Bestnr. 19 22 97 Conrad leerpakket elektronica speciaal Alle rechten, ook vertalingen, voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een automatische gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, of op enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van CONRAD ELECTRONIC BENELUX B.V. Nadruk, ook als uittreksel is niet toegestaan. Druk- en vertaalfouten voorbehouden.
Impressum © 2011 Franzis Verlag GmbH, D-85586 Poing www.elo-web.de Auteur: Burkhard Kainka ISBN 978-3-645-10073-1 Geproduceerd in opdracht van de firma Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1 , D-92240 Hirschau Alle rechten voorbehouden, ook die van de fotomechanische weergave en het bewaren in elektronische geheugens.
Leerpakket elektronica speciaal 1 Introductie 1.1 Experimenteerbord 1.2 Batterij 1.3 Lichtdiodes 1.4 Weerstanden 1.5 Condensatoren 1.6 Toetsschakelaar 1.7 Viervoudige NAND-poort 1.
1 Introductie Digitale elektronica is de basis voor de moderne computertechniek. Digitaal betekent dat er alleen een duidelijk AAN of UIT in een schakeling bestaat, echter geen tussenstappen zoals half of driekwart, zoals dit bekend is bij de analoge elektronica. Op het eerste gezicht heeft men dus minder mogelijkheden. Wanneer echter vele digitale leidingen gelijktijdig gebruikt worden, zijn er in totaal heel veel verschillende toestanden. Elk afzonderlijke toestand wordt als één bit genoemd.
1.1 Experimenteerbord Alle proeven worden opgebouwd op een laboratorium- experimenteerbord. Het bord met in totaal 270 contacten in een raster van 2,54 mm zorgt voor zekere verbindingen van de componenten. Afb. 1: Het experimenteerveld Het experimenteerbord heeft in het midden 230 contacten, die telkens door verticale stroken met 5 contacten geleidend onderling verbonden zijn.
Afb. 2: De interne contactstroken Het insteken van de onderdelen vergt relatief veel kracht. De aansluitdraden knikken daardoor gemakkelijk om. Belangrijk is, dat de draden exact van boven af ingebracht worden. Een pincet of een kleine tang kan daarbij nuttig zijn. Een draad wordt zo kort mogelijk boven het bord vastgehouden en dan verticaal naar beneden gedrukt. Op die manier kunt u ook gevoelige aansluitdraden zoals de vertinde uiteinden van de batterijclips inzetten.
Gebruik geen alkalinebatterij en geen accu, maar alleen eenvoudige zinkkoolbatterijen. Weliswaar heeft een alkalinebatterij een langere levensduur, maar heeft een uitslaggevende nadeel: ze levert (net als een accu) in geval van een fout (bijv. een kortsluiting) zeer hoge stromen van boven 5 A, die de dunne draden of de batterij zelf sterk kunnen verhitten. De kortsluitstroom van een zink- koolbatterij daarentegen is meestal kleiner dan 1 A.
beschermingslaag. De weerstandswaarden zijn door de opgedrukte gekleurde ringen gecodeerd. Naast de weerstandswaarde is ook de nauwkeurigheid aangegeven. Afb. 5: Een weerstand Weerstanden met een tolerantie van ±5 % zijn er in waarden van de E24-reeks, waarbij elke decade 24 waarden bevat met elk een ongeveer gelijkmatige afstand tot de volgende waarde.
Tabel 2: De kleurcode bij weerstanden Een weerstand met de gekleurde ringen geel, violet, bruin en goud heeft de waarde 470 bij een tolerantie van 5 %. In het leerpakket bevinden zich weerstanden met de volgende waarden: 1k 10 k 100 k 2,2 M bruin, zwart, rood bruin, zwart, oranje bruin,zwart, geel rood, rood, groen 1.5 Condensatoren Een condensator bestaat uit twee metalen platen en een isolatielaag.
De keramische schijfcondensator is van speciaal keramisch materiaal, waarmee een grote capaciteit, bij een kleine afmeting, bereikt kan worden. Het leerpakket bevat een keramische schijfcondensator met 100 nF (opdruk 104, 100.000 pF). Afb. 6: Een keramische condensator 1.6 Toetsschakelaar De toetsschakelaar in het leerpakket bevat een sluitercontact met twee aansluitingen die telkens dubbel uitgeleid zijn. Afb. 7: De toetsschakelaar 1.
Afb. 8: De CMOS-IC 4011 1.8 Tweevoudig JK- flipflop 4027 De 4027 is een CMOS-IC met 16 aansluitingen. Het bevat twee onafhankelijke JKflipflops. Zoals bij alle IC's is vooral op een correcte aansluiting van de voedingsspanning te letten. De voedingsspanning mag bij alle IC's uit de 40xx-reeks tussen 3 V en 15 V bedragen. Afb.
