Digitaltechnik mit Arduino
Logische Gatter - Schaltkreisfamilien
Allgemeines
Als Standardlogik-Bausteine werden Komponenten bezeichnet, die eine einfache digitale Hardware-Funktion bereitstellen, die vom Anwender nicht modifiziert werden kann. Standardlogik-Bausteine sind in sogenannten Bausteinfamilien bzw. -serien zusammengefasst. Zu den wichtigsten zählen die 4000er-Serie und die 7400er-Serie (auch 74er-Serie genannt).
| Familie | TTL | LS-TTL | CMOS | HCMOS |
|---|---|---|---|---|
| Bezeichnung | 7400 | 74LS00 | 4001 | 74HC00 |
| Betriebsspannung | 4,75 V bis 5,25 V | 4,75 V bis 5,25 V | 3 V bis 15 V | 3 V bis 6 V |
| Gatterlaufzeit | 10 ns | 9 ns | 50 ns | 9 ns |
| maximale Frequenz bei 5V | 25MHz | 40MHz | 5MHz | 50MHz |
| Leistung pro Gatter bei 0Hz | 10mW | 2mW | 1µW | 1µW |
| Leistung pro Gatter bei 1MHz | 10mW | 2mW | 1mW | 0,5mW |
| Max. Strom bei LOW; 5V | 1.6mA | 4mA | 0,5mA | 4mA |
| Max Strom bei HIGH; 5V | 4mA | 4mA | 0,5mA | 4mA |
Die Standardschaltkreise sind unter anderem in sogenannten DIL-Gehäuse (Dual In-Line) erhältlich. Zur Einbaukennung befindet sich eine Kerbe im Gehäuse. Liegt diese von oben gesehen links, befindet sich links davon der Anschluss Nr. 1. Die Zählrichtung der Pins erfolgt gegen den Uhrzeigersinn (siehe Abbildung). Bei einem 14-poligen Baustein ist z.B. auf Pin 7 oft GND und auf Pin 14 die Versorgungsspannung anzuschließen. Dennoch solltest du die genaue Pinbelegung immer aus dem jeweiligen Datenblatt entnehmen.
Digitale integrierte Schaltkreise als Logikbausteine können einfache bis komplexe logische Schaltfunktionen realisieren. Die Palette reicht von Bauelementen mit mehreren einfachen Logikgattern, wie UND-, ODER- und NAND-Gattern, sowie Flipflops bis hin zu programmierbaren Bauelementen wie PLDs (Programmable Logic Devices), FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), Gate-Arrays und ASICs (Application-Specific Integrated Circuits, applikationsspezifische integrierte Schaltungen).
Schaltkreisfamilien
DTL
DTL-Schaltungen (Dioden-Transistor-Logik) bestehen aus Dioden, Transistoren und Widerständen. Anfangs wurden diese Schaltungen diskret aufgebaut, später erfolgte die Herstellung als Dünnfilm- und Dickschichtschaltungen. Heute findet man sie manchmal noch in Form monolithischer ICs. Die Grundschaltungen der DTL-Technik sind die UND-, ODER- und NICHT-Schaltungen. Aus Ihnen werden alle weiteren logischen Verknüpfungen aufgebaut.
DTL-UND.
DTL-ODER.
DTL-NICHT.
Experiment: DTL-UND Baustein nachbilden
text
Arduino Sketch
Aufbau
DTL-UND Gatter
Serial Monitor
Ablauf
Wahrheitstabelle durchlaufen
Ausgangssignal aufzeichnen
über Serial Monitor ausgeben
Wahrheitstalle
| A (Eingang) | B (Eingang) | Q (Ausgang) |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Bautteilliste (BOM)
| Bauteil | Anzahl | Beschreibung |
|---|---|---|
| Arduino Uno oder Nano | 1 | Mikrocontroller |
| Breadboard + Kabel | 1Set | Aufbau & Verbindung |
| Widerstand 10 kΩ | 1 | bedrahtet |
| Diode 1N4148 | 2 | Si-Diode |
Arduino Code
// Arduino und Logikbaustein SN7408 (SN7400, SN7432)
const int OUT_PIN_A = 2;
const int OUT_PIN_B = 3;
const int IN_PIN_Q = 9;
void setup() {
//Ausgänge
pinMode(OUT_PIN_A, OUTPUT);
pinMode(OUT_PIN_B, OUTPUT);
//Eigang
pinMode(IN_PIN_Q, INPUT_PULLUP);
Serial.begin(19200);
}
void loop() {
int state;
digitalWrite(OUT_PIN_A, LOW);
digitalWrite(OUT_PIN_B, LOW);
state = digitalRead(IN_PIN_Q);
Serial.print("A=0; B=0");
Serial.print("Q=");
Serial.println(state);
delay(1000);
digitalWrite(OUT_PIN_A, HIGH);
digitalWrite(OUT_PIN_B, LOW);
state = digitalRead(IN_PIN_Q);
Serial.print("A=1; B=0");
Serial.print("Q=");
Serial.println(state);
delay(1000);
digitalWrite(OUT_PIN_A, LOW);
digitalWrite(OUT_PIN_B, HIGH);
state = digitalRead(IN_PIN_Q);
Serial.print("A=0; B=1");
Serial.print("Q=");
Serial.println(state);
delay(1000);
digitalWrite(OUT_PIN_A, HIGH);
digitalWrite(OUT_PIN_B, HIGH);
state = digitalRead(IN_PIN_Q);
Serial.print("A=1; B=1");
Serial.print("Q=");
Serial.println(state);
delay(1000);
}
Ergebnis
Ergebnis wie in Wahrheitstabelle vorgegeben.
