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1.4.13 Digitale Signalweiche

Erstellt ab Januar 2008

 

Wenn man anstatt eines Relais lieber ein paar ICs einsetzen möchte, um jeweils ein digitales Signal von zwei Ausgängen auf einen zu schalten, benötigt man zunächst einmal einen Überblick, was UND-Gatter, ODER-Gatter und NICHT-Gatter leisten.

 

Hier noch einmal die Schaltsymbole aller drei Gatter auf einen Blick:


Jetzt haben wir ja zwei Eingangssignale A und B, die wir je nach dem Zustand des Steuersignals C auf den Ausgang durchschalten wollen.

Hmm... "Zappralot"...

Da überlegen wir zunächst einmal, was ein UND-Gatter macht, wenn man an den einen Eingang das Signal legt und an den anderen Eingang "0" oder "1":


Wir sehen also: Nur wenn der Eingang "B" auf logisch "1" ist,  wird das Signal an "Q" weitergegeben.

Aha. Jetzt ist es ja so, dass wir zwei verschiedene Signale haben und jeweils eines davon auf den Ausgang Q schalten wollen. Also braucht man wohl zwei UND-Gatter dazu, um mal das eine Signal und mal das andere Signal durchschalten zu können.

Mal muss der "B-Eingang 1" auf Null sein und der "B-Eingang 2" auf 1 und mal umgekehrt.

Wir haben aber nur 1 Steuersignal "C". Was nun?

Nun gut, das will ich Dir gerne verraten, man kann dafür ein NICHT-Gatter benutzen.

Gut. Puzzlen wir das eben Gesagte mal zusammen:



Zunächst einmal liegt Punkt C über R1 an minus. Den R1 nennt man in diesem Fall einen Pull-Down-Widerstand, weil er die entsprechende Signalleitung auf minus zieht. Das Äquivalent, den Pull-Up-Widerstand gibt es auch, in diesem Fall wären R1 und S1 vertauscht und bei "S1 = offen" würde dann also eine logische 1 an C anliegen.

Aber bei uns liegt im Ruhezustand eine 0 an C an. Durch den Inverter 1 wird daraus eine logische 1. Also haben wir zunächst an B1 eine 1 und an B2 eine 0. Demnach würde also das Signal "Takt 1" am UND 1 durchgelassen und "Takt 2" an UND 2 gesperrt. Wenn man nun den Schließer S1 betätigt, ergibt sich das Ergebnis genau andersherum. Es fällt dann am Pull-Down-Widerstand die gesamte Betriebsspannung ab und das ergibt dann an C eine 1. Daraus ergibt sich dann schließlich: An  "UND 1"  wird gesperrt und an UND 2 durchgelassen.

Soweit, so gut.

Nun haben wir aber zwei Ausgänge, Q1 und Q2. Wir wollen doch aber nur ein Signal hinten "abzapfen".

Naja, könnten viele sagen, dann schließen wir halt beide Ausgänge parallel:



Das sieht gut und einfach aus, ist aber leider verboten. Was wäre denn, wenn Q1 gerade eine 1 führt und Q2 eine 0 zur selben Zeit? Na?

Richtig: Ein saftiger Kurzschluss, der das IC zerstören könnte.

Sicherlich gibt es Ausnahmen von diesem Verbot und in diesen Fällen darf man dann die Ausgänge doch wieder parallel anschließen, aber wir merken uns auf alle Fälle:

Gatterausgänge parallel schalten = Verboten!
Gattereingänge parallelschalten = Erlaubt!

So. Auch das noch! Was soll man jetzt bloß tun?

Naja, wir haben doch noch ein einfaches ODER-Gatter angesprochen. Und das setzen wir jetzt noch hinten dran:


So, den Signallaufplan unten drunter kennst Du schon, und Du solltest jetzt auch gut erkennen, dass man das Taktsignal mit dem Schalter S1 ganz einfach auswählen kann.

(ein ganz schnöder Schließer oder aber auch ein Controllerausgang oder ein Pin vom LPT-Port des PCs)

Am Ausgang Q steht es dann in bester TTL-Qualität zu Verfügung.

Noch ein Vorteil gegenüber einer Wechselschaltung mit einem Relais:

Je nach eingesetztem IC kann diese Schaltung wirklich sauschnell sein. Einige Megahertz bei den Takten und auch beim Umschalteingang sollten locker drin sein.

Versuche diese Frequenzen mal mit 'nem Relais... ...da wirst Du wohl stranden ...

Basteltipp:

1. Schließe zwei Tongeneratoren mit variabler Frequenz an A1 und A2 an und an Q einen Verstärker mit Lautsprecher oder Kopfhörer.
2. Jetzt ersetze noch zusätzlich S1 und R1 durch einen dritten Tongenerator mit variabler Frequenz.
3. Verstelle die Frequenzen und beobachte die Töne.

Welche Geräuschkulisse wird wohl entstehen?

Wie sind Interferenzen und Schwebungen zu erklären?

Möge Dir der "Ohrenschmaus" wohl bekommen. Wozu Du die Schaltung auch einsetzt, ich wünsche Dir viel Spaß.


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