2 Inverter De CMOS-IC 4011 bevat vier onafhankelijke NAND-poorten met elk twee ingangen. Een eerste proef toont het gebruik van de IC aan een batterijspanning van 9 V en de aansluiting van LED's. Bij het inbouwen moet beslist op de juiste polariteit gelet worden. De plusaansluiting wordt ook als Vcc gekenmerkt, de minusaansluiting als GND. Bij alle CMOS-IC's moet in acht worden genomen dat niet gebruikte ingangen met Vcc of met GND verbonden moeten worden.
Afb. 11: Opbouw op het experimenteerbord De schakeling gebruikt alleen twee van de vier NAND-poorten (NAND 1 en NAND 4). Beide ingangen zijn telkens verbonden. Hierdoor wordt de NAND-poort een inverter. Een ingangstoestand "nul" wordt tot een uitgangstoestand "één" en andersom. Op de uitgang is telkens een LED met een voorweerstand aangesloten. Bij dit experiment gaat de linker LED oplichten, terwijl de rechter LED donker blijft. Afb.
Ingang Uitgang 0 1 1 0 3 Aanrakingsschakelaar Deze proef gebruikt een poort als inverter met open ingang. De ingang krijgt een beschermingsweerstand van 100 k en mag met de vinger aangeraakt worden. Als u sterk elektrisch opgeladen bent, begrensd de beschermingsweerstand de ontlaadstroom. De uitgangstoestand van deze schakeling kan niet voorspelt worden, omdat de ingang extreem hoogohmig is en een toevallige oplading kan dragen.
Afb.
Afb. 14: Opbouw met aanrakingscontact 4 NAND- basisfunctie In dit experiment wordt de eigenlijke functie van de NAND-poort onderzocht. Hier gaat het om een EN-functie (Engels AND) met daaropvolgende invertering. Voor de EN-functie (AND) geldt: alleen wanneer ingang 1 EN ingang 2 "aan" zijn is ook de uitgang "aan". Overeenkomstig geldt voor de NAND-functie: alleen wanneer ingang 1 EN ingang 2 aan zijn, is de uitgang uit. Dit toont ook de waarheidstabel van de NAND-poort.
Afb. 15: Aansluitingen van een NAND-poort De schakeling gebruikt twee weerstanden met 100 k , om de rusttoestand nul te maken. Met de toetschakelaars kan telkens een 1- toestand ingeschakeld worden. In dat geval is de LED in rusttoestand aan. Alleen als beide toetsen tegelijkertijd ingedrukt worden, gaat deze uit. Afb.
Afb. 17: Opbouw met toetsschakelaars 5 AND-poort Door een opvolgende inversie kan uit een NAND-poort een AND-schakeling gebouwd worden. Deze keer is de regel: alleen wanneer beide schakelaars gesloten zijn, gaat de LED aan.
Afb. 18: AND- poort Afb.
Afb. 20: Opbouw van de AND- schakeling 6 OR- poort Als er eerst beide ingangen van een NAND- poort geïnverteerd worden, ontstaat een OF- poort. De OF-functie (Engels =OR) is: als de ingang 1 OF ingang 2 OF beide aan zijn, dan is de uitgang aan. Afb.
Ingang 1 Ingang 2 Uitgang 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Afb.
Afb. 23: Proef van de OR- schakeling 7 NOR- poort Een verdere inverter achter de OR- poort produceert een Niet-OR- functie (NOR). Om een NOR-poort te maken zijn alle vier NAND-poorten in het 4011 nodig. Afb.
Ingang 1 Ingang 2 Uitgang 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 Afb.
Afb. 26: Test van de NOR- schakeling 8 RS-flipflop Een flipflop is een schakeling die vanzelf een van de twee toestanden vast kan houden. Een digitale toestand kan dus opgeslagen worden. Door bepaalde ingangstoestanden kan de uitgang omgeschakeld worden. Het RS-flipflop heeft twee ingangen, reset (R) en set (S). In rusttoestand zijn beide ingangen hoog (R=1, S=1). De uitgang is dan onbepaald (X) en is afhankelijk van de voorgeschiedenis. Schakelt men R op 0, dan wordt de uitgang uitgeschakeld.
De RS-flipflop kan met twee NAND-poorten opgebouwd worden waarbij de uitgangen telkens op een ingang van de andere poort teruggekoppeld worden. De terugkoppeling zorgt er voor, dat een eenmaal aanwezige toestand behouden blijft. Afb. 27: Basisprincipe van de RS-flipflop In de daadwerkelijk opgebouwde schakeling worden beide uitgangen met LED's verbonden. Op de uitgang van NAND 2 verschijnt steeds de geïnverteerde toestand van NAND 1. Twee weerstanden tegen Vcc zorgen voor de rusttoestand 1.