TTL
Die Eingangsdioden der DTL-Technik wurden in der TTL-Technik durch einen bipolaren Multi-Emitter-Transistor ersetzt (siehe Abbildung 5.20). Die Bezeichnung TTL bedeutet Transistor-Transistor-Logic. Die Verknüpfungen werden bei dieser Schaltkreisfamilie ausschließlich durch bipolare Transistorstufen erzeugt. Zur Verschiebung von Pegel und zur Spannungsableitung werden Dioden verwendet. Widerstände dienen als Spannungsteiler und Strombegrenzer.
TTL-NAND.
Die TTL-Schaltkreisfamilie gibt es in verschiedenen Unterfamilien, die für verschiedene Anwendungen mit besonderen Eigenschaften entwickelt wurden. Hier ein kleiner Überblick über ein paar Standardlogik TTL-Bausteine:
| Bezeichnung | Beschreibung | Anzahl der Pins |
|---|---|---|
| SN7400 | Vierfach-NAND | 14 |
| SN7402 | Vierfach-NOR | 1 |
| SN7404 | Sechsfach-NICHT | 14 |
| SN7408 | Vierfach-UND | 14 |
| SN7414 | Sechsfach-NICHT (Schmitt-Trigger) | 14 |
| SN7432 | Vierfach-ODER | 14 |
| SN7486 | Vierfach-XOR | 14 |
Experiment: Arduino und SN7432
Der SN7432 ist ein Vierfach-ODER-Baustein. Die Anschlussbelegung des Bausteins findest du in der nachfolgenden Abbildung.
| Pin | Bezeichnung | Richtung | Funktion |
|---|---|---|---|
| 1 | 1A | Eingang | Erstes Gatter |
| 2 | 1B | Eingang | Erstes Gatter |
| 3 | 1Y | Ausgang | Erstes Gatter |
| 4 | 2A | Eingang | Zweites Gatter |
| 5 | 2B | Eingang | Zweites Gatter |
| 6 | 2Y | Ausgang | Zweites Gatter |
| 7 | GND | Versorgung | Masse |
| 8, 9, 10 | 3A, 3B, 3Y | Drittes Gatter | |
| 11, 12, 13 | 4A, 4B, 4Y | Viertes Gatter | |
| 14 | VCC | Versorgung | +5,0 V DC |
Um die Eingangssignale besser verfolgen zu können, werden wir nun die beiden Ausgangspins D2 und D3 jeweils mit einer LED und den Eingängen 1A bzw. 1B des SN7432 verbinden. Der Ausgang 1Y des SN7432 wird über einen 1,5-kΩ-Widerstand mit einer Low-Current-LED verbunden.
Arduino Sketch
Arduino Code
//Arduino und Logikbaustein SN7432 (SN7400, SN7408 etc.)
const int OUT_PIN_A = 2;
const int OUT_PIN_B = 3;
void setup() {
//Ausgänge
pinMode(OUT_PIN_A, OUTPUT);
pinMode(OUT_PIN_B, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(OUT_PIN_A, LOW);
digitalWrite(OUT_PIN_B, LOW);
delay(1000);
digitalWrite(OUT_PIN_A, HIGH);
digitalWrite(OUT_PIN_B, LOW);
delay(1000);
digitalWrite(OUT_PIN_A, LOW);
digitalWrite(OUT_PIN_B, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(OUT_PIN_A, HIGH);
digitalWrite(OUT_PIN_B, HIGH);
delay(1000);
}
Funktionsweise
| A (Eingang) | B (Eingang) | Q (Ausgang) |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
Wenn einer der beiden Ausgänge D2 oder D3 auf HIGH geschaltet wird, leuchtet die rote LED am Ausgang 1Y. Sind beide Ausgänge D2 und D3 auf LOW geschaltet, erlischt die rote LED am Ausgang 1Y. Der Arduino schaltet seine Ausgänge D2 und D3 gemäß der nebenstehenden Wahrheitstabelle.
CMOS
Die am häufigsten verwendete digitale Schaltkreistechnologie ist die CMOS-Technologie (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor). CMOS-Bausteine haben ein sehr hohes Fan-Out, da die Eingänge der Gatter sehr hochohmig sind. Darum können an den Ausgang eines Gatters mehrere Eingänge anderer Gatter angeschlossen werden.
