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12.1.3 Digital-Experimentiersystem

Erstellt am  01.06.2011    © BEMA

Hallo zusammen,

hier möchte ich ein Projekt vorstellen, das ich als Techniklehrer mit Schülern realisiert habe.
Die erstellte Schaltung soll dazu dienen, die Funktionen elektronischer Bauteile für Schüler nachvollziehbar zu machen.

bema

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Digitaltechnische Anwendungen sind wesentlicher Bestandteil aller industriellen Bereiche und prägen und erleichtern auch mehr oder weniger unmittelbar das Leben der Menschen.
Was aber passiert eigentlich bei der Digitatechnik? Und was sind diese kleinen schwarzen Chips?
Antworten darauf gibt das Digitaltechnik-Experimentiersystem, das von Schülern einer 8. Klasse mitentwickelt und hergestellt wurde.
Es strotzt nicht gerade vor Ästhetik und Perfektion, macht aber digitaltechnische Schaltungen und die Funktionsweise von IC´s leicht nachvollziehbar.
Die Idee für dieses Experimentiersystem bekam ich durch das Buch "Einführung in die Digitalelektronik 1", welches von Jean Pütz herausgegeben wurde. Hierin wird ein ähnliches Experimentiersystem vorgestellt.


Das folgende Bild gibt einen ersten Eindruck von dem System:




Zu sehen ist eine "A (NICHT) ODER B" - Schaltung.
Die LED leuchtet, wenn Schalter A nicht betätigt ist oder wenn Schalter B betätigt ist.


Fangen wir aber vorne an:

Was ist Digitaltechnik?

Es erscheint immer wieder rätselhaft, aber tatsächlich können Computer nur zwischen zwei Zuständen unterscheiden: Ob Strom vorhanden ist oder nicht. Es gibt also nur diese zwei Zustände, die oft als "0" (kein Strom) und "1" (Strom vorhanden) bezeichnet werden.
Der Computer kann aber noch etwas mehr: Er kann die Nullen und Einsen miteinander verknüpfen und dann ein Ergebnis ausgeben. Es gibt im Prinzip nur drei Möglichkeiten für diese Verknüpfungen, sie lauten "UND", "ODER", "NICHT".
Die folgenden Beispiele sollen dir einen kleinen Eindruck davon geben, wie elektronische "Entscheidungen" mittels Verknüpfungen von Nullen und EINSEN zustande kommen.

  • Die UND-Verknüpfung
... eine Eisenbahn darf nur über die Kreuzung fahren, wenn Schranke 1 UND Schranke 2 die Straße absperren
... an einer Sschneidemaschine darf das Messer nur dann ausfahren, wenn der Bediener Schalter 1 UND Schalter 2 gedrückt hält

Hier werden also jeweils 2 Eingänge mit einem UND-Glied verknüpft, davon abhängig ist der Ausgang, also die auszuführende Aktion.

  • Die ODER-Verknüpfung
... ein Aufzug kommt dann, wenn entweder der Schalter auf der linken Seite ODER der Schalter auf der rechten Seite des Ganges gedrückt wurde...
...

  • Die NICHT-Verknüpfung
... Eine Alarmanlage soll ertönen, wenn NICHT die richtige Kombination eingegeben wurde....

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Das Experimentiersystem und seine Komponenten

Mit dem Experimentiersystem kannst du ebenfalls Informationen eingeben, verarbeiten und wieder ausgeben lassen.
   
An Rechenanlagen und Computern gibt es die folgenden Einheiten:
- die EINGABE (bei Computern z.B. per Tastatur, an Kaufhaus-Kassen per Strichcode-Scanner, usw.)
- die VERARBEITUNG (z.B. der eigentliche Computerprozesser)
- die AUSGABE (z.B. per Monitor, Drucker, usw.)

Die Eingabeeinheit


Zur Eingabe von Daten in unser Experimentiersystem haben wir Schiebeschalter gewählt, weil dadurch sehr leicht nachvollziehbar binäre Signale eingegeben werden können (Schalter aus (="0") oder Schalter an (="1").
Die Eingabeeinheit besitzt vier Schalter. Dies erlaubt allein 2 hoch 4, also 16 verschiedene Schalterstellungen. Die vier Schalter wurden mit A,B,C und D gekennzeichnet.

