Zahlensysteme und Logik: Wiederholung und Übungsaufgaben
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Digitaltechnik, Zahlensysteme, Zweierkomplement, BCD-Code, Gray-Code, KV-Diagramm, Logikgatter, Multiplexer, Logikpegel, Übungsaufgaben, Prüfungsvorbereitung, Elektroniker für Geräte und Systeme
tl/dr; (ca. 76 min Lese- und Bearbeitungszeit): Wiederholung und Übungsaufgaben zu Zahlensystemen und Logik – von Dual-, Hexadezimal- und BCD-Code über Grundverknüpfungen, Wahrheitstabelle und KV-Diagramm bis zu Impulsdiagramm, Multiplexer, Logikpegeln und Stromlaufplan. Du rechnest Zahlen um, vereinfachst Funktionen, ergänzt Impulsdiagramme, bemisst Vorwiderstände und Pull-up-Widerstände und analysierst die Steuerlogik einer Füllpumpe mit Not-Aus. Zu jeder der 22 Aufgaben lässt sich eine Lösung einblenden [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 12.11.2026)
Diese Übungsaufgaben gehören zu den Artikeln Zahlensysteme und Codes: dual, hexadezimal, BCD, Gray-Code, Bit und Byte, Logische Verknüpfungen: Grundgatter, Wahrheitstabelle, Schaltalgebra und Impulsdiagramm, Schaltnetze: Codierer, Decodierer, Codeumsetzer, Digitalkomparator und Addierer und Logikfamilien und Pegel: TTL und CMOS, Datenblätter, Open-Collector, Tri-State und Lastfaktoren. Weitere Aufgaben findest Du in den Übungsaufgaben zu Zahlensystemen und Codes und den Übungsaufgaben zu logischen Verknüpfungen.
Schon fit in diesem Thema? Nutze die Kann-Liste und die Leitfragen unter dem Artikel als Checkliste, ob Du die relevanten Kompetenzen bereits hast.
Als Digitaltechnik-Grundlagen kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…
… Zahlen zwischen Dezimal-, Dual- und Hexadezimalsystem umrechnen und die nötige Bitzahl bestimmen.
… negative Zahlen im Zweierkomplement darstellen.
… BCD-, Gray- und 7-Segment-Code anwenden.
… die Grundverknüpfungen an Schaltzeichen, Wahrheitstabelle und Funktionsgleichung erkennen.
… Impulsdiagramme für eine Schaltung ergänzen.
Darüber hinaus kann ich als Digitaltechnik-Expertenwissen…
… aus einer Wahrheitstabelle die Normalform bilden und sie mit Schaltalgebra oder KV-Diagramm vereinfachen.
… Schaltungen mit NAND-Gattern allein aufbauen.
… Multiplexer und 7-Segment-Decoder einsetzen und Segmentwiderstände bemessen.
… Pegel von TTL- und CMOS-Bausteinen vergleichen und Open-Collector-Ausgänge mit Pull-up bemessen.
… eine Steuerlogik im Stromlaufplan analysieren und Drahtbruchsicherheit begründen.
Digitale Schaltungen kennen nur zwei Zustände. Zum Kernwissen der Geräte- und Systemtechnik gehören Umrechnungen zwischen Zahlensystemen, Codes, Grundverknüpfungen, Wahrheitstabellen und Funktionsgleichungen, Vereinfachung mit KV-Diagramm, Impulsdiagramme, Multiplexer und 7-Segment-Decoder sowie Pegel von Logikfamilien. Flipflops, Zähler und Schieberegister stehen in der Wiederholung Flipflops, Zähler und Schieberegister.
Dieser Artikel ist in neun Schritten aufgebaut. Schritt 9 verbindet alles in einem Stromlaufplan. Jeder Schritt beginnt mit einer kurzen Wiederholung, danach folgen Aufgaben:
gebundene Aufgaben (Auswahlaufgaben): Genau eine der fünf Antworten ist richtig.
ungebundene Aufgaben: Lösungsweg mit Ansatz und Ergebnis.
Die Lösung lässt sich unter jeder Aufgabe einblenden. Probiere es aber erst selbst. Die Lösungen sind immer gleich aufgebaut: Über jeder Aufgabe steht, was gegeben ist (Geg.), bei jeder Teilaufgabe, was gesucht ist (Ges.). Formeln stehen zuerst in ihrer Grundform; die Umstellung erfolgt mit Äquivalenzumformungen, die grau rechts neben dem senkrechten Strich stehen. Ergebnisse werden auf drei signifikante Stellen gerundet (\approx).
