../../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik

Lauflicht

Bisher haben wir Schaltungen betrachtet, die einen Takt erzeugen. Jetzt schließen wir den Takt an eine etwas komplexere Schaltung an und betrachten deren Verhalten.

Wir beginnen mit einer Schaltung, die wir bereits aus dem Praktikum Daten-Speicher kennen, dem D-Register 74HC175. Mithilfe des 74HC175 und einem Takt werden wir ein Lauflicht aufbauen.

Johnson-Zaehler.png
Bild 1: Lauflicht mit 74HC175

Der 74HC175 hat vier D-Register mit je einem Dateneingang und für jedes Register einen Ausgang Q und einen invertierten Q̅.

Interessant ist für dynamische Schaltungen der Takteingang CLK. Durch einen Taktimpuls an CLK übernehmen alle D-Register den Wert am Eingang D und geben ihn an Q aus.

Der Eingang C̅L̅R̅ setzt den Inhalt aller D-Register zurück, auf 0.

An die Ausgänge des 74HC175 haben wir vier LEDs geschaltet, die den Wert der D-Register anzeigen.

Attention >

Die Schaltung in Bild 1 hat einen Takt-Eingang, der an einen entprellten Taster angeschlossen werden muss. Am besten wird das Takt-Modul verwendet.

Mit dem Reset-Taster wird die Schaltung in einen definierten Zustand gebracht: Der Reset-Taster setzt alle Ausgänge auf 0.

Nach dem Reset sind alle LEDs aus.

Die Eingänge der D-Register sind jeweils an den Ausgang des vorangehenden geschaltet. Die Ausnahme ist der von Q1, der an Q̅4̅ angeschlossen ist.

Sehen wir uns zunächst an, was passiert, wenn wir die Takt-Taste betätigen.

Die LEDs beginnen zu leuchten und zwar beginnen sie von Q1 an nach und nach zu leuchten. Wenn alle leuchten, erlöschen sie von Q1 an alle nach und nach. Eine Gruppe von LEDs läuft durch, verschwindet und kommt dann wieder.

Tragen wir das Ergebnis in eine Tabelle ein.

Takt Q1 Q2 Q3 Q4
0 0 0 0 0
1 1 0 0 0
2 1 1 0 0
3 1 1 1 0
4 1 1 1 1
5 0 1 1 1
6 0 0 1 1
7 0 0 0 1
8 0 0 0 0

Tabelle 1: Tabelle für Q̅4̅ nach D1

Die Tabelle 1 zeigt die Zustände der D-Register im 74HC175 an.

Versuchen wir eine andere Variante. Wir verbinden Q1 mit Q̅2̅.

Takt Q1 Q2 Q3 Q4
0 0 0 0 0
1 1 0 0 0
2 1 1 0 0
3 0 1 1 0
4 0 0 1 1
5 1 0 0 1
6 1 1 0 0
7 0 1 1 0
8 0 0 1 1
9 1 0 0 1
10 1 1 0 0
11 0 1 1 0
12 0 0 1 1
13 1 0 0 1
14 1 1 0 0

Tabelle 2: Zustände für Q̅2̅ nach D1

Jetzt läuft eine Gruppe von zwei leuchtenden LEDs durch.

Wir können weitere Versuche durchführen:
Was passiert, wenn Q1 mit Q4 verbunden wird?

Automatisches Lauflicht

Wir wollen ein Lauflicht haben, das ohne unser Zutun automatisch läuft. Dazu brauchen wir lediglich einen automatischen Takt.

Unser Timer aus Blinkende LED ist dafür hervorragend geeignet. Der Ausgang des NE555 wird an den CLK-Eingang des 74HC175 angeschlossen.

Wenn der NE555 einen langsamen Takt erzeugt, können wir sehen, wie das Lauflicht läuft. Mit R1=R2=100kΩ und C=10µF läuft das Licht sehr langsam. Setzen wir für C1=1µF ein, haben wir ein einfaches Lauflicht.

Durch den Takt haben wir eine dynamische - sich mit der Zeit verändernde - Schaltung aufgebaut.