Afb. 28: Schakelschema van de RS-flipflop Afb.
9 Knipperschakeling Met twee NAND-poorten, twee weerstanden en een condensator kan een astabiele flipflop opgebouwd worden, welke vanzelf heen en weer schakelt. Zoals bij een RSflipflop wordt hier een terugkoppeling toegepast. Een toestand is echter alleen zo lang stabiel, zolang de condensator geladen wordt. Daarna wisselt de uitgangstoestand. Streng genomen is dit geen digitale schakeling omdat de ingangsspanning van de linker poort zich langzamerhand verandert.
Afb.
Afb. 32: Opbouw van een wisselend knipperlicht 10 Dubbele knipperlicht Met vier poorten kunnen tegelijkertijd twee onafhankelijke knipperschakelingen opgebouwd worden. Theoretisch zouden deze met dezelfde frequentie werken. In de praktijk echter leiden geringe componententoleranties er toe, dat beide schakelingen niet exact synchroon werken. Als u een van de condensatoren met de vinger aanraakt, leidt een lichte opwarming tot een geringe vermindering van de capaciteit.
Afb.
Afb. 34: Onafhankelijk knipperschakeling 11 Variabele frequentie De frequentie van beide knipperlichten laten zich verregaand variëren, als een externe weerstand bij de 2,2-M - weerstand in de schakeling parallel geschakeld wordt. Hiertoe wordt de huidweerstand toegepast. Een lichte aanraking van beide draadeinden leidt tot een verhoging van de frequentie. Met de oscillatoren laten zich huidweerstanden van twee personen vergelijken.
Afb.
Afb. 36: Opbouw met vingercontacten 12 Frequentiedeler De CMOS-IC 4027 bezit twee onafhankelijk JK- flipflops. Een JK- flipflop is een relatief complexe en een veelzijdig te gebruiken schakeling. Bij de eerste proef wordt het IC als toggle- flipflop toegepast. De ingangen R en S moeten hiertoe met GND verbonden worden, de ingangen J en K met Vcc. "Toggelen" betekent omschakelen.
Afb. 37: JK-flipflop als toggle-flipflop Schakelingen met flipflops zijn gevoelig voor stoorsignalen. Een condensator tussen Vcc en GND voorkomt storingen die zich via de voedingsspanning zouden kunnen uitbreiden. Voor een hoge betrouwbaarheid van de schakeling is bijkomend een weerstand van 10 k ingevoegd in de klokleiding.
Afb.
Bij dit experiment wordt het kloksignaal alsook het uitgangssignaal van de flipflop via LED's aangeduid. Duidelijk is te zien dat de uitgangstoestand zich slechts half zo snel verandert als het kloksignaal. Afb. 39: Aanduiding van de basisfrequentie en de halve frequentie 13 Deler door vier Twee toggle- flipflops laten zich achter elkaar schakelen. De Q- uitgang van de eerste flipflop stuurt de C- ingang van de tweede flipflop. In totaal wordt daarbij de ingangsfrequentie door vier gedeeld.
Afb. 40: Twee deler achter elkaar Klokimpuls Uitgang 2 Uitgang 1 Tellerstand 0 0 0 0 1 1 1 3 0 1 1 3 1 1 0 2 0 1 0 2 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 Eveneens kan de schakeling als teller gezien worden, wanneer men de uitgangstoestanden als bits van een digitaal getal bekijkt. De toestand op uitgang 1 moet dan rechts staan. Er resulteren dan de binaire getallen 00, 11, 10, 01, 00. De schakeling telt dus achterwaarts: 0, 3, 3, 1, 0 enz.
Afb. 41: Gedeeld door 2 en door 4 Afb. 42: Opbouw van een binaire teller Deze schakeling uit achter elkaar geschakelde toggle- flipflops wordt ook asynchrone teller of ripple-counter genoemd. De telkens volgende trap schakelt pas na een vertraging van een paar nanoseconden over, dit is voor het oog echter niet zichtbaar.
14 Stop and go Gebruik in plaats van de 10-k -weerstand twee draden met open einden. De weerstand Rx wordt dan bijv. door aanraken gevormd. Schakel het kloksignaal, door met de vinger aan te raken, aan en uit. U kunt de teller hiermede laten lopen en stoppen. Probeer een keer de uitgangen precies bij toestand 1 te bevriezen. Nog een mogelijkheid is, dat u alleen de klokingang aanraakt. Dit geeft dan meestal een 50Hz-bromsignaal als klokimpuls. Deze frequentie wordt in totaal door 4 gedeeld.
Afb.
