Löten logischer Schaltungen

[Nikolas]

Halle DPler

Ich betreue im nächsten Semester ein Tutorat in Technischer Informatik, in der es um den grundsätzlichen Aufbau eines Rechners geht. (Logische Schaltungen aus Transistoren, verschiedene Addierer, ALU-Entwürfe, repräsentation von Zahlen, billige Berechnung logischer Schaltungen usw. )
Nur leider habe ich keine Ahnung, wie man so was wirklich zusammenlötet. (Ist zwar überhaupt nicht Thema der Vorlesung, aber es wäre vielleicht motivierend für meine Teilnehmer (alles Ersties), wenn sie mal so eine Schaltung in den Händen hätten) und irgendwie kann es auch nicht sein, dass ich zwar Physik und Informatik studiere, aber nicht in der Lage bin, einen einfachen Taschenrechner zu bauen.

Was ich jetzt suche, ist Literatur, die grundlegende Fragen beantwortet: Welche Unterschiede gibt es z.B. bei Transistoren, welcher ist für welchen Einsatz geeignet, muss ich auf besondere Effekte achten (Widerstand davor/danach notwendig, oder so was). Worauf muss man beim Löten achten.

Hardware wie Lötkolben oder Platinenhalter habe ich noch nicht, aber da ich letztens Geburtstag hatte, habe ich ein bischen Geld zur Verfügung.

Hat da jemand Vorschläge? Vielleicht auch einen Bauplan mit genauer Materialliste? Ein Lieblingsbuch? Ein Buch, dass man lieber nicht kaufen sollte?

Nikolas

[Torpedo]

Kauf dir eine Steckplatine. Da kannst du alles draufstecken ohne zu löten und auch einfach Änderungen vornehmen.

Wegen Schaltungen und Theorie:
Das ist nicht so einfach wie es klingt.

Wenn du das folgende kannst, solltest du in der Lage sein zwei Zahlen (binär dargestellt) zu addieren und sie dann auf einer Siebensegmentanzeige anzuzeigen:

Binärsystem
Flip Flops
Logische Gatter (AND, OR, NOT,...)
KV-Diagramm
BCD-Code
Addierer-Schaltung (mit Flip Flops)


Achtung: Kabelsalat

[jfheins]

Also für nen ganz einfachen addierer (Hatten wir sogar letztens in der Vorlesung ) Könntest du ja mal damit anfangen, ,was du brauchst. Du brauchst irgendwelche Schalter oder Jumper, um die beiden Ausgangszahlen zu definieren. Dann natürlich eine Batterie, ,die die beiden Niveaus festlegt. Und dann deine paar Transistoren, und schließlich eine ausgabe. Das könnten z.B. LEDs sein.

Bücher kenn ich jetzt keine dazu, aber das dürfte eigentlich nicht so schwer sein - angesichts der Tatsache, dass mein bruder im Moment gerade seinen zweiten Gitarren-Röhren-Verstörker baut

Und ja - eine Steckplatine ist natürlich immer sehr nützlich

P.S.: Ich hab allerdings absolut keine Erfahrungen auf den Gebiet .......

[Nikolas]

@ Torpedo:
Die Schaltungen selbst machen mir keine Probleme, ich werde schließlich dafür bezahl, das ganze Zeug anderen beizubringen.

Wofür brauchst du FlipFlops bei einem Addierer? Ich hätte eher an einen Voll-, Carry-Ripple- oder ConditionalSumAddierer gedacht, da brauch ich nichts speichern und Gedanken um Schaltzeiten brauche ich mir auch nicht zu machen.

@ julius:

"irgendwelche Jumper oder Schalter" ist genau mein Problem. Wenn ich zum Elektr-Laden gehe, hat der eine ganz Wand voller Bauteile und ich weiss nicht genau, welches Teil ich da brauche. Ich benötige genaue Beschreibungen der Bauteile, mit denen ich dann erstmal anfangen kann.

