Elektor-Verlag, 2009
Vorwort
Digitale Elektronik steht im Mittelpunkt moderner Technik. Wenn man sich aktuelle Geräte ansieht, findet man hauptsächlich hochintegrierte Schaltungen, Mikrocontroller, programmierbare Logikbausteinen usw. Was man eher selten findet sind einfache digitale ICs wie den 4001 oder 4093. Man könnte meinen, der Umgang mit solchen Bausteinen sei schon überholt. Sollte man nicht gleich mit einem Mikrocontroller beginnen? Da ist ja eigentlich alles drin was man an digitaler Elektronik braucht. Und trotzdem haben wir uns entschieden, gerade die ganz einfachen Schaltungen mit Gattern, Flipflops und Zählern aus der CMOS-Reihe 4000 in den Mittelpunkt zu stellen. Hier liegen die eigentlichen Ursprünge der digitalen Schaltungstechnik. Nur wer wirklich verstanden hat wie ein digitaler Schaltkreis arbeitet kann auch erfolgreich mit höher integrierten Bausteinen umgehen. Wenn man sich das Datenblatt eines Mikrocontrollers anschaut wird klar, dass der Hersteller dieses Bausteins selbstverständlich davon ausgeht, dass der Leser die Grundlagen digitaler Elektronik versteht. Es ist voll mit Detailschaltbildern einzelner digitaler Baugruppen. Auch um einen Mikrocontroller überhaupt programmieren zu können, muss man logische Funktionen und Verknüpfungen verstanden haben.
Zwar gibt es zahlreiche Bücher, die das theoretische Wissen vermitteln, aber das Studium der Grundlagen geht am besten mit praktischen Versuchen. Der Aufbau digitaler Schaltungen soll nicht nur Wissen vermitteln sondern auch Spaß machen. Viele der hier vorgestellten 50 Schaltungen sind auch praktisch einsetzbar. Wer den Überblick hat findet für jede Aufgabe die einfachste und preiswerteste Lösung. Zum Überblick gehören auch digitale CMOS-ICs, die wir hier in praktischen Experimenten vorstellen. Bei der Arbeit an diesem Buch haben wir uns die Aufgaben geteilt: Lars Gollub hat alle Versuche entwickelt und die Schaltbilder sowie die Aufbaubilder gezeichnet. Burkhard Kainka hat den Text geschrieben.
Wir wünschen viel Freude bei den Experimenten!
Burkhard Kainka und Lars Gollub
Inhalt:
1 Einleitung 8
1.1 Bauteile 9
2 Grundlagen der Digitaltechnik 13
2.1 Bits und Binärzahlen 13
2.2 Digitale Grundfunktionen 14
2.3 IC-Familien 16
3 Gatterfunktionen 17
3.1 NAND-Gatter 19
3.2 NAND-Gatter als Inverter 23
3.3 AND-Gatter 26
3.4 NOR-Gatter 28
3.5 NOR-Gatter als Inverter 30
3.6 OR-Gatter 34
3.7 Aus NOR wird AND 36
3.8 Aus NOR wird NAND 38
3.9 Aus NAND wird OR 40
3.10 Aus NAND wird NOR 42
3.11 XOR 44
3.11 XNOR 46
3.12 Mehrheitsfunktion 48
4 Flipflops 50
4.1 RS-Flipflop mit NOR-Gattern 50
4.2 RS-Flipflop mit NAND-Gattern 52 (Beispielkapitel)
4.3 JK-Flipflop als RS-Flipflop 54
4.4 Das JK-Flipflop 56
4.4 Schieberegister 58
4.5 Ring-Schieberegister 63
5 Zähler 65
5.1 Zähler bis 3 65
5.2 4-Bit-Zähler 68
5.3 Synchronzähler 70
5.5 Vorwärts/Rückwärtszähler 73
6 Die Ziffernanzeige 76
6.1 Ziffern-Segmente 76
6.2 7-Segment-Dekoder 78
6.3 Zähler 0 … 9 80
6.4 Countdown 9 … 0 82
7 Oszillatoren 84
7.1 Blinklicht 84
7.2 Wechselblinker 87
7.3 Metronom 88
7.4 Tongenerator 90
8 Anwendungen 92
8.1 Lichtgesteuerter Ton 92
8.2 Miniorgel 94
8.3 Sirene 96
8.4 Dämmerungsschalter 98
8.5 Alarmanlage 100
8.6 Lichtgesteuerte Alarmanlage 102
8.7 Lauflicht 104
8.8 Ampelsteuerung 108
8.9 Ausschaltverzögerung 111
8.10 Einschaltverzögerung 112
8.11 Zeitschalter 114
8.12 Flurlichtautomat 116
8.13 Einfacher Zufallsgenerator 118
8.14 Roulette 120
8.15 Digitaler Würfel 122
9 Angang: Datenblätter 125
4001 125
4027 133
4093 141
4511 147