Das Lauflicht kann einfach verändert werden, indem wir hinter den ersten 74HC175 weitere schalten. Der Ausgang Q4 wird auf den Eingang Q1 des folgenden 74HC175 gelegt. Dessen Ds und Qs sind wieder alle hintereinander geschaltet. Mit dem Eingang D1 des ersten 74HC175 können wir spielen und ihn auf Q̅4̅ lassen oder einen anderen Ausgang Q̅ legen.

Schieberegister

Eine Schaltung, bei der ein D-Register die Daten des vorangehenden übernimmt, nennt sich Schieberegister. Das erste Datum an D1 wird meistens von einer externen Schaltung geliefert. Dieses Datum erscheint dann nach n Takten am Ausgang des letzten Registers. Mit n ist die Zahl der hintereinander liegenden Register gemeint.

Unser Lauflicht in Bild 1 hat eine einfache externe Schaltung: Es wird der invertierte Wert der letzten Stufe des Schieberegisters zugeführt.

Wir können das Schieben leicht verfolgen, wenn wir den Eingang D1 auf 1 legen. Nach dem Reset sind alle LEDs aus. Dann werden nach und nach 1 in das Register geschoben.

Eine 1 laufen lassen

Wir können mit einem Trick eine laufende LED erzeugen.

1.
Reset und D1 auf 1
2.
Takt
3.
D1 auf Q4
4.
Takt

Alle weiteren Takte lassen eine leuchtende LED im Kreis laufen.

Eine 1 automatisch laufen lassen

Den Eingang D1 nach einem Reset manuell auf 1 zu legen ist ziemlich umständlich.

Die Logik ist allerdings ziemlich einfach:

D1 = Q̅1̅ AND Q̅2̅ AND Q̅3̅

Wir brauchen ein AND-Gatter mit drei Eingängen, besser ein NAND mit drei Eingängen hinter das wir einen Inverter aus einem NAND-Gatter schalten. Der 74HC10 enthält drei NAND-Gatter mit je drei Eingängen.

Ein Inverter aus einem NAND-Gatter ist einfach: Alle Eingänge bis auf einen an 1
oder ...

Allerdings können wir auch ein AND-Gatter diskret mit drei Dioden und einem Widerstand aufbauen. Siehe Gatter mit Transistoren und Dioden.

Lauflicht-1_s.png
Bild 2: Lauflicht mit einer LED

Wie bei Bild 1 sind die Eingänge an die Ausgänge der vorangehenden D-Register angeschlossen. Der Eingang D1 wird über das AND-Gatter aus D1, D2, D3 und R8 an Q̅1̅, Q̅2̅ und Q̅3̅ gelegt.

Damit die Wirkung des Gatters betrachtet werden kann, kann eine LED mit Vorwiderstand angeschlossen werden. Sie muss allerdings zwischen D1 und +5V liegen.

Der Reset wird automatisch über R3 und C2 erzeugt.

Die Widerstände R1 und R2 bestimmen zusammen mit C1 die Frequenz des Taktes mit etwa 0,5Hz. Die Frequenz können wir mit den Tool Astabiler Timer 555 berechnen. Alle zwei Sekunden kommt ein Taktimpuls. Das ist langsam genug, die Arbeitsweise zu verfolgen.

Damit das Lauflicht läuft, sollte C1 gegen 1µF ausgetauscht werden. Die Frequenz ist dann 5Hz und die leuchtende LED läuft.

Setzen wir für C1 1nF ein, leuchten alle LED. Wir können das Blinken der einzelnen LEDs nicht mehr erkennen.

Regeln

  • Ein Schieberegister besteht aus einer Reihe von n hintereinander geschalteten D-Registern
  • mit gemeinsamen Takt
  • der D-Eingang ist an den Q-Ausgang des jeweils vorangehenden D-Registern angeschlossen
  • der D-Eingang des ersten D-Registern ist der Eingang des Schieberegisters
  • bei jedem Takt wird
  • der Wert eines Registers in die nächste Stufe geschoben,
  • der Wert am Eingang D1 in die erste Stufe übernommen und
  • der Wert dar letzten Stufe verworfen.
  • Nach n Takten erscheint der Wert an D1 am Ausgang Qn.
  • Durch eine Logik zwischen den Ausgängen Q1 bis Qn und dem Eingang können Muster für das Schieberegister erzeugt werden.