Bei einer so hohen kapazitiven Belastung eines Ausgangs erhöhen sich jedoch die Schaltzeiten. CMOS-Bausteine sind trotz der Eingangsschutzschaltung sehr empfindlich gegen statische Aufladung. Die Impulsflanken zur Ansteuerung von CMOS-Gattern müssen eine Mindeststeilheit haben. Bei langsamem Umschalten sind die Ausgangstransistoren zu lange beide leitend, was zu thermischen Problemen führt.
Die nebenstehende Abbildung zeigt die CMOS-Schaltung eines Nicht-Gatters bzw. Inverters. In dieser Inverterschaltung ist immer ein Transistor leitend und der andere gesperrt. Ist der Ausgangspegel 0 V oder LOW, dann sperrt der p-Kanal MOS-FET. Beim Ausgangspegel 5 V oder HIGH ist der n-Kanal MOS-FET gesperrt. In beiden Fällen fließt kein Strom.
CMOS-Inverter.
systeme.io
Experiment: Arduino und 74HC14 (Inverter mit Schmitt-Trigger)
Mechanische Taster und Schalter erzeugen keine idealen digitalen Signale. Im Gegenteil, wie wir es in Kapitel 3.8 sehen konnten. Beim Betätigen „prellt“ der Schalter. Die Kontakte öffnen und schließen mehrere Male innerhalb weniger Millisekunden. Dadurch entsteht eine schnelle Abfolge von HIGH/LOW-Impulsen, die für digitale Systeme wie den Arduino mehrere Tastendrücke darstellen können. Ein Schmitt-Trigger ist eine einfache, elegante und zuverlässige Lösung zur Hardware-Entprellung. Er formt das wackelige Eingangssignal in ein sauberes digitales Rechtecksignal um.
Ein Schmitt-Trigger ist ein digitaler Eingang mit Hysterese. Das bedeutet, es gibt zwei Schaltschwellen:
· obere Schwelle V_TH+ (bei steigender Flanke)
· untere Schwelle V_TH− (bei fallender Flanke)
Das Ausgangssignal ändert sich erst, wenn die Eingangsspannung eine der Schwellen eindeutig überschreitet. Damit ignoriert der Schmitt-Trigger langsame Flanken, Prellimpulse, kleine Spannungsstörungen und Rauschen. Das Ergebnis ist ein sauberer, stabiler digitaler Pegel.
Der 74HC14 enthält 6 unabhängige Inverter (siehe Abbildung), jeder mit Schmitt-Trigger-Eingang. Der SN7414 besitzt eine schnelle Reaktionszeit und eine hohe Störsicherheit. Er eignet sich ideal zur Glättung von Taster-, Sensoren- oder PWM-Signalen.
| Pin | Bezeichnung | Richtung | Funktion |
|---|---|---|---|
| 1 | 1A | Eingang | Erster Inverter |
| 2 | 1Y | Ausgang | Erster Inverter |
| 3 | 2A | Ausgang | Zweiter Inverter |
| 4 | 2Y | Eingang | Zweiter Inverter |
| 5 | 3A | Eingang | Dritter Inverter |
| 6 | 3Y | Ausgang | Dritter Inverter |
| 7 | GND | Versorgung | Masse |
| 8, 9 | 4A, 4Y | Vierter Inverter | |
| 10, 11 | 5A, 5Y | Fünfter Inverter | |
| 12, 13 | 6A, 6Y | Sechter Inverter | |
| 14 | VCC | Versorgung | +5,0 V DC |
Arduino Sketch
Arduino Code
//Taster entprellen mit SN7414
const int debouncedInput = 2;
const int led = 5;
bool toggleState = false;
bool lastState = LOW;
void setup() {
pinMode(debouncedInput, INPUT);
pinMode(led, OUTPUT);
}
void loop() {
int current = digitalRead(debouncedInput);
if (current == HIGH && lastState == LOW) {
toggleState = !toggleState;
digitalWrite(led, toggleState ? HIGH : LOW);
}
lastState = current;
}
Funktionsweise
Der Eingang des Schmitt-Trigger wird mit einem Pull-Up Widerstand beschaltet. Der Schmitt-Trigger invertiert das Signal, d.h. wenn der Taster nicht gedrückt ist, ist der Eingang auf HIGH und der Ausgang auf LOW. Wird der Taster gedrückt, geht der Eingang auf LOW und der Ausgang auf HIGH.
Falls nötig, kann man einen zweiten Schmitt-Trigger in Reihe schalten, um die Polarität wieder herzustellen. Solange das Eingangssignal nicht die obere Schwelle des SN7414 überschreitet, bleibt der Ausgang stabil. Kurze Prellimpulse reichen nicht aus, um die Hysterese-Schwellen zu überschreiten. Das Ergebnis ist ein sauberer HIGH-Pegel als Ausgangssignal.
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