Zählerschaltungen - Alles in Stufen

 

Materialbedarf

 

Anz. Bezeichnung Datenblatt
1 Batterie/Spannungsquelle 9V  
2 CMOS-IC 4013
1 CMOS-IC 4069
1 CMOS-IC 4081
1 CMOS-IC 4518
8 Widerstand 470 Ohm  
1 Widerstand 47 kOhm  
1 Elektrolytkondensator 10 µF/16V  
8 Standard-Leuchtdiode 3mm oder 5mm 3mm, 5mm

 

 

Grundlagen

 

Mit digitalen Logikgattern lassen sich schon recht umfangreiche Schaltungen realisieren. Dank der FlipFlops ist es auch mögliche, bestimmte Zustände zu speichern. Aber irgendwann kommt man immer in die Situation wo man bestimmte Ereignisse zählen muss. Sei es nun das eine bestimmte Zeit 'abgezählt' werden muss, man die Anzahl der Werkstücke zählen muss oder ein anderes Ereignis erfassen muss. Um dies zu realisieren, gibt es die Zählerschaltungen. Diese arbeiten im Binärsystem.

 

Wer sich den Lehrgang 0 und 1 - Mehr gibt es nicht angesehen hat, wird noch wissen wie man im Binärsystem zählt. Nun braucht man nur eine Schaltung, die dieses System nachbildet.

 

Auch hierfür können wir unser schon bekanntes D-FlipDlop verwenden. Man kann im nebenstehenden Prinzipschaltbild schon gut erkennen, dass die invertierten Ausgänge auf die Dateneingänge zurückgeführt werden.

 

 

Ein Zähler entsteht

 

Anklicken um CMOS-Schnellübersicht zu sehenDa wir hier bei der einfachen Zählerschaltung, die Eingänge Set und Reset nicht benötigen, können wir diese wieder auf Nullpotential legen.

Bei dieser Schaltung wird auch das Taktsignal nicht mehr mit einem Taster eingegeben, sondern wir ergänzen den Versuch noch mit einem kleinen Taktgeber.

 

 

Wird dieser Aufbau in Betrieb genommen können wir nun an den Leuchtdioden D1-D4 genau die Binärzahlen ablesen.

Um die Funktionsweise einmal genauer zu verstehen, wird die Schaltung in den nächsten Grafiken genauer erklärt.

Auf die Darstellung der LEDs und des Taktgebers verzichten wir hierbei.

 

Wir nehmen erst einmal an, dass im Einschaltmoment alle Ausgänge auf 0 sind. Somit sind die invertierten Ausgänge auf 1. Da diese an den Dateneingang zurückgeführt werden, liegt auch an den Dateneingängen ein 1-Signal an.

 

Folgt nun ein Taktsignal, übernimmt die erste Stufe das anliegende 1-Signal am D-Eingang und der Ausgang wechselt entsprechend auch auf 1. Die LED D1 leuchtet auf. Gleichzeitig wird der Takteingang der 2. Stufe auf 0 gesetzt.

Wird der Takt nun wieder auf 0 gesetzt, bleibt dieser Zustand erhalten.

 

Beim nächsten Signal von der Taktquelle, wird nun das vorher anliegende 0-Signal am Dateneingang an der ersten Stufe an den Ausgang übernommen. Damit geht aber auch gleichzeitig der Takteingang der 2. Stufe auf ein 1-Signal. Dies ist für diese nun das Signal das aktuell noch anliegende 1.Signal am D-Eingang zu übernehmen und den Ausgang entsprechend durchzuschalten.

Dieses Prinzip setzt sich nun durch alle Stufen fort. Hier wurden 'nur' 4 Stufen verwendet. Aber der geübte Blick dürfte leicht erkennen, dass eine unendliche Erweiterung problemlos möglich ist.

 

 

Der Zähler wird begrenzt

 

Wer bei dem letzten Versuch mitgezählt hat, wird natürlich bemerken, dass der Zähler 16 Stufen besitzt. Also von 0 bis 15 zählt. Es gibt aber Anwendungen, wo wir z.B. nur die Zahlen 0-9 benötigen. Wir müssen also dafür sorgen, dass der Zähler nach der 9 wieder bei 0 anfängt. Dies ist relativ einfach möglich. Hierzu müssen wir aber ein zweites Steckboard anbauen.

 

 

Nun kann bei bei dieser Schaltung erkennen, dass der Zähler immer nur bis 9 zählt und dann wieder bei 0 anfängt. Dies haben wir dem zusätzlich UND-Gatter zu verdanken.

Die Schaltung arbeitet ganz normal bis der Zähler einen Wert von 10 erreicht hat. Da bei der 10 die Leitungen Bit 3 (=8) und Bit 1 (=2) gesetzt sind, ist die UND-Bedingung erfüllt und das Gatter gibt ein 1-Signal aus. Dieses führen wir nun an alle Reset-Eingänge der FlipFlops und der Zähler zeigt nun 0 an.

Die 10 sehen wir nicht mehr, da die Auswertung und der Reset so schnell geht, dass wir es nicht wahrnehmen können.

