Was Sie außer der Platine des Lernpakets dafür benötigen, ist in Bild oben zu sehen. Da ist links eine Leitung mit Steckern zu erkennen. Diese dient zum Verbinden der Pins des Mikrocontrollers auf der Platine des Lernpakets mit einem Steckboard , auf dem sich eine Elektronikschaltung durch Stecken von Bauteilen und Leitungen aufbauen lässt. Außerdem benötigen Sie ein solches Steckboard (kleine Ausführung wie im Bild oder große Ausführung mit vielen Kontakten), die Leuchtdiode aus dem Lernpaket, den Widerstand von 10 k, einige kurze isolierte Drähte zum Verbinden sowie die CMOS-Ics 4081, 4071, 4093 sowie 4001, erhältlich z. B. bei Reichelt[2] oder Conrad[3].
Schaltplan
UND-Funktion, UND-Gatter
Zunächst soll die Schaltung aufgebaut werden. Dazu wird die achtadrige Adapterleitung an das Steckboard angeschlossen und das IC mit der Bezeichnung 4081 ( 4 UND-Gatter mit je 2 Eingängen) auf dem Steckboard platziert. Dabei ist auf die Markierung am IC zu achten, damit dieses richtig angeschlossen wird! Sie zeigt im Bild nach unten, wenn Sie nach den folgenden Bildern vorgehen. Die gilt auch für alle weiteren Experimente.
Folgende Verbindungen sind anschließend über isolierte Drahtstücke herzustellen : VCC mit Pin 14, GND mit Pin 7, PB0 mit Pin 1, PB3 mit Pin 2 , Katode (kurzes Ende) der Leuchtdiode mit GND, Anode (langes Ende)der Leuchtdiode über Widerstand 10 k an freie Kontaktreihe und von der ausgehend ein isoliertes Drahtstück als Prüfleitung für die Anzeige von Signalpegeln an einem Pin des Mikrocontrollers bzw. an einem Anschluss des 4081.
Anschluss der Adapterleitung und Einsetzen des 4081
Fertige UND-Verknüpfung mit zwei Eingängen (Pin 1 und 2) und dem Ausgang (Pin 3) des 4081
Hier ist die komplett gesteckte Schaltung der UND-Verknüpfung mit zwei Eingängen zu sehen. Die isolierten grünen Drähte führen zu den Eingängen 1 und 2, derjenige in der Farbe orange zu Pin 14 und der blaue zu Pin 7 des 4081. Der isolierte graue Draht ist derjenige, der zum Testen von Signalpegeln verwendet werden kann.
Anschließend kann mit der Software zum Lernpaket Mikrocontroller im Menüteil Interface-Funktionen (Handbuch S. 25 - 29) durch Ein - und Ausschalten von PB0 und PB3 die Funktion des UND-Gatters überprüft werden, wobei die Leuchtdiode mit dem Vorwiderstand von 10 k als Signalanzeige verwendet wird. Der noch freie Eingang ADC2 kann mit einem isolierten Draht zum Messen der Spannung an dem gerade mit ihm verbundenen Pin verwendet werden.Vergleichen Sie Ihre Beobachtungen bei diesem Experiment auch mit den Erklärungen im Kapitel 4.8 des Handbuchs zum Lernpaket.
Wenn Sie, wie es gerade erläutert worden ist, durch Umstecken der Drähte das 2. dann das 3. und schließlich das 4. UND-Gatter überprüft haben, wissen Sie ganz sicher, ob Ihr IC 4081 richtig funktioniert. Sie können also mit dem Lernpaket ohne eine zusätzliche Spannungsquelle Gatter mit 2 Eingängen in CMOS-ICs auf ihre richtige Funktion überprüfen. Die Belastung der Spannungsquelle des Lernpakets ist dabei minimal. Die Stromstärke im isolierten Draht, der auf dem Steckboard Pin VCC mit Anschluss 14 des 4081 verbindet, beträgt weniger als 0,5 mA. Auch die Stromaufnahme der LED ist gering. Sie leuchtet trotz des Vorwiderstands von 10 k mit etwa 0,3 mA noch ausreichend hell, um als Pegelanzeige zu dienen.
In einem Fachbuch von Ufermann [4] wird empfohlen, alle nicht benutzten Eingänge von CMOS-ICs mit + Ub (hier VCC) oder GND zu verbinden. Dies kann man mit isolierten Drahtstücken schnell durchführen, wenn man möchte. Es müssen also die Pins 5, 6, 8, 9, 12 und 13 mit GND verbunden werden, während das Gatter mit den Pins 1,2 und 3 für das Experiment zur Verfügung steht.
Zusatzversuche:
Der Pin 3 ist mit dem Pin 6 des 4081, sein Pin 5 mit PB4 und die Leuchtdiode mit Vorwiderstand ist an Pin 4 des 4081 anzuschließen. Schalten Sie darauf , wie es in Kapitel 3.1 des Handbuchs erläutert ist, PB0, PB3 und PB4 durch Anklicken ein (High-Pegel) und überprüfen Sie die Funktion des auf diese Weise entstandenen UND-Gatters mit 3 Eingängen.
