5.11. Praktische Logikschaltungen mit IC's history Letztmalig dran rumgefummelt: 22.05.19 13:50:36 menue

Sowohl zur Entwicklung als auch zur Zusammenfassung logischer Schaltungen existieren Werkzeuge, welche den Weg von der Idee bis zur fertigen Schaltung wesentlich verkürzen können. Diese zu finden sowie konsequent einzusetzen gehört zum Grundwissen für die Technische Informatik.
0. Logikschaltungen womit?
1. Schaltplan entwickeln - Basisfunktionen
2. Besonderheiten der IC-Typen
3. Schaltung an IC-Typen anpassen
4. IC's ersetzen und so weiter verkürzen
5. Beispielschaltungen
6. Verwandte Themen

die Elektronikseiten

Installation von Logikschaltungen

inhaltlich auf korrektem Stand - evtl. partiell unvollständig ;-)

Wissen für Fortgeschrittene der Informatik

Quellen:


0. Logikschaltungen womit? history menue scroll up
An dieser Stelle reden wir von echten Dino's der Mikroelektronik - und unverdrossen werden diese seit nunmehr 52 Jahren nahezu unverändert hergestellt. Leider sind sie vergleichsweise wesentlich teurer, als ein kleiner Microcontroller, welcher zu wesentlich mehr in der Lage ist - das betrachten wir hier aber nicht. Sie öffnen den Blick für das Gesamtsystem "Logik"!

Praktischer Entwurf von Logikschaltungen

Logikaufbau mit IC's

TTL-Schaltkreise können eine Lösung sein, wenn man noch über 'ne "Bastelkiste" verfügt (... aber wer hat so etwas 2019 schon noch???)   ;-)
Sie sind "stromintensiv" - alt, schnell - und somit immer noch da (zumindest partiell - der SN74LS192 wurde gerade jetzt abgekündigt - heißt: nicht mehr hergestellt)

TTL-Liste

 

TTL-Technologie

Liste meiner "Lieblings"-TTL-Digitalschaltkreise: 7400, 7402, 7404, 7408, 7410, 7411, 7414, 7420, 7421, 7427, 7430, 7450

... auch CMOS-Schaltkreise können eine Lösung sein, wobei bei diesen aus technischen Gründen im März 2019 noch sehr viele verfügbar sind.
Sie sind extrem sparsam - alt, relativ langsam - aber immer noch da.
Einige Logik-IC's sind gar nur noch als CMOS-Versionen verfügbar - muss man immer aktuell nachschauen - die Treiber sind es nicht - diese Eigenschaft ist den Low-Power-Shottkys vorbehalten.

CMOS-Liste

CMOS-Technologie

 

Schaltungen mit dem Experimentier-Schaltboard     Blueline-Dot-Matritzen

Standard-Experimentierplatine

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BlueLine LCD Dotmatrix EA W162B-BNLW


1. Schaltplan entwickeln - Basisfunktionen history menue scroll up
Hierzu gibt es verschiedenste "Spezialanwendungen" bis hin zu EAGLE als Elektronik-CAD-Software. Das wäre aber für unsere Zwecke sowie vor allem das Können und auch die reinen Möglichkeiten vollkommen überzogen. Das geht auch einige Nummern kleiner. SPL-Editor von ABACOM oder eben ein einfaches Grafikprogramm tun hier auch schon Abhilfe. Im dümmsten und somit gleichzeitig aufwändigsten Fall muss man die Schaltpläne eben ganz herkömmlich und analog auf Papier zeichnen - ergibt ja evtl. auch richtige Lösungen.
  • ganz so einfach ist die Praxis übrigens nicht - die Schaltungsvorschläge sind idealisiert und stark vereinfacht - sie sind instabil und schalten unter Extrembedingungen so nicht mehr zuverlässig
  • die Schaltungsvorschläge enthalten das Ausgangssignal und steuern zugleich noch eine Leuchtdiode - das ist in der Praxis völlig unzulässig - man verwendet so genannte BUS-Treiber - häufig gleich 8 Bit breit (eine Art Transistorstufen)
  • jeder einzelne Schaltkreis wird zusätzlich mit einem so genannten Stützkondensator versehen - dieser gewährleistet das "Durchsteuern" von L nach bzw. umgekehrt - dabei entstehen im Nanosekundenbereich kurze Spitzenströme - Spikes - diese müssen stromtechnisch abgefangen werden
  • auch die Eingabesignale sind durch das D-Flip-Flop stark reduziert - in der Praxis dürfen auf mehrere Millionen Schaltvorgänge keine "Fehlfunktion" stehen - das kann unsere Schaltung so nicht sicher leisten
Schaltpläne im CorelDraw 11.0-Format entwickelt
Wichtige IC Praktische Eingangsbeschaltung mit Widerstand und Negator Vereinfachte Eingangsschaltung via D-FF Ausgangs-Signal Anzeige