Schreibweise: UND \wedge, ODER \vee, Negation \overline{A}. Hexadezimalzahlen tragen den Index h, Dualzahlen den Index 2.
Du möchtest eigene Aufgaben zum Üben von einem KI-Sprachmodell generieren lassen?
Kopiere den Text in ein KI-Sprachmodell Deiner Wahl und passe Kompetenzstufe, Anzahl, Bearbeitungszeit und Szenario bei Bedarf an. Wie die Aufgaben aufgebaut sind, beschreibt der Artikel Wie sind die Aufgaben aufgebaut?. Prüfe die Ergebnisse mit dem Lehrartikel: KI-Sprachmodelle machen Fehler.
Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Zahlensysteme und Logik“.
Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.
Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/zahlensysteme-codes
- https://oer-informatik.de/logische-verknuepfungen
- https://oer-informatik.de/schaltnetze-decoder
- https://oer-informatik.de/logikfamilien-pegel
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/logik-zahlensysteme-uebungsaufgaben
Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Digitaltechnik
- Zahlensysteme
- Zweierkomplement
- BCD-Code
- Gray-Code
- KV-Diagramm
- Logikgatter
- Multiplexer
- Logikpegel
- Elektroniker für Geräte und Systeme
Kompetenzstufe: Kernkompetenz (alternativ: Basiskompetenz, Profilkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan
Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
danach frage.
1 Zahlensysteme
Grundlagen
Jedes Stellenwertsystem hat eine Basis b; die Stelle i (von rechts, beginnend bei 0) hat den Wert b^i.
| System | Basis | Ziffern | Beispiel (dezimal 45) |
|---|---|---|---|
| Dezimal | 10 | 0 … 9 | 45 |
| Dual (binär) | 2 | 0, 1 | 10\,1101_2 |
| Hexadezimal | 16 | 0 … 9, A … F | 2\mathrm{D}_\mathrm{h} |
Dual → dezimal: Stellenwerte addieren: 10\,1101_2 = 32 + 8 + 4 + 1 = 45.
Dezimal → dual: fortlaufend durch 2 teilen, Reste von unten nach oben lesen (Restwertmethode), oder größte Zweierpotenzen abziehen.
Dual ↔︎ hexadezimal: je vier Bit (von rechts) ergeben eine Hexziffer.
Wertebereich: Mit n Bit lassen sich 2^n Werte darstellen, vorzeichenlos 0 \dots 2^n - 1.
Negative Zahlen (Zweierkomplement): alle Bits invertieren und 1 addieren. Mit 8 Bit: -128 \dots +127; das höchste Bit ist das Vorzeichen.
Aufgabe 1.1 (gebunden)
Welchen Dezimalwert hat die Dualzahl 1011\,0110_2?
109
118
182
255
54
Richtige Antwort: 3
Geg.: 1011\,0110_2
Ges.: Dezimalwert
| Stellenwert | 128 | 64 | 32 | 16 | 8 | 4 | 2 | 1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Bit | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
128 + 32 + 16 + 4 + 2 = \underline{\underline{182}}
Damit ist Antwort 3 richtig. Antwort 1 (109) entsteht, wenn die Bitfolge von rechts gelesen wird (0110\,1101_2). Antwort 2 (118) verschiebt das höchste Bit auf den Stellenwert 64 (0111\,0110_2). Antwort 4 (255) ist der Wert, wenn alle acht Bit 1 sind. Antwort 5 (54) vergisst das höchste Bit (0011\,0110_2).
Aufgabe 1.2 (gebunden)
Welchen Dezimalwert hat die Hexadezimalzahl 3\mathrm{F8}_\mathrm{h}?
1016
3158
1008
776
248
Richtige Antwort: 1
Geg.: 3\mathrm{F8}_\mathrm{h}
Ges.: Dezimalwert
3 \cdot 16^2 + 15 \cdot 16^1 + 8 \cdot 16^0 = 768 + 240 + 8 = \underline{\underline{1016}}
Antwort 1. Antwort 2 (3158) setzt die Ziffern 3, 15, 8 dezimal hintereinander. Antwort 3 (1008) lässt die Einerstelle weg (3\mathrm{F0}_\mathrm{h}). Antwort 4 (776) lässt die Ziffer F weg (3 \cdot 256 + 8). Antwort 5 (248) ist nur \mathrm{F8}_\mathrm{h} ohne die höchste Stelle.
