Reale Umsetzung des Schaltwerkes aus Übung 13

[AlexB]

Da im Laufe des Semesters in den Übungsgruppen mehrfach Fragen gestellt wurden, wie die in den Übungen behandelten Schaltungen denn "wirklich" gebaut werden bzw. aussehen, reiche ich, wie in meiner Donnerstagsübung angekündigt, den entsprechenden Schaltplan und Platinenlayout nach.

Das Schaltbild aus der 13. Übung

Graycodeschaltwerk - Übung.gif (17.94 KiB) 1553 mal betrachtet

Für die Übung war die Schaltung vereinfacht dargestellt. Damit sie aber tatsächlich funktioniert fehlen einige wesentliche Elemente:

• Eine Spannungsquelle. In dem Fall habe ich einen 9 V-Batterieblock vorgesehen
• Drei LEDs, die in einer Graycodesequenz aufleuchten sollen
• Ein Taster, um die Schaltung zu resetten, damit der Zähler wieder von Null beginnt. Bei Tastendruck leitet er die logische 1 an den CL-Eingang
• Ein Taktsignal. Hierfür wird der NE555 verwendet. Im Datenblatt (http://www.fairchildsemi.com/ds/NE/NE555.pdf) findet man auf Seite 5 bei Grafik 5 dafür die notwendige Beschaltung. Mit entsprechender Wahl der Widerstände und Kondensatoren kann man die Taktperiode einstellen. In diesem Fall sollte die Schaltung mit etwas mehr als 1 Hz laufen, d.h. die Sequenz würde in etwas weniger als einer Sekunde weiterzählen
• Damit Flipflops und Gatter richtig funktionieren muss auch die richtige Spannung anliegen. Ich habe TTL-Bausteine gewählt, die 5 V benötigen. Ein Spannungsregler, in dem Fall der 7805T reduziert die 9 V auf 5 V. Der NE555 verträgt laut Datenblatt Spannungen zwischen 4,5 und 16 V. Er hätte folglich abweichend vom untenstehenden Schaltplan auch direkt mit der Batterie verbunden werden können ohne durch den 7805T zu laufen

Fügt man dies alles zusammen und verdrahtet es, erhält man einen Schaltplan, der ungefähr so aussieht:

Der um die notwendigen Komponenten erweiterte Schaltplan

Graycodeschaltwerk - Schaltplan.gif (70.3 KiB) 1557 mal betrachtet

Von diesem Schaltplan ausgehend kann man nun beginnen, sich eine Platine zu layouten. Bauteile wie Flipflops oder Gatter gibt es oft in mehreren Gehäuseformen und Montagetechnicken, bekannte Beispiele sind DIP für Through Hole Technology oder SMD-Bauteile zur Oberflächenmontage (Dank an Attilu für den Hinweis, dass SMD keine Gehäuseform ist). Da die Platine einfach von Hand lötbar sein soll, habe ich DIP-Bauteile gewählt. Man kann nun beginnen, die Bauteile an ihren späteren Platz auf der Platine zu setzen. Ich habe die LEDs sowie den Taster an den unteren Rand geschoben, der Adapter für die Batterie findet links darüber Platz. Die vier identisch aussehenden Gehäuse am oberen Rand beherbergen die Flipflops sowie die Logikgatter (Im Schaltplan taucht nur ein AND-Gatter auf, das von mir gewählte Gehäuse beherbergt bspw. jedoch vier AND-Gatter, aus diesem Grund sind viele Pins im dritten Gehäuse von links unbenuzt). Rechts in der Mitte erkennt man den Takterzeuger NE555, das Bauteil links daneben ist der Spannungsregler. In Reihe liegen fünf Widerstände, darunter zwei Kondensatoren.
Nachdem man alle Bauteile wunschgemäß platziert hat, lässt man den Autorouter die Leitungen verlegen. Dabei entsprechen die roten Linien Leitungen auf der Ober-, blaue auf Leitungen auf der Unterseite der Platine. Wird von einer auf die andere Seite gewechselt, wird eine kleine leitfähige Bohrung ("Via") erstellt, sichtbar als kleine Kreise z.B. innerhalb der ersten zwei DIP-Gehäuse oben.
Bei komplexeren Schaltungen ist der Autorouter nicht in der Lage, alle Leitungen zu routen. In diesem Fall muss man selbst die Leiterbahnen ziehen. Hat man alle Leitungen verbunden, lässt man einen Design Checker prüfen, ob es keine unerlaubten Kreuzungen, Abstandsverletzungen etc. gibt. Wird dieser Test erfolgreich absolviert, sieht die Platine so aus:

Die fertig geroutete Platine

Graycodeschaltwerk - Platine.gif (37.84 KiB) 1558 mal betrachtet

Diese Layoutdatei kann man nun an entsprechende Unternehmen senden, die die Platine nach diesen Vorgaben fertigen. Sie bieten auch oft eigene, auf ihr Herstellungsverfahren ausgerichtete Design-Prüfdateien für die gängigen CAD-Programme an, damit man sein Layout vor dem Absenden kontrollieren kann. Gegen Aufpreis wird die Platine auch mit den geforderten Bauteilen bestückt, falls nicht bekommt man die vorgebohrte, mit Leiterbahnen versehene Platine nach einigen Tagen zugeschickt und kann die Bauteile selbst einlöten. Hat man auch diesen Schritt erfolgreich hinter sich gebracht, schließt man die Batterie an und stellt sehr wahrscheinlich erstmal fest, dass überhaupt nichts funktioniert.
Und aus diesem Grund studieren wir Informatik und nicht Elektrotechnik.



Den Schaltplan und das Layout habe ich mit der Software Eagle von Cadsoft erstellt. Es gibt sie für alle gängigen Betriebssysteme, die Light-Version gibt es als Freeware unter http://www.cadsoft.de

Für Fehler, Kurzschlüsse und Hausbrände, die durch die obige Schaltung entstehen wird keine Haftung übernommen

[Demmi]

Zunächst sage ich einmal vielen Dank für die interessentanten und umfangreichen Zusatzinfos zur TGdI-Übung. Mir zumindest macht das wirklich Lust auf mehr, und ich spiele fast schon mit dem Gedanken das mal in die Tat umzusetzen.
Ein paar Fragen hätte ich noch:
Was würden die hierfür benötigten Bauteile eigtl. so in etwa kosten?
Was kostet so eine Platine, die man dann per Post bekommt?
Wo bekommt man generell solches Zeug her (Platine, FlipFlops, Microcontroller, etc.)?
Wo gibts mehr Infos dieser Art (Einsteiger-Infos, Tutorials, usw.)?

Und aus diesem Grund studieren wir Informatik und nicht Elektrotechnik.

Da sag ich einfach mal: IST

[Stumpf.Alex]

Zunächst sage ich einmal vielen Dank für die interessentanten und umfangreichen Zusatzinfos zur TGdI-Übung. Mir zumindest macht das wirklich Lust auf mehr, und ich spiele fast schon mit dem Gedanken das mal in die Tat umzusetzen.
Ein paar Fragen hätte ich noch:
Was würden die hierfür benötigten Bauteile eigtl. so in etwa kosten?
Was kostet so eine Platine, die man dann per Post bekommt?
Wo bekommt man generell solches Zeug her (Platine, FlipFlops, Microcontroller, etc.)?
Wo gibts mehr Infos dieser Art (Einsteiger-Infos, Tutorials, usw.)?

Platinen professionell herstellen zu lassen ist recht teuer (Einzelstücke können schon um die 30-40€ kosten). Die Bauteile bekommt man alle bei Reichelt und Conrad. Einen Conrad-Shop gibt es sogar in Frankfurt, wo man solche Teile direkt einkaufen kann.