Übersicht digitale IC - Stand Februar 2019

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Schaltung für maximal 6 Eingänge mittels Negator

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Schaltung für maximal 6 Eingänge mittels insgesamt 6 D-FF

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Schaltung für maximal 6 Ausgänge auf "H-aktiv"

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Ersatz- & Erweiterungsschaltungen mit Standard-IC's Praktische Eingangsbeschaltung mit Widerstand und Negator Vereinfachte Eingangsschaltung via D-FF ???

Übersicht Ersatzschaltungen für Basis-IC's  - Stand Februar 2019

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Übersicht Ersatzschaltungen für Basis-IC's  - Stand Februar 2019

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Übersicht Ersatzschaltungen für Basis-IC's  - Stand Februar 2019

 

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???

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  • ... einige der Schalkreise sind so richtige "Universalgenies" - andere lassen sich durch "Standards" ersetzen
  • ... einige haben eine große Anzahl von Eingängen, was für reale Logikschaltungen sehr wichtig ist
  • ... der SN74LS00 (vier zweifach Eingangs-NAND), der SN74LS11 (drei dreifach Eingangs-AND)
  • ... der SN74LS40 (zwei vierfach Eingangs-NAND)
  • ... der SN74LS40 (zwei vierfach Eingangs-NAND) mit Treiberstufen
  • ... der SN74LS260 (zwei fünffach Eingangs-NOR)
Spezielle TTL-IC's und Schaltungen im CorelDraw 11.0-Format entwickelt

... alles wirklich Wichtige können die Schaltungen oben bereits - die hier sind etwas spezifischer und tangieren die praktischen Anwendungen. Für den Anfang ist das oben genannte völlig hinreichen und wenn mal ein Bit zurück kippt, wird es eben neu gesetzt. Das sind allerdings Eigenschaften, welche die industrielle Steuerung so nicht akzeptieren kann. Die Schaltungen sind instabil - und das liegt daran, dass wir an ein logisches Signal eine Last hängen, welche Strom zieht und damit die sauben Pegel, welche in ihren Spannungsbereichen sehr genau definiert sind, verfälschen (fließt ein großer Strom, so fällt die Spannung ab - Kurzschluss-Prinzip!).

Wichtige IC spezielle IC Praktische Eingangsbeschaltung mit Verstärkern (Treiber) Praktische Eingangsbeschaltung mit Zähler- und Siebensegment-DECODER Eingangs-Signal Anzeige

Übersicht spezielle digitale IC - Stand Februar 2019

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Schaltung für maximal 6 Eingänge mittels Negator

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Schaltung für maximal 6 Eingänge mittels insgesamt 6 D-FF

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Schaltung für maximal 6 Eingänge mittels insgesamt 6 D-FF