Das Ausgangssignal des Gatters können wir auch gleich als Taktsignal für weitere Zählschaltungen nehmen. So können wir mehrstellige Dezimalzähler aufbauen.

Um nun die beiden Zählerarten unterscheiden zu können, nennt man die Schaltung ohne Begrenzung einfach Binärzähler. Die Schaltung, welche nur bis 9 zählt wird Dezimalzähler oder auch BCD-Zähler genannt. Diese Bezeichnungsarten werden für uns später noch von Bedeutung sein.

 

 

Wir zählen anders herum

 

Es gibt diverse Anwendungen, wie Countdown-Zähler, Reststückzähler usw. da kommen wir mit dem bisherigen Zähler nicht weiter. Hier wird ein Zähler gebraucht der die Fähigkeit besitzt rückwärts zu zählen. Wie zählen wir aber rückwärts?

 

Um so eine Schaltung zu entwerfen, schauen wir uns erst einmal die verschiedenen Werte in der nachfolgenden Tabelle an. Hier sind die Zählstufen und der Zählerstand, einmal für den Aufwärts- und einmal für den Abwärtszähler, aufgezeigt.

 

Schritt

 Aufwärts Abwärts
0 0  = 0000 15 = 1111
1 1   = 0001 14 = 1110
2 2   = 0010 13 = 1101
3 3   = 0011 12 = 1100
4 4   = 0100 11 = 1011
5 5   = 0101 10 = 1010
6 6   = 0110 9   = 1001
7 7   = 0111 8   = 1000
8 8   = 1000 7   = 0111
9 9   = 1001 6   = 0110
10 10 = 1010 5   = 0101
11 11 = 1011 4   = 0100
12 12 = 1100 3   = 0011
13 13 = 1101 2   = 0010
14 14 = 1110 1   = 0001
15 15 = 1111 0   = 0000

 

Wenn man sich nun die Bitmuster der einzelnen Stufen genau ansieht, sieht man, dass bei einem Abwärtszähler der Wert im Grunde nur der invertierte Wert des Aufwärtszählers ist. Somit ist es auch schon klar, dass wir einen Abwärtszähler ganz einfach aufbauen können. Da wir hier FlipFlops verwenden, die schon einen invertierten Ausgang besitzen, ist es recht leicht aus unserem Aufwärtszähler, mit einem kleinen Umbau, einen Abwärtszähler zu machen.

 

 

Im Schaltplan kann man nun gut erkennen, dass die Leuchtdioden jetzt an die negierten FlipFlops-Ausgängen gehen. Die 'normalen' Ausgänge bleiben nun unbeschaltet.

Bei der Inbetriebnahme kann man nun gut die Zählerwerte von 15 bis 0, nach der Tabelle oben, beobachten.

 

 

Zähler kompakt

 

Anklicken um CMOS-Schnellübersicht zu sehenZählschaltungen werden in der Digitaltechnik am laufenden Band benötigt. Es währe daher doch sehr mühselig solche Schaltungen ständig mit einzel-FlipFlops aufzubauen. Dies ist natürlich auch nicht notwendig.

Es gibt für nahezu alle möglichen Zählarten fertige Schaltkreise die das aufbauen entsprechender Schaltungen doch erheblich vereinfachen. Ein sehr verbreiteter Zähler ist z.B. das CMOS-IC 4518. In dessen 'Brust' sind 2 Dezimalzähler vorhanden. Dieser Schaltkreis besitzt neben den 4 Ausgängen, einen Reset-Eingang und 2 Takteingange für positive oder negative Taktflanken.

 

 

Wie im Schaltplan und im Bauplan zu ersehen, ist der Aufbau relativ einfach. Da wir den Reset-Eingang nicht benötigen, müssen wir diesen auf GND legen. Ebenso wollen wir nur den Takteingang für negative Taktflanken, also zählen von 1 auf 0, verwenden. Somit müssen wir den Takteingang CP0 auf Masse legen.

Legen wir nun die Betriebsspannung an, können wir wieder unser Bitmuster mit den Werten von 0 bis 9 erkennen.

Bedingt durch die Pinbelegung des ICs sind die Leuchtdioden aber anders herum angeordnet. Die niederwertigste LED liegt hier links.

Was muss man den hier tun, wenn man mehrere Stufen hintereinander schalten möchte? Beim 4013 haben wir das Taktsignal vom UND-Gatter abgenommen. Hier fehlt so etwas aber.

Wie wir wissen, schaltet der 4518 immer eine Stufe weiter, wenn der Takt von 1 auf 0 wechselt. Schauen wir uns nun unsere Zählertabelle an, muss die nächste Dezimalstufe weiter schalten, wenn Bit 3 ausgeht. Damit haben wir dann auch die Lösung.

 

 

Hier wurde jetzt der Takteingang der zweiten Zählerstufe mit dem Bit 3 der vorhergehenden Stufe verbunden.

Die 2. Stufe wird jetzt immer um 1 erhöht, wenn die erste von 9 auf 0 wechselt.

Leider sind bei dem Aufbauplan die LEDs der zweiten Stufe wieder 'richtig herum' angeordnet. Aber das Prinzip dürfte trotzdem verstanden werden.

 

 

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