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


Wir betrachten eine einfache Schaltung, die ein Lauflicht realisiert.


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Johnson-Zähler

Johnson-Zähler


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 Q.

Interessant ist für dynamische Schaltungen der Takteingang Cp. Durch einen Taktimpuls, eine positive Flanke ↑ an Cp übernehmen alle D-Register den Wert am Eingang D und geben ihn an Q und Q aus.

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

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

Attention >

Entprellter Taster

An den Takt-Eingang einer Schaltung, sollte zum Testen ein entprellter Taster angeschlossen werden.

Dazu wird am besten das Takt-Modul verwendet.

Funktionsweise

Nach dem Reset sind alle LEDs aus.

Die Eingänge der D-Register sind jeweils mit dem Ausgang des vorhergehenden Registers verbunden. Die Ausnahme bildet D1, der mit Q4 verbunden ist.

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

Die LEDs beginnen nacheinander zu leuchten, zuerst Q1. Wenn alle LEDs leuchten, gehen sie ab Q1 nach und nach aus. 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 D1 = Q4

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

Versuchen wir eine weitere Variante. Wir verbinden Q1 mit Q2.

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 D1 = Q2

Jetzt läuft eine Gruppe von zwei leuchtenden LEDs durch.

Wir können weitere Versuche durchführen:
Was passiert, wenn D1 mit Q4 verbunden wird?

Automatisches Lauflicht

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

Unser Timer aus Blinkende LED ist dafür bestens geeignet. Der Ausgang des NE555 wird mit dem Cp-Eingang des 74HC175 verbunden.

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. Mit C1=1µF haben wir ein einfaches Lauflicht.

Durch den Takt haben wir eine dynamische Schaltung, die sich mit der Zeit verändert.

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

Schieberegister

Eine Schaltung, bei der ein D-Register die Daten des vorhergehenden Registers übernimmt, wird als Schieberegister bezeichnet. 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 Anzahl der aufeinander folgenden 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 Verschieben leicht verfolgen, wenn wir den Eingang D1 auf 1 setzen. Nach dem Reset sind alle LEDs aus. Dann werden nach und nach 1-en in das Register geschoben.

Eine 1 zum Laufen bringen

Wir können mit einem Trick eine laufende LED erzeugen.

1.
Reset und D1 auf 1 setzen
2.
Takt
3.
D1 an Q4 anschließen
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 setzen ist recht umständlich.

Die Logik ist jedoch ziemlich einfach:

D1 = Q1 AND Q2 AND Q3

Wir benötigen ein AND-Gatter mit drei Eingängen oder ein NAND mit drei Eingängen, hinter das wir einen Inverter aus einem NAND-Gatter schalten. Der 74HC10 enthält drei NAND-Gatter mit jeweils drei Eingängen.

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

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

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

Wie bei Bild 1 sind die Eingänge mit den Ausgängen der vorhergehenden D-Register verbunden. Der Eingang D1 wird über das AND-Gatter aus D1, D2, D3 und R8 mit Q1, Q2 und Q3 verbunden.

Um die Wirkung des Gatters beobachten zu können, kann eine LED mit Vorwiderstand angeschlossen werden. Dieser muss jedoch zwischen D1 und +5V liegen.

Der Reset erfolgt über R3 und C2.

Die Widerstände R1 und R2 bestimmen zusammen mit C1 die Taktfrequenz von ca. 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.

Um das Lauflicht zum Laufen zu bringen, sollte C1 durch 1µF ersetzt werden. Die Frequenz beträgt dann 5Hz und die leuchtende LED läuft.

Wenn wir für C1 1nF einsetzen, leuchten alle LEDs. Wir können das Blinken der einzelnen LEDs nicht mehr erkennen.

Regeln

  • Ein Schieberegister besteht aus n in Reihe geschalteten D-Registern
  • mit einem gemeinsamen Takt
  • der D-Eingang ist mit dem Q-Ausgang des vorhergehenden D-Registers verbunden
  • der D-Eingang des ersten D-Registers 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 der letzten Stufe wird 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.