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Wie können wir Impulse erkennen?


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Impulse erkennen

Impulse erzeugen


Impulse erkennen

Bei unserer Untersuchung einer blinkenden LED haben wir abschließend den Timer 555 mit einer Frequenz von ca. 500Hz betrieben. Für uns war nicht erkennbar, ob am Ausgang des Timers tatsächlich ein Takt anliegt.

Dieses haben wir beim elektronischen Würfel genutzt, damit beim Würfeln nicht erkennbar ist, welche Zahl gerade anliegt.

Impulse

In der dynamischen Digitaltechnik haben wir es mit sich ändernden Zuständen zu tun. Die Schaltungen werden meistens durch einen Takt gesteuert.

Wenn wir die einzelnen Leitungen betrachten, haben wir sich ständig ändernde Zustände. Eine solche Folge von Zuständen nennt man Impulse.

Impuls oder nicht Impuls

Wir können nicht erkennen, ob Impulse hoher Frequenz (>50Hz) anliegen.

Wir können auch nicht erkennen, ob ein Impuls von kurzer Zeit (<1ms) anliegt. Auch dann nicht, wenn kurze Impulse mit niedriger Frequenz um 1Hz anliegen.

Wir brauchen eine Schaltung, mit der wir Impulse detektieren können.

Impulse am D-Register

Mit einem D-Register können wir einen einfachen Impulsdetektor bauen:

Impulsdetektor-D.png
Bild 1: Einfacher Impulsdetektor mit einem D-Register

Wenn das D-Register zurückgesetzt wurde, ist der Ausgang Q=0, bis am Eingang eine Flanke von 0 auf 1 registriert wird. Dann ist der Ausgang Q=1.

Um weitere Impulse zu erkennen, müssen wir vorher das D-Register mit dem Taster zurücksetzen.

Die Schaltung kann nur Impulse mit steigender Flanke (von 0 nach 1) erkennen. Um eine fallende Flanke (von 1 nach 0) zu erkennen, müssten wir vor den Takteingang einen Inverter setzen.

Automatische Impulserkennung

Wir hätten gerne eine Schaltung, die Impulse mit steigender bzw. fallender Flanke erkennt und die wir nicht immer wieder zurücksetzen müssen. Das D-Register soll sich nach z.B. einer Sekunde automatisch zurücksetzen.

Die Flanken sind kein Problem, wir brauchen nur einen Inverter.

Der automatische Reset ...

Impulsdetektor-Mono.png
Bild 2: Impulsdetektor

Der Impulsdetektor in Bild 2 kann sowohl steigende als auch fallende Flanken erkennen. Der IC U1A erkennt fallende Flanken. Bei der fallenden Flanke geht er in den Zustand Q=1. Nach einer gewissen Zeit geht er wieder in den Zustand Q=0. Dort verbleibt er, bis erneut eine fallende Flanke auftritt. Die Zeit wird mit dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 eingestellt. Sie beträgt bei R1=470kΩ und C1=1µF etwa 0,2s.

Ein Bauelement mit dieser Eigenschaft wird als monostabiler Multivibrator bezeichnet. Der monostabile Multivibrator wird so genannt, weil er nur in einem Zustand stabil ist. Aus dem instabilen Zustand kehrt er nach einiger Zeit wieder in den stabilen Zustand zurück.

Der monostabile Multivibrator U1B ist der Bruder des U1A. Er erkennt steigende Flanken.

Monostabiler Multivibrator

Monostabiler-Multivibrator.png
Monostabiler Multivibrator

Die Schaltung und Anschlussbelegung der monostabilen Multivibratoren 74HC123, 74HC423 und 74HC221 ist identisch.

Diese monostabilen Multivibratoren haben zwei Trigger-Eingänge. Über den Eingang A werden sie durch eine fallende , über B durch eine steigende Flanke getriggert. Clr ist der Reset.

Die Ansteuerung des 74HC123 und des 74HC221 ist in einer Wahrheitstabelle festgehalten.

A B Clr Q Q
H X H L H
X L H L H
L 1 Oneshot_up Oneshot_down
H H Oneshot_up Oneshot_down
X X L L H
L H Oneshot_up Oneshot_down

Wahrheitstabelle des 74HC123 und 74HC221

Von den Triggereingängen A und B wird normalerweise nur einer zum Triggern verwendet. Der andere wird auf A=0 bzw. B=1 gesetzt.

Der Reseteingang Clr kann auch einen Trigger auslösen, wenn A=0 und B=1 sind. Dies ist manchmal nicht erwünscht. Dann kann der 74HC423 genommen werden, dessen Wahrheitstabelle mit der obigen bis auf die letzte Zeile übereinstimmt.

Befindet sich der monostabile Multivibrator im monostabilen Zustand und ein weiterer Trigger auftritt, gibt es zwei Möglichkeiten der Reaktion:

  • retriggerbarer monostabiler Multivibrator:
    Ein Trigger während des monostabilen Zustands verlängern diesen.
  • nicht retriggerbarer monostabiler Multivibrator:
    Ein Trigger während des monostabilen Zustands wird ignoriert.

Der 74HC123 und der 74HC423 sind retriggerbar. Der 74HC221 ist nicht retriggerbar.

Die Zeit, während der sich ein monostabiler Multivibrator im monostabilen Zustand befindet, wird als Haltezeit bezeichnet. Die Haltezeit beträgt ungefähr th=0.45*R*C. Zur Berechnung der Haltezeit von monostabilen Multivibratoren kann das Tool Monostabiler Multivibrator verwendet werden.

Der Impulsdetektor in Bild 2 wird bei jeder oder Flanke eine LED für eine bestimmte Zeit aufleuchten. Dadurch werden auch sehr kurze Impulse sichtbar. Wenn die Impulse so kurz aufeinander folgen, dass die Anzeige noch nicht abgelaufen ist, wird diese verlängert, da der 74HC123 retriggerbar ist. Bei hohen Frequenzen leuchten beide LEDs.

Zusammenfassung

Wir haben zwei Arten der Impulserkennung kennengelernt.

  • Ein Impuls wird erkannt und bis zu einem manuellen Reset festgehalten.
  • Impulse werden verlängert.

In den meisten Fällen ist die Impulsverlängerung vorzuziehen, aber wenn die Impulse sehr selten und erst nach längerer Zeit auftreten, ist ein manueller Reset erforderlich.