EDIT:

Mikrocontroller bekommst du verschiedenen Bezugsquellen (u.a. auch Conrad hat seine eigene Serie an Controllern)...hier eine Auswahl:
Embedit (Hier gibt es einen sehr gutes Atmel Board [atmega128])
Krause Robotik (Hier gibt es das Handyboard, für Einsteiger sehr zu empfehlen)
Micromaus
Robotikhardware (Hier ist eine wahre Fundgrube an Boards, die von einer Robotik-Community Roboternetz entwickelt wurden und noch werden. Das Forum ist sehr hilfreich und die Wiki bietet viel wissenswertes!)

[AlexB]

Was würden die hierfür benötigten Bauteile eigtl. so in etwa kosten?

Meist kosten die Bauteile wenige Euros oder Cents. Den NE555 gibt es beispielsweise bereits für 12 Cent.

Was kostet so eine Platine, die man dann per Post bekommt?

Unterschiedlich, ab etwa 40 € ist man gut dabei. Will man eine kleine Schaltung nicht gleich fertigen lassen, kann man sie auch eigenhändig auf ein Lochraster aufsetzen und die Verbindungen per Hand mit Fädeldraht herstellen. Das ist weitaus billiger.

Wo bekommt man generell solches Zeug her (Platine, FlipFlops, Microcontroller, etc.)?

Platinen fertigen unterschiedliche Hersteller, beispielsweise http://www.pcb-pool.de. Dort kann man auch schonmal ausrechnen, was eine Platine einer bestimmten Größe kosten wird.
Bauteile bekommt man entweder von Reichelt (http://www.reichelt.de), Conrad (http://www.conrad.de) oder den unzähligen anderen Elektronikhändlern.

Wo gibts mehr Infos dieser Art (Einsteiger-Infos, Tutorials, usw.)?

Bei Praktika, Seminaren und Projektarbeiten im Fachgebiet Deines Vertrauens - sehr zu empfehlen!
Eine hübsche Seite ist http://www.mikrocontroller.net, zum Einsteigen sind auch einige Wikipediaartikel ganz nützlich.

[H. Gregor Molter]

Hi AlexB,

Danke für den Thread. Sehr wissenswert für die Erstsemester.

Viele "Standard" Elektronikbauteile und z.B auch einen Atmel AtMega Mikrocontroller bekommt Ihr bei Zimmermann Elektronik hier in Darmstadt (http://www.zeg-shop.de). Kleinere Platinen lassen sich nach meiner Erfahrung bei http://www.mvpcb.de/ recht günstig anfertigen.

Einfache einseitige Platinen kann man auch mit mehr oder weniger minimalem Aufwand selbst herstellen. Falls dafür entsprechend viel Interesse von Euch StudentInnen besteht, könnte ich Euch anbieten Abends nach meiner Arbeitszeit, oder am Wochenende, mal einen kleinen Workshop hier in der Uni zu machen. Alles was man dafür braucht habe ich eigentlich zu Hause und könnte das mal mitbringen. Auch ist das meiste davon selbstgebaut, wie z.B. Belichtungsgerät.

Was Mikrocontroller angeht, finde ich den Atmega einfach Klasse. Er ist wiederbeschreibbar und kann sein Programm auch permanent, sprich über Stromverlust hinweg, behalten und kann leicht programmiert werden. Ein Programmieradapter ist für 5-10 EUR selbst gebaut. Er lässt sich nett in Assembler programmieren (macht Spaß) oder auch in Hochsprachen wie C (ist Komfortabel).

Wer aber mal richtig dolle mit Elektronik basteln möchte und das dann auch eher aus dem Amateurbereich heraus, sprich für das Berufsleben schon was lernen, den möchte ich auf FPGAs hinweisen. Die haben mehr "Rechenbums" und man kann das ganze Gattergedöns im Chip machen. Meist haben diese auch zig IO Leitungen damit man auch schön viel Hardware ranhängen kann . Hier verweise ich mal an unser entsprechendes "Asteroids" Praktikum, was immer im Sommersemester angeboten wird: http://www.vlsi.informatik.tu-darmstadt ... _area/sep/.