| QD | QC | QB | QA | Dualzahl | Dezimalzahl |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0000 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0001 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0010 | 2 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0011 | 3 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0100 | 4 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0101 | 5 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0110 | 6 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0111 | 7 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1000 | 8 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1001 | 9 |
EE2015 - Digitalzähler
Von der Dezimalzahl zur Dualzahl
Für die Beschreibung von logischen und mathematischen Zusammenhänge wird in der Digitaltechnik das Dualsystem angewendet. Hierfür sind nur die zwei Zahlen 1 und 0 notwendig. Um Informationen aus unserer analogen Welt in die digitale Welt zu übertragen, werden analoge Werte in einen Binärcode umgewandelt. Die unten aufgeführte Tabelle verdeutlicht an Hand der Dezimalzahlen 0 - 9, wie Dualzahlen in einen Binärcode abgebildet werden.
Des Weiteren wird in der Elektronik bei digitalen Schaltungen häufig die sogenannte Positive Logik angewand. Das bedeutet, dass die positive Spannung mit dem Wert 1 (High) und eine negative Spannung mit dem Wert 0 (Low) definiert ist. Damit die Schaltungslogik auch einwandfrei funktioniert, müssen alle Eingänge eines Logik-Gatters beschaltet sein. Ein offener Eingang (nicht angeschlossener Eingang) hat immer den Wert 1 (High) anliegen. Und so hat eine fehlende Beschaltung dieses Eingangs eine Verfälschung des Ergebnis zur Folge, da kein realer Schaltpegel (1 = High oder 0 = Low) in Form von Spannung als Bedingung anliegt. Ein Logik-Baustein kann zudem aus mehrere voneinander unabhängige Logik-Gatter bestehen, wobei auch nur ein einzelnes Gatter in der Schaltung verwendet werden kann.
Der höchst zulässige Ausgangsstrom der hier verwendeten integrierten Bausteine ist oft nicht größer als 16 mA. Um die Bauteile nicht zu überlasten und zu zerstören, ist es empfehlenswert, beim Anschluß einer höheren Last, einen Schalttransistor als Treiber dem Ausgang nachzuschalten.
Funktion des Zählerbaustein SN7490
In der Digitaltechnik arbeitet man nur mit den Schaltzuständen High (H) und Low (L). Ein dezimales Zählen ist nicht möglich und so müssen die Zählimpulse unserer Schaltung zuerst in Dualzahlen umgesetzt werden. Die Umwandlung der Zählimpulse in Dualzahlen übernimmt dabei der Zählerbaustein SN7490. Der Aufbau dieses Bausteins besteht aus vier hintereinander geschalteten Bistabilen Kippstufen (FlipFlops). Diese Kippstufen sind negativ flankengesteuert, d.h. sie schalten erst in den jeweiligen anderen Schaltzustand, wenn der Eingangsimpuls wieder den Low-Pegel (L) erreicht.
Für die Ausgabe der Dualzahlen stehen dem Zählerbaustein vier Ausgänge zur Verfügung, an deren Anschlüsse (QA - QD) der jeweilige Binärcode entsprechend der oberen Tabelle, als Low- (L = 0) und High-Pegel (H = 1) ausgegeben wird.
Die Zählimpulse werden dabei ausgehend vom ersten Flipflop in einem Verhältnis von 1 : 2 auf das Zweite, 1 : 4 auf das Dritten und 1 : 16 auf das vierte Flipflop übertragen. Erhält das erste FlipFlop einen Impuls, so schaltet dessen Ausgang erst in den H-Pegel, wenn das Eingangssignal wieder L-Potenzial erreicht hat (z.B. beim Ein- Aus Taster, wenn wieder Schalterstellung "Aus" erreicht ist). Solange das erste FlipFlop ein H-Potenzial aufweist, geschieht vorerst am zweiten FlipFlop nichts. Bei einem weiteren Impuls schaltet das erste FlipFlop wieder in den L-Pegel. Dies erzeugt gleichzeitig den Schaltimpuls für das zweite FlipFlop, dessen Ausgang nun den H-Pegel aufweist. Nach zwei Impulsen befindet sich nun der Ausgang des ersten FlipFlop im L-Pegel (QA = 0) und der Ausgang des zweiten FlipFlop im H-Pegel (QB = 1). Verglichen mit der oberen Tabelle weisen nun die Ausgänge des Zählerbausteines die Dualzahl zwei auf.
Code-Umsetzer in Verbindung mit der Anzeige
Die Aufgabe des Code-Umsetzers SN7447 ist es, die ihm zugeführten Eingangsignale in Form von Dualzahlen (Binärcode) in einen Siebener-Code umzusetzen. Der Aufbau eines Code-Umsetzers besteht aus verschiedenen Logik-Gattern. Diese sind in ihrer Kombination so miteinander verknüpft, dass an den Ausgängen, zur Ansteuerung einer Sieben-Segment-Anzeige, die logisch richtigen Signalpegel zur entsprechenden Binärzahl ausgegeben werden.
Eine Sieben-Segment-Anzeige besteht aus sieben parallel geschalteten Leuchtdioden (LED), die so angeordnet sind, dass ein Ablesen von Dezimalzahlen möglich ist. Ihre sieben Eingänge sind mit den Ziffern A bis G gekennzeichnet und können kennzeichnungsgleich mit dem Code-Umsetzer verbunden werden. Abhängig von der Versorgungsspannung muss dabei allerdings noch für jedes einzelne Segment ein Vorwiderstand zwischengeschaltet werden.
Der komplette Aufbau - Zähler mit Ziffernanzeige
Im Grunde kann eine Zählerschaltung vielseitig eingesetzt werde. Sie kann beispielsweise auch in der Produktion Anwendung finden, wo an einer bestimmten Stelle des Fließbandes, eine Zählung von produzierten Gütern stattfinden soll. Die Auslösung des Impulses, kann statt mittels Tastschalter auch durch eine Infrarot-Lichtschranken erfolgen. Sicherlich werden heutzutage solche Schaltungen durch den Einsatz eines Mikrocontroller und der EDV übernommen. Aber das grundlegende Prinzip und die Verarbeitung der Schaltimpulse bleiben dabei gleich.
Die einzelnen beschriebene Bauelemente der Schaltung wirken nun wie folgt zusammen:
- Der Tastschalter sorgt für den Eingangsimpuls (Zählimpuls)
- Zur Entprellung des Tastschalters ist eine Monostabile Kippstufe, bestehend aus zwei NOR-Gattern dem Zählerbaustein vorgeschalten
- Die Eingangsimpulse lösen den jeweiligen Schaltzustand des Zählerbausteines aus. An seinen Ausgängen werden die jeweiligen Low- und High-Pegel für die Dualzahl ausgegeben.
- Der Code-Umsetzer setzt die eingangsseitig vorhandenen Pegel der Dualzahl in einen Siebener-Code zur weiteren Verarbeitung um
- Die vom Code-Umsetzer gelieferten Pegel werden von der Sieben-Segment-Anzeige dargestellt
Eine übersichliche Einführung in die Digitaltechnik u. a. mit den Themen Grundgatter, Taktgeber, FlipFlops, Zähler und Dezimal-Decoder ist auf folgender Seite beschrieben: Grundlagen Digitaltechnik
Hinweise zum Aufbau: Der verwendete Tastschalter aus der EE2001 Serie, weißt ein äußerst unkontrolliertes Prellverhalten auf und kann auch nicht durch die nachgeschaltete Monostabile Kippstufe ordentlich entprellt werden. Beim Einsatz eines handelsüblichen Tastschalters läuft diese Schaltung dagegen problemlos.