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  • ... die meisten IC's kosten derzeit unter 1,- € - leider sind die besonders beliebten nicht mehr verfügbar - auch wurden einige davon ausschließlich in der DDR als "Sondertypen" produziert - die erzielen derzeit exotische Summen (... gibt's ja nur noch in Resten!)
  • ... hier sind kleine technische "Wunderwaffen" vertreten - auf diesem Niveau nicht nur logisch intelligent, sondern auch richtungsabhängig (bidirektional)
  • ... bei Anwendung dieser Bauelemente müssen Stützkondensatoren pro IC verwendet werden und ein größerer Kondensator für die Gesamtschaltung, da die Schaltkreise nun auch "Lasten" schalten müssen  - und damit sind die elektrischen Eigenschaften grundsätzlich anders
  • ... auch künftig sind die Treibereigenschaften (... nichts weiter, als allerdings raffiniert organisierte Verstärker) einiger dieser Typen von großer technischer Bedeutung (... heute sind sie bereits in vielen VLSI-Schaltkreisen von vorn herein mit integriert - Ports der Microcontroller)
  • ... einige haben Schmitt-Trigger-basierende Eingänge
  • ... viele haben Ausgangs-Leistungstreiberstufen - können also Strom für externe Quellen liefern (... das liegt aber immer noch im mA-Bereich!)
  • ... viele besitzen Tri-State-Eigenschaften - also neben "H" und "L" auch noch einen Sperrzustand (... da kommt nichts rein oder raus)
  • ... auch ein Latch (... ein Eingangsspeicher, welcher sich das anliegende Signal merkt, selbst wenn bereits ein neues Eingangssignal praktisch anliegt) ist in vielen IS integriert (Treiber, Register)
  • Schieberegister sowie Zähler bieten vielfältigste Funktionalität
  • ... die Decoder-Eigenschaften sind vielfältig - 1 aus n DECODER, BCD zu Siebensegment-Decorder - bis Three-Access-DECODER sind in der Palette
  • ... einige Schaltkreise sind in ihren Funktionen teilidentisch - können also ausgetauscht werden - nur wenige sind pingleich
Spezifika zu einigen der IC-Highlights:
  • ... das ist eine wirkliche "Hammersammlung" - leider ist eine Vielzahl davon klassisch nicht mehr verfügbar, da relativ bequem durch Microcontroller zu ersetzen sind
  • ... der SN74LS299 - ein universelles Rechts-Links Schieberegister mit seriell/parallele-Wandlerfunktion - schaltbar
  • ... der SN74LS245 bidirektionaler 8-Bit BUS-Treiber
Spezielle CMOS-IC's und Schaltungen im CorelDraw 11.0-Format entwickelt

... aufgrund ihrer extrem vorteilhaften Eigenschaften sind diese Käfer auch heute (50 Jahre nach ihrer Geburt) immer noch im Rennen bzw. in irgend einer Bastelkiste vorhanden. Ein paar Jahre Entwicklungs-Nachlauf haben deutlich erkennbar die kleinen Stolperstellen der bestehenden Standard-TTL-Serie erkannt und erfolgreich versucht, diese zu kompensieren.

Wichtige IC spezielle IC Prima IC's - sofern noch irgendwo zu finden - gibt's längst nicht mehr alle - wobei: ... ein wenig zu bedauern - die waren wirklich gut!!! Praktische Eingangsbeschaltung mit Zähler- und Siebensegment-DECODER Eingangs-Signal Anzeige

Übersicht spezielle digitale IC - Stand Februar 2019

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Schaltung für maximal 6 Eingänge mittels Negator

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Schaltung für maximal 6 Eingänge mittels insgesamt 6 D-FF

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Schaltung für maximal 6 Eingänge mittels insgesamt 6 D-FF

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  • ... hier sind kleine technische "Wunderwaffen" vertreten - auf diesem Niveau nicht nur logisch intelligent, sondern auch richtungsabhängig (bidirektional)
Spezifika zu einigen der IC-Highlights - einschließlich Preise sowie Verfügbarkeit (Stand: Mai 2019):
ROM & RAM - Speicher-IC's und Schaltungen im CorelDraw 11.0-Format entwickelt

... das sind nun schon Spezialbausteine - sie müssen in jedem Falle irgendwie programmiert werden (dafür gibt es aber verschiedene, bausteinspezifische Lösungen)

Wichtige Speicher-IC Praktische Eingangsbeschaltung mit Decodern und Treibern    

Übersicht ROM & RAM-IC - Stand Februar 2019

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Schaltung für maximal 6 Eingänge mittels Negator

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Schaltung für maximal 6 Eingänge mittels insgesamt 6 D-FF

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Schaltung für maximal 6 Eingänge mittels insgesamt 6 D-FF

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  • ... Speicher - egal aus welcher Ecke haben die dumme Eigenschaft, dass sie erst dann etwas sinnvolles tun, wenn sie entsprechend programmiert sind
Spezifika zu einigen der IC-Highlights:
Schaltpläne mittels ABACOM Schalplan-Editor
Wichtige IC      

Übersicht digitale IC - Stand Februar 2019

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Schaltpläne für Microcontroller - ist für die Spezies unter den Elektronikern ...
Logik für den PIC16F628 - gibt's noch nicht! PIN-Belegung eines kleinen Minimalisten mit großem Können    
 

logische Anordnung des PC16F826 zur IC-Raster-Verwendung

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Portkonzept eines "Alles-Könners" zum kleinen Preis Praktische Eingangsbeschaltung mit Widerstand und Negator    

logische Anordnung des PC16F876 zur logischen Verwendung

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Pin-äquivalente Anordnung des PC16F876 zur logischen Verwendung

