einzelnen Microcomputerbaugruppen 206
10.5.0 Microcontroller (Ein-Chip-Microcomputer) 8051AH 208
10.6.0 Übungen 211

11    Datenübertragung      213
11.1.0 Serielle Schnittstelle TxD RxD Steckerbelegung 213
11.2.0 Parallele Schnittstelle Steckerbelegung 215
11.3.0 Universeller Schnittstellenbaustein (USART 8251A) 216
11.4.0 Übungen 217

12    PLL-Schaltkreise      219
12.1.0 Das PLL-Prinzip 219
12.2.0 DPLL-Schaltungen (74LS297) 221
12.3.0 Zusammenfassung mit Beispielen 223
12.4.0 Übungen 225

13    Signalgeber      227
13.1.0 Relais 227
13.1.1 Mechanische Relais 227
13.1.2 Reedrelais 228
13.1.3 Elektronische Relais  228
13.1.4 Funkenlöschung 229
13.1.5 Entprellen von Schaltkontakten  (7405) 230
13.2.0 Schalter und Taster 232
13.2.1 Codierschalter 233
13.2.2 DIP-Schalter 233
13.2.3 Analogschalter 233
13.3.0 Elektronische Leistungsstufen 234
13.3.1 Transistoren 234
13.3.2 Leistungs-MOSFET (RFP15N06L) 236
13.3.3 Triacs (TIC206D TIC263D236
13.4.0 Optokoppler (TIL111 MOC3030) 237
13.5.0 Sensoren 239
13.5.1 Temperatursensoren PTC NTC239
13.5.2 Drucksensoren (Piezo und 350 Ohm DMS) 240
13.5.3 Feuchtesensoren (VALVO oder RUF) 241
13.5.4 Sensoren zur Entfernungsmessung 242
13.5.5 Optische Sensoren 245
13.5.6 Lichtschranken 246
13.6.0 Zusammenfassung mit Beispielen (Temperaturmelder PTC Schwellwertschalter 4093 BC107B BAX13) 247
13.6.0 Zusammenfassung mit Beispielen (Dämmerungsschalter BPX38IV 74132 LM555 BC107B) 249
13.6.0 Zusammenfassung mit Beispielen (Wechsellichtschranke LS600 7400 7414 7408 7437 74393 74123  TIL23 ICM7209) 250
13.7.0 Übungen 252

14    Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler     255
14.1.0 D/A-Wandler 256
14.1.1 D/A-Wandler mit binärwertigen Widerständen 256
14.1.2 D/A-Wandler mit R/2R-Widerstandsnetzwerk 256
14.2.0 A/D-Wandler 257
14.2.1 „Flash"-A/D-Wandler 257
14.2.2 A/D-Wandler nach dem Single-Slope-Verfahren 258
14.2.3 A/D-Wandler nach dem Dual-Slope-Verfahren 259
14.2.4 A/D-Wandler mit Zähler und D/A-Wandler 260
14.2.5 A/D-Wandler mit Vorwärts-Rückwärts-Zähler und D/A-Wandler 261
14.2.6 A/D-Wandler mit schrittweiser Näherung 262
14.3.0 Beispiele (Digitalvoltmeter ICL7117CPL) 262
14.3.0 Beispiele (Digital einstellbarer Verstärker AD7523JN) 264
14.3.0 Beispiele (Programmierbarer Funktionsgenerator AD7533JN ICL741PA) 264
14.4.0 Übungen 265

15    Anzeigen (Displays)      267
15.1.0 Sieben-Segment-Anzeigen 267
15.1.1 LED-Sieben-Segment-Anzeigen 267
15.1.2 Multiplexbetrieb von Anzeigen 268
15.1.3 LCD-Sieben-Segment-Anzeigen 269
15.1.4 Anzeige-Zeilen  (LM3914) 270
15.2.0 Alphanumerische Flüssigkristallanzeigen 271
15.3.0 Zusammenfassung mit Beispielen (ICM7217A ICM7207A LM3914) 273
15.4.0 Übungen 276

16    Lösungen zu den Übungen     277

17    Literaturverzeichnis      295
Fachbücher:
Digitaltechnik Peter Pernards, Hüthig-Verlag, ISBN: 3-7785-2155-1, € 22,-, 230 Seiten, 1992
Digitaltechnik - Aufgabensammlung Adolf Auer, Hüthig-Verlag, ISBN: 3-7785-2109-8, € 22,-, 263 Seiten, 1992
Statistik, Dieter Franz,  Hüthig-Verlag, ISBN: 3-7785-1802-X, € 29,-, 206 Seiten, 1991
Meßelektronik, Bd1 Grundlagen ..., H. Germer / N. Wefers,  Hüthig-Verlag, ISBN: 3-7785-1702-3, € 32,-, 241 Seiten, 1988
Meßelektronik, Bd2 Digitale Signalverarbeitung ..., H. Germer / N. Wefers,  Hüthig-Verlag, ISBN: 3-7785-1909-3, € 34,-, 278 Seiten, 1990
Applikationsbuch Band 2. Freising: Texas Instruments Deutschland 1978.
Das TTL Kochbuch. Freising: Texas Instruments Deutschland 1972.
Schaltbeispiele mit integrierten Digitalschaltungen der TTL 74-Serie. Freiburg: ITT Intermetall. 1976.
SEIFART, MANFRED: Digitale Schaltungen. Heidelberg: Hüthig 1988.
KÜHN, EBERHARD: Handbuch TTL- und CMOS-Schaltkreise. Heidelberg: Hüthig 1987.

Datenbücher:
TTL Pocket Guide. Texas Instruments Deutschland GmbH, 1976.
The TTL Data Book, Volume 1. Standard TTL, Low-Power Schottky, Schottky. Texas Instruments, 1985.
The TTL Data Book, Volume 2. Advanced Low-Power Schottky, Advanced Schottky, Texas Instruments, 1984.
Supplement to TTL Data Book, Volume 2. Advanced Low-Power Schottky, Advanced Schottky. Texas Instruments, 1984.
Applications. Digital, Linear, MOS. Signetics, 1974.
Hot Ideas in CMOS. Analog Switches, Multiplexers, A/D & D/A Converters, Linear Devices, Discretes/FETs, Timers, Counters, Display Drivers, ROMs/EPROMs, Microprocessors and Peripherals. Intersil, 1983.
CMOS Databook including the latest products in microCMOS technology. National Semiconductor Corporation, 1984.
Linear Databook. National Semiconductor Corporation, 1982.
Halbleiter Handbuch 1985. Ferranti GmbH, 1984
LCD Dok Matrix Modules, Hitachi 1991.
Die 8bit-Microcontroller-Familie 8051, Fa. Valvo.

18    Stichwortverzeichnis     297