[Torpedo]

Zitat von Nikolas:

Wofür brauchst du FlipFlops bei einem Addierer? Ich hätte eher an einen Voll-, Carry-Ripple- oder ConditionalSumAddierer gedacht, da brauch ich nichts speichern und Gedanken um Schaltzeiten brauche ich mir auch nicht zu machen.

Da ahst du recht. Habe ich wohl was ducheinander gebracht. Ist schon ein paar Jahre her Wir haben damals einen Rechner gebaut, bei dem man die Zahlen selbst eintippen kann, welche dann natürlich zwischengespeichert werden mussten.

Zum Addierer selbst, da haben wir Volladdierer benutzt. Dabei brauch man pro Bit eine Schaltung, welche jeweils ein Bit der Lösung und ein Übertrag-Bit für die nächste Bitschaltung als Ausgang hat. Das heißt man kann beliebig viele Bits addieren, muss einfach eine Schaltung dranhängen.

[jfheins]

Zitat von Nikolas:

@ julius:
"irgendwelche Jumper oder Schalter" ist genau mein Problem. Wenn ich zum Elektr-Laden gehe, hat der eine ganz Wand voller Bauteile und ich weiss nicht genau, welches Teil ich da brauche. Ich benötige genaue Beschreibungen der Bauteile, mit denen ich dann erstmal anfangen kann.

Hm ... also genauer will er es

Als Schalter kannst du ja z.B. solche nehmen: http://www.reichelt.de/?;ACTION=3;LA...tnr;OFFSET=16;
Aber es kommt halt drauf an, dass sie schalten

Dann eben einen Volladdierer - möchtest du n IC oder alles selber bauen?

IC z.B. http://www.reichelt.de/?;ACTION=3;LA...tnr;OFFSET=16;

Und als Ausgang .... kannste ja Glühbirnchen nehmen - die Laufen mit 3,5V oder so

Hast du eigentlich die Möglichkeit, die Platine zu ätzen oder musst du alle Leiterbahnen selbst löten?


Da ich sowas auch noch nie gemacht habe, kann ich dir natürlich kein Komplett-Set anbieten, dass du nurnoch zusammenbauen musst. Aber solange du aufpast, dass die Grenzwerte (z.B. von der Spannung) eingehalten werden (stehn im datenblatt) kann ja eigentlich beim herumexperimentieren nichts kaputtgehen

[shmia]

Zitat von Nikolas:

Ich hätte eher an einen Voll-, Carry-Ripple- oder ConditionalSumAddierer gedacht, da brauch ich nichts speichern und Gedanken um Schaltzeiten brauche ich mir auch nicht zu machen.

Dann brauchst du aber so viele Transistoren und Widerstände, dass du tagelang löten musst.
Durch diese Riesenschaltung stellt sich aber kein Lerneffekt, sondern höchstens Frustration ein!
mein Vorschlag:
1.) Negierer mit Transistorlogik (1 Transistor + 2 Widerstände) aufbauen
2.) ein 3-fach NOR-Gatter mit Transistorlogik aufbauen ( http://de.wikipedia.org/w/index.php?...17_Circuit.svg )
3.) ein Volladdierer nur mit NAND-Gattern aus der CMOS 4000er Serie aufbauen ( http://torabi.de/physik/projektlabor...lladdierer.pdf )
Lerneffekte:
- jede logische Schaltung lässt sich mit NAND-Gattern aufbauen
- Unterschied TRL, TTL und CMOS-Technik wird gezeigt
- wie geht man mit CMOS-ICs um und was sind die Vorteile von ICs allgemein
- Umformung von AND, OR Operationen nach NAND

[Nikolas]

So. Nach einer kleinen Recherche bin ich auf die 74F-Serie gestoßen, die in meine Richtung geht. Da gibt's z.B. ein and-Gatter mit 8 Eingängen und 4 Ausgängen. 5V Versorgungsspannung und eine Erde müssten sich eigentlich finden lassen. DataSheet 74F08

Für einen VollAddierer brauche ich 2And, 2XOR und ein Or-Gatter, für einen 2-Bit Addierer bräuchte ich also 5 Gatter.