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Logik für den PIC16F877 - gibt's noch nicht! PIN-Belegung eines großen Minimalisten mit maximalem Können    
 

Pin-äquivalente Anordnung des PC16F877 zur logischen Verwendung

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2. Besonderheiten der IC-Typen history menue scroll up
Den größten Anteil kann man derzeit noch mit Standard-IC-Typen der 74er TTL-Baureihe realisieren, auch wenn die Schaltkreise oft noch aus den Vorwendejahren und aus DDR-Produktion stammen. Sie funktionieren tadellos - ziehen nur einen größeren Betriebsstrom - sie sind aber auch höher an der Ausgangsseite belastbar.
Bauelementeauswahl zur technischen Realisierung der folgenden Projekte
7400/03 4 mal 2-Eingangs-NAND
7411 3 mal 3-Eingangs-AND
7427 3 mal 3-Eingangs-NOR
7432 4 mal 2-Eingangs-OR
7485 4-Bit-KOMPARATOR
74137 1 aus 8-DEMULTIPLEXER (DECODER) mit Adress-Latch und STROBE
74138; i8205 1 aus 8-DEMULTIPLEXER (DECODER) STROBE
74150 16-zu-1-MULTIPLEXER
74151 8-zu-1-MULTIPLEXER mit negiertem und nichtnegiertem Ausgang; STROBE
74153 Zwei 4-zu-1-MULTIPLEXER mit gemeinsamen Adresseingängen
74154 1 aus 16-DEMULTIPLEXER (DECODER) STROBE
74180 9-Bit-Paritätsgenerator/8-Bit Paritätsprüfer
74193 4-Bit-Binär-ZÄHLER/TEILER (synchron; voreinstellbar; zwei Takteingänge)
74299 8-Bit-SCHIEBEREGISTER (par. Eing./ser. Ausg.) Eingangsmultiplexer
74374 Acht D-Latches mit gemeinsamen Hyst.- Takt-Eing.
74518 8-Bit-KOMPARATOR
74800 3 mal 4-Eingangs-AND/NAND
74832 2 mal 5-Eingangs-OR
Pegelverhalten sowie Betriebsparameter einzelner Typengruppen Schmitt-Trigger Standard-TTL Low-Power-Shottky-TTL Complement-Metal-Oxid-Semiconductor Totem-Pole Ausgänge Open Collector-Stufen Tri-State

Schalteverhalten und Fertigungstechnologien

Schmitt-Trigger

TTL-Technologie

Low-Power-Schottky-TTL-Technologie

CMOS-Technologie

der Totem-Pfahl-Ausgang (Totem-Pole) - TP-Ausgang

Open Coellector-Stufen

Tri-State-Logo

 

Schnellübersicht zu den Besonderheiten der einzelnen Typen - diese sind 2019 auch wirklich alle so noch im Einsatz:
  • Standardbezeichnung lautet: SN74XX (SN steht für National Semiconductors) - das können auch andere Firmenbezeichnungen sein - in der DDR D 1XX
  • ... für alle Schaltungen werden die Einzel-IC's immer mit dem Standard bezeichnet - also SN 74XX  oder SN 74XXX (... oberhalb SN7499)
  • die Low-Power-Shottky Baureihe trägt die Bezeichnung SN74LSXX - in der DDR DL 0XX - oberhalb 099 dann DL XXX
  • bei Standard- und LS-Typen können nicht benötigte Eingänge offen gelassen werden - die interne Logik erkennt dies dann als "H"
  • der so genannte Lastfaktor beträgt max. 10 - heißt: an einem Ausgang dürfen 10 Eingangslasten gekoppelt sein
  • CMOS-Schaltkreise sind instabil wenn Eingänge offen sind - im Zweifelsfall beschalten, das reduziert die Fehleranfälligkeit
  • es gibt eine eigene Logik-Reihe in CMOS-Technologie (40XX - bzw. 40XXX) - ebenfalls heute noch gefertigt bzw. verfügbar - wichtig: im Spannungsbereich von ca. 5 Volt sind sie mit den Standard-IC's kombinierbar - allerdings ausgangsseitig nicht so hoch belastbar (... eine LED benötigt dann bereits einen Verstärker!)
  • in der DDR als V 40XX - bzw. V 40XXX verefügbar
  • in der DDR wurde eine kleine Reihe spezifischer Schalkreise innerhalb der 40XXX - Serie weiter entwickelt und und durch extrem gut durchdachte Zusatzfunktionen stark bereichert - dies kann man besonders gut an diesem Typ erkennen - mit Eingangs-Latch, da wurde trotz CMOS-Technologie die Treiberstufe in TTL realisiert und um den vollen HEX-Bereich ergänzt - V 40511
  • eine besondere Rolle spielt die HCT-Baureihe - hier wird erfolgreich versucht, die 74er-Baureihe mit günstigeren Betriebsverhalten auszustatten. - es ist die Baureihe 74XX mit CMOS-Eigenschaften - also extrem geringen Betriebsströmen
  • bezeichnet mit SN74HCTXX bzw. SN74HCTXXX
  • Tri-State-Ic's verfügen eben neben den allgemein bekannten Schaltzuständen "High", "Low" und "kaputt" noch über den vierten logischen Zustand eingangs- /und oder ausgangsseitig "floatend", was überstzt nichts weiter als "ZU" bedeutet