Afb. 44: Teller met aanrakingscontacten 15 Set en reset De ingangen R en S kunnen, net zoals bij een RS-flipflop gebruikt worden. Ze worden bediend via twee schakelaars. Bijkomend zijn de ingangen met weerstanden met GND voorzien, die het rustniveau Nul vastleggen. De eerste tellertrap kan nu naar wens gewist (R) of gezet (S) worden. Zolang er een van de toetsen ingedrukt wordt, blijft de teller in de overeenkomstige toestand staan. Daardoor verandert ook de toestand van de tweede tellertrap niet meer.
Afb.
Afb. 46: Inbouw van de toetsen 16 JK-flipflop De ingangen J en K geven aan de JK-flipflop de naam. Ze worden nu nauwkeuriger onderzocht. Verbindt hiertoe de twee toetsen met de bijbehorende weerstanden met de ingangen J en K van de bovenste flipflop. Met aangelegde klokimpuls kunnen nu alle toestanden van J en K getest worden. Een functie is reeds uit de voorafgaande proeven bekent: met J = 1 en K = 1 schakelt de uitgang bij elke positieve flank van de klokimpuls over (toggle).
Afb.
Afb.
Afb. 49: Toetsen aan J en K 17 Schuifregister Een schuifregister schuift de ingangstoestanden bij elke klokimpuls om een stap verder. Met de 4027 laten zich twee stappen opbouwen. Het kloksignaal wordt nu parallel aan beide klokingangen gelegd. Op de ingang heeft men weer twee toetsen aan J en K. Beslissend is de verbinding naar de volgende stap. Q is gekoppeld aan J en /Q. Bij een positieve klok-flank neemt de eerste flipflop de ongelijke toestanden aan J en K over.
Afb. 50: JK-flipflop als schuifregister In rusttoestand zijn beide ingangen J en K 0 (nul). Druk nu op de J- toets- De 1toestand wordt bij de volgende klokimpuls aan Q1 overgenomen en bij de daarop volgende ook aan Q2. Men kan duidelijk de vertraging van een klokimpuls herkennen. Laat de toets los. Omdat nu beide ingangen J en K bij de eerste stap 0 zijn, verandert zich de uitgang niet. Beide uitgangen blijven dus aan. Druk nu op de K- toets.
Afb.
Afb. 52: Proefopbouw schuifregister 18 Faseverschuiving 90 graden Leidt de uitgangssignalen van de tweetraps schuifregister aan de uitgang terug. Daartoe moeten J en K omgewisseld worden. Het resultaat is dan, dat de eerste flipflop telkens de geïnverteerde toestand van de tweede flipflop aanneemt. Het tweede daarentegen volgt de eerste zoals tot nu toe met een vertraging van een impuls. Uiteindelijk schakelen beide uitgangen telkens afwisselend om.
Afb..
Afb.
Afb. 55: Proefopbouw voor de faseverschuiving Verander de schakeling een keer, zodat bij de terugkoppeling J en K niet omgewisseld worden. Het resultaat is onzeker, omdat het afhankelijk is van de eerste toestand van de flipflops na het inschakelen. Mogelijk is, dat er beide uitgangen steeds aan of uit blijven, of dat ze in tegenfase wisselen. 19 Bit- decoder Bij het voorgaande experiment lichten beide LED's telkens twee klokimpulsen op. Nu worden de afzonderlijke schakelfasen decodeert en weergegeven.
Uitgang Q2 Uitgang Q1 Getallenwaarde LED 1 LED 2 1 0 2 1 0 1 1 3 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 Afb.
Afb. 57: Opbouw met vier LED's 20 Eén uit vier Om steeds alleen één van de vier LED's te laten oplichten moeten ook de twee LED's rechts in het schakelschema op dezelfde manier tussen beide flipflops geschakeld worden. Om de twee resterende schakelfasen te kunnen decoderen, wordt nu bij de onderste flipflop de geïnverteerde uitgang /Q gebruikt.
Afb. 58: De decoder Afb.
21 Synchrone teller Een meertraps synchrone teller levert in principe hetzelfde resultaat als een meertraps ripple- teller. Het verschil is, dat de uitgangen nu exact op hetzelfde tijdstip omschakelen. Hiertoe moeten alle trappen met dezelfde klokimpuls werken. Het kloksignaal wordt parallel aan alle C- ingangen van de flipflops gelegd. Een flipflop kan daarbij niet op het resultaat van de vorige trap wachten, maar het moet al eerder weten of het bij de volgende klokimpuls moet omschakelen.
Afb. 61: Synchrone voorwaartsteller Ook hier moeten weer vier LED's afzonderlijk achter elkaar oplichten. In totaal vormt zich een lichtpatroon, dat lijkt als of een punt linksom in een cirkel loopt.
Afb.