Das Problem ist nur, dass ich damit ziemlich viele Kabel um die Bauteile rumlegen muss, da z.B. das Or-Gatter in beiden Volladdierern benutzt wird, so dass kein sauberer Aufbau zusammenkommt, an dem man noch was erkennen kann.

Kennt jemand eine Serie, bei der ich nur zwei oder vier statt gleich 8 Eingänge habe? Die muss ich dann zwar alle einzeln mit Spannung und Erde versorgen, aber das könnte ich dann auf der Platinenrückseite machen, damit es nicht allzu unaufgeräumt aussieht.

@shmia:
Ich hatte nicht vor, alles auf TransistorEbene zu bauen. Auf die anschließende Fehlersuche als Lötneuling habe ich sicher keine Lust, da gibt's ja nicht mal einen gescheiten Debugger, damit man die Schaltung Schritt für Schritt durchtesten kann

Könntest du mir sagen, wie die passenden Transistoren heissen? Bei reichelt finde ich es extrem schwer, Bauteile zu finden, wenn ich deren Namen noch nicht kenne.


Was hällst du von der 74F-Reihe?
Gerade habe ich noch bessere Bauteile gefunden:
single 2-Input or Gate

[shmia]

Zitat von Nikolas:

So. Nach einer kleinen Recherche bin ich auf die 74F-Serie gestoßen, die in meine Richtung geht. Da gibt's z.B. ein and-Gatter mit 8 Eingängen und 4 Ausgängen. 5V Versorgungsspannung und eine Erde müssten sich eigentlich finden lassen. DataSheet 74F08

Für einen VollAddierer brauche ich 2And, 2XOR und ein Or-Gatter, für einen 2-Bit Addierer bräuchte ich also 5 Gatter.

Die 4000er CMOS Serie ist wesentlich verbreiteter und billiger als die 74F-Serie.
Das IC mit der Nummer 4011 enthält 4 NAND-Gatter mit jeweils 2 Eingängen in einem Gehäuse.
Man bekommt es quasi überall nachgeworfen unter verschiedenen Bezeichnungen aber immer mit der Nummer 4011 im Namen.
http://www.datasheetcatalog.com/data...HEF4011B.shtml
Versorgungsspannung ist 5-15 Volt. Der sehr geringe Stromverbrauch erlaubt den Betrieb mit einer 9V-Blockbatterie.

Wie gesagt, mit NAND-Gatter kann man alle anderen Gatter nachbauen.
NOT -> NAND-Gatter, beide Eingänge zusammenschalten
OR -> 3 NAND-Gatter
XOR -> http://de.wikipedia.org/w/index.php?...ufbau_NAND.svg
Man braucht wirklich nur das IC 4011, aber davon halt mehrere Stück.

Zitat von Nikolas:

Das Problem ist nur, dass ich damit ziemlich viele Kabel um die Bauteile rumlegen muss, da z.B. das Or-Gatter in beiden Volladdierern benutzt wird, so dass kein sauberer Aufbau zusammenkommt, an dem man noch was erkennen kann.

So eine digitale Schaltung baut man mit Fädeltechnik. Die ICs werden auf eine Lochrasterplatine gelötet und von hinten mit dünnem Kupferlackdraht verbunden.
Optisch ist das zwar das volle Chaos, aber wenn man streng nach Plan vorgeht, stellt sich schnell der Erfolg ein.

[Nikolas]

Kennst du auch Bauteile, die nicht gleich vier Schaltungen beinhalten? Also so was wie 74LVC1G08? Bei diesem Bauteil habe ich das Problem, dass ich in z.B. bei Reichelt überhaupt nicht finde. (wobei ich den HEF4011B weder bei Conrad noch bei Reichelt finde. Da werde ich wohl mal zum Laden gehen müssen)