3. Schaltung an IC-Typen anpassen history menue scroll up
Hier steht uns vor allem das Problem im Wege, dass die logischen Gates mit den Eingangszahlen 2, 3, 4 oder 8 gefertigt werden. Dabei ist die 8 lediglich als NAND-Gate verfügbar und OR gibt's im erreichbaren Spektrum mit maximal 2 Eingängen - alternativ durch den SN74LS27 mit 3 Dreifach-OR zusammenfassen und anschließend negieren.
Suche den "Worst-Case" an Gate-Inputs sowohl in Sachen AND als auch OR (... klar, kann man alles mit SN7400 aufbauen - aber kurz ist das dann nur ganz, ganz selten). Also fange mit den großen Gates an!
Schaltpläne im CorelDraw 11.0-Format entwickelt
Maximal-Gates in der Schaltung suchen (z. B. in der ProfLab-Schaltung) Gates ersetzen - AND erweitern Gates ersetzen OR erweitern Gates ersetzen OR erweitern eingangsnegiertes NAND ergibt OR!

Beispielschaltung die maximalen Gates sind: 4-Eingangs-AND, 5-Eingangs-OR

Schaltung zur Erweiterung der Eingangszahl für AND-Gates

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Schaltung zur Erweiterung der Einganszahl eines OR-Gates

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Schaltung für maximal 6 Eingänge mittels insgesamt 6 D-FF

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4. IC's erstzen und so weiter verkürzen history menue scroll up
Die Problembeschreibung sowie auch die zugehörige Lösungsstrategie leiten sich aus den unter 3. geführten Aussagen ab. Nur müssen jetzt eben mehrere Schaltungen entworfen, aber mit den selben Eingängen verbunden werden. Die Logikschaltung entspricht der UND-Zusammenfassung der eingangsnegierten ODER-Logik.
Es werden alle Nullbesetzten Ausgänge in ihrer Eingangskombination negiert und
ODER-zusammengafasst. Alle Zeile werden über ein AND-Gate zum Ausgang y zusammengefasst.
Null-besetzte Ausgänge definieren logische Normalform entwickeln Logische Schaltung erstellen
     

5. Beispielschaltungen history menue scroll up
 

Logikprojekt Herbst 20015 von Anne Muth

       

6. verwandte Themen ... history menue scroll up
Statt wie in den Anfangszeiten der Elektronik (ca. um die 60er Jahre) palettenweise für jede Anwendung einen eigenen Schaltkreis auf den Markt zu bringen, geht man heute den Weg eher umgekehrt. Ein Baustein genügt, und was dieser machen soll, sagen wir ihm durch Programmierung. Das trifft sowohl auf programmierbare Logik-Arrays, wie auch auf EPROM-Logiken, jedoch besonders auf Mikrocontroller zu.

 Halbleiter

Integrierte Schaltkreise

 

Schaltkreisentwurf

Ziehen eines Silizium-Einkristalls nach dem Zonenfloating-Verfahren

fotolithografischer Prozess

Waferfertigung

Praktischer Entwurf von Logikschaltungen

C-Control-BASIC++

           


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© Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha © Frank Rost am 25. Januar 2019 um 10.43 Uhr

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

Diese Seite wurde ohne Zusatz irgendwelcher Konversationsstoffe erstellt ;-)