Damit wir optisch gut erkennen können, in welchem Zustand sich unsere Eingabeschalter befinden, haben wir hinter die Schalter Leuchtdioden geschaltet:
Wird der Schalter auf "an" gestellt, so dass Strom fließen kann, so signalisiert die LED durch Leuchten diesen "1"-Wert.
An den Lötnägeln rechts neben den LEDs liegt dann ebenfalls Strom an.

Auf dem Bild seht ihr, dass Schalter A und B eingeschaltet wurden.



Die Stromversorgung kann über eine 4,5V Flachbatterie erfolgen. Ich finde einen Transformator allerdings wesentlich praktikabler. Der Strom fließt über die Bananenstecker über Kupferleitbahnen, die in die Schlitze der Holzhalterung eingeklebt wurden. Auf den Rückseiten der Eingabe-, Verarbeitungs- und Ausgabeeinheiten sind ebenfalls Kupferleitbahnen angebracht. Durch bloßes Hineinschieben der Einheiten in die Halterung werden diese direkt mit Strom versorgt.

Durch diese Art der Stromversorgung erspart man sich eine Menge Anschlussdrähte, denn jede einzelne Einheit muss mit Strom versorgt werden.
Dies würde würde sehr viele verschiedene Leitungen erfordern, die beim Experimentieren nur zu verwirrendem Kabelgewirr führen würden.
 
 
Die Verarbeitungseinheit

Wie der Name schon sagt, werden in dieser Einheit die eingegebenen Informationen verarbeitet.
In den letzten Jahrzehnten wurden technische Bauteile immer kleiner und leistungsfähiger. Für Endverbraucher ist dies sehr nützlich und schön (Handys, Mp3-Player,...) allerdings wird es immer schwieriger zu verstehen, wie die Geräte, die wir täglich nutzen, funktionieren.

 
Daten werden unter anderem in sogenannten Mikrochips, den sogenannten ICs verarbeitet. Sie sind klein und lassen uns durch ihr bloßes Aussehen nicht unmittelbar erkennen, wie sie funktionieren. Genauere Informationen zu den verwendeten

ICs findest du hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Integrierter_Schaltkreis
und hier: http://de.wikipedia.org/wiki/Transistor-Transistor-Logik



Um die Funktionsweise von diesen Mikrochips besser zu verstehen, haben wir sie "größer" gemacht: Jeder unserer ICs hat 14 Anschlussbeine, die sehr nah beieinander liegen. Diese Anschlussbeine haben wir "entzerrt", in dem wir Lötnägel in der Original-Anordnung auf große Platinen gelötet haben. Den IC kann man in einen Sockel in der Mitte der Platine stecken. Die Anschlüsse im Sockel wurden mit den jeweiligen Lötnägeln verbunden: Das obere linke Anschlussbein des ICs entspricht damit dem oberen linken Lötnagel auf unserer Platine usw.

Da die Größe der ICs genormt ist, können wir ICs mit verschiedenen Funtionen auf den Sockel stecken.
Die Typbezeichnung auf dem IC gibt Aufschluss über Funktionsweise des ICs. So enthält ein IC mit der Bezeichnung "74HC08" zum Beispiel vier "UND-Glieder". Jedes dieser UND-Glieder hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Die jeweiligen Funktionen der ICs haben wir auf Pappschablonen gezeichnet. So können wir auf einen Blick erkennen, was der IC bewirkt und welcher Anschluss wie beschaltet werden muss.

Wir haben je eine Schablone für einen IC mit "UND", "ODER" und " NICHT"-Funktion erstellt.

 

Die Ausgabeeinheit
 


Als Ausgabeeinheit dient in unserem Fall eine 4fache LED-Anzeige. Die LEDs wurden mit den Bezeichnungen Z1 bis Z4 beschriftet.

Die drei Einheiten können nun aneinandergeschaltet werden und digitaltechnische aufgabenstellungen aufgebaut werden.
Es können auch 2 Verarbeitungseinheiten miteinander kombiniert werden, siehe erstes Bild auf dieser Seite.



Liebe Grüße,

BEMA


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