Überlegen Sie, wie Sie die noch freien UND-Gatter im 4081 auch noch anschließen müssten, um ein UND-Gatter mit 5 Eingängen zu erhalten. Wenn Sie die Funktion noch überprüfen möchten, müssen Sie allerdings zwei der Eingänge des 5-fach-UND-Gatters über je einen isolierten Draht mit VCC(+ 5V) verbinden, da Sie nur PB0, PB3 und PB4 des Mikrocontrollers, also nur drei Ausgänge schalten können.
ODER-Funktion, ODER-Gatter
Bauen Sie die Schaltung wieder um wie beim ersten Versuch und überprüfen Sie, ob sie richtig funktioniert. Damit können Sie sicher sein, dass alle isolierten Drähte wieder richtig angeschlossen sind. Anschließend ziehen Sie die isolierte Leitung, die zu Anschluss 14 des 4081 führt, heraus, um auf diese Weise für das IC die Spannungsversorgung zu unterbrechen. Entnehmen Sie z. B. durch vorsichtiges Hebeln mit einem kleinen Schraubendreher das IC und setzen Sie an seiner Stelle das IC 4071 ein.
Sie können beschriebenen Experimente und Tests nun mit einem ODER-Gatter mit zwei Eingängen ausführen. Lesen Sie dazu die Ausführungen und Erklärungen im Kapitel 4.9 des Handbuchs zum Lernpaket.
Zusatzversuche:
Entsprechend den Ausführungen unter 1.2 können Sie nun mit dem IC 4071 ein ODER-Gatter mit 3 Eingängen durch Stecken von isolierten Drähten erhalten sowie ein ODER-Gatter mit 5 Eingängen.
NAND-Funktion, NAND-Gatter
Bauen Sie die Schaltung zurück in den Grundzustand und überprüfen Sie, ob sie richtig funktioniert. Anschließend ziehen Sie die isolierte Leitung, die zu Anschluss 14 des 4071 führt, heraus, um auf diese Weise für das IC die Spannungsversorgung zu unterbrechen. Entnehmen Sie das IC und setzen Sie an seiner Stelle das IC 4093 ein.
Sie können die beschriebenen Experimente und Tests nun mit einem NAND-Gatter mit zwei Eingängen ausführen.
Lesen Sie dazu die Erklärungen im Kapitel 4.8 des Handbuchs zum Lernpaket und vergleichen Sie diese mit Ihren Beobachtungen während des Experiments.
NOR-Funktion, NOR-Gatter
Setzen Sie an nun das IC 4001 ein. Sie können die beschriebenen Experimente und Tests nun mit einem NOR-Gatter mit zwei Eingängen ausführen. Vergleichen Sie die Eigenschaften des NOR-Gatters mit 2 Eingängen mit dem des ODER-Gatters mit 2 Eingängen bei den 4 möglichen Eingangssignalen.
Innenschaltung der in den Experimenten verwendeten ICs 4081, 4071, 4093 sowie 4001
Die 8-adrige Adapterleitung
Die achtadrigen Adapterleitung kann mit wenig Aufwand selbst hergestellt werden. Es wurden dafür zwei normale 8-polige IC-Fassungen, eine 8-polige Präzisions-IC-Fassung, ein Stück 8-adrige Flachbandleitung, zwei Winkel aus Kunststoff z. B. aus dem Rest eines Stück Kabelkanals o.ä. und etwas Lochrasterplatinenmaterial benötigt.
Die einzelnen Adern der Flachbandleitung wurden so angelötet, dass danach Pin 1 .. 8 der ersten IC-Fassung mit Pin 1.. 8 der zweiten verbunden war. Die beiden Winkel wurden jeweils an einer IC-Fassung seitlich angeklebt und am freien Schenkel des Winkels rechts in den Bildern unten ein rechteckiges Stück Platinenmaterial und auf diesem die Beschriftung der Pins.
Der Schenkel des Kunststoffwinkels, der dem Steckboard zugewandt ist, wurde bis auf ein kleines Stück abgeschnitten, damit er beim Einstecken von isolierten Drähten nicht im Weg ist, aber noch als Griff zum Einsetzen bzw. Herausnehmen des einen Adaptersteckers dienen kann.
Der andere mit der Beschriftung kann wegen des rechteckigen Stücks Lochrasterplatine an diesem angefasst werden, um ihn herauszuziehen bzw. ihn in der Präzisionsfassung der Platine des Lernpakets Mikrocontroller zu platzieren.
Im Bild ist außerdem eine Beschriftung (erstellt mit der Software Sprint-Layout 4.0 von ABACOM [5]) zu erkennen, die beim Einstecken von isolierten Drähten als Orientierungshilfe dient.
Bezugsquellen, Literatur:
[1] www.franzis.de
[2] www.reichelt.de
{3] www.conrad.de
[4] Ufermann „CMOS-Bauanleitungen", RPB 199, Franzis-Verlag , 1986
[5] www.abacom-online.de