Aufgabe 1.3 (ungebunden, 8 Punkte)
Wandle 200 in eine Dual- und eine Hexadezimalzahl um. (2 Punkte)
Wandle 2\mathrm{A7}_\mathrm{h} in eine Dual- und eine Dezimalzahl um. (2 Punkte)
Ein Zähler soll Werte von 0 bis 5000 speichern. Bestimme die nötige Bitzahl. (2 Punkte)
Stelle -5 als 8-Bit-Zweierkomplement dual und hexadezimal dar und gib den Wertebereich einer vorzeichenbehafteten 8-Bit-Zahl an. (2 Punkte)
Geg.: 200; 2\mathrm{A7}_\mathrm{h}; Wertebereich 0 … 5000; -5 mit 8 Bit
a) Ges.: 200 dual und hexadezimal
Restwertmethode:
| Division | Ergebnis | Rest |
|---|---|---|
| 200 : 2 | 100 | 0 |
| 100 : 2 | 50 | 0 |
| 50 : 2 | 25 | 0 |
| 25 : 2 | 12 | 1 |
| 12 : 2 | 6 | 0 |
| 6 : 2 | 3 | 0 |
| 3 : 2 | 1 | 1 |
| 1 : 2 | 0 | 1 |
Reste von unten nach oben: 200 = \underline{\underline{1100\,1000_2}}. Vierergruppen: 1100 = \mathrm{C}, 1000 = 8, also \underline{\underline{\mathrm{C8}_\mathrm{h}}}. Probe: 12 \cdot 16 + 8 = 200.
b) Ges.: 2\mathrm{A7}_\mathrm{h} dual und dezimal
Jede Hexziffer ergibt vier Bit: 2 = 0010, \mathrm{A} = 1010, 7 = 0111, also \underline{\underline{10\,1010\,0111_2}}.
2 \cdot 256 + 10 \cdot 16 + 7 = 512 + 160 + 7 = \underline{\underline{679}}
c) Ges.: Bitzahl n für 0 … 5000
Der größte Wert 2^n - 1 muss mindestens 5000 sein:
\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} 2^n - 1 & \geq & 5000 & \color{gray}{+1} \\ 2^n & \geq & 5001 & \color{gray}{\log_2} \\ n & \geq & \log_2 5001 \approx 12{,}3 & \end{array}
Probe: 2^{12} = 4096 reicht nicht, 2^{13} = 8192 reicht.
Es werden \underline{\underline{13\ \text{Bit}}} benötigt (Wertebereich 0 … 8191).
d) Ges.: -5 im 8-Bit-Zweierkomplement; Wertebereich
| Schritt | Bitmuster |
|---|---|
| +5 | 0000\,0101 |
| invertieren | 1111\,1010 |
| +1 | 1111\,1011 |
-5 = \underline{\underline{1111\,1011_2 = \mathrm{FB}_\mathrm{h}}}. Probe: 1111\,1011_2 + 0000\,0101_2 = 1\,0000\,0000_2; der Übertrag entfällt, das Ergebnis ist 0.
Wertebereich vorzeichenbehaftet mit 8 Bit: \underline{\underline{-128 \dots +127}} (-2^7 \dots 2^7 - 1).
2 Codes
Grundlagen
| Code | Merkmal | Anwendung |
|---|---|---|
| BCD (8-4-2-1) | jede Dezimalziffer einzeln in 4 Bit | Anzeigen, Zähler, Drehschalter |
| Gray-Code | benachbarte Werte unterscheiden sich in genau einem Bit | Drehgeber, Positionsmessung |
| 7-Segment-Code | ein Bit je Segment a … g | Ziffernanzeigen |
| ASCII | 7 Bit je Zeichen (z. B. „A“ = 41_\mathrm{h}) | Textübertragung |
BCD verschenkt Kombinationen: Die Werte 1010_2 \dots 1111_2 sind keine gültigen Ziffern.
Dual → Gray: Das höchste Bit bleibt, jedes weitere Gray-Bit ist das Exklusiv-ODER des Dualbits mit seinem linken Nachbarn (G_i = B_{i+1} \oplus B_i).
Aufgabe 2.1 (gebunden)
Wie lautet die Dezimalzahl 59 im BCD-Code?
0011\,1011
0101\,1001
1001\,0101
0101\,1000
0011\,1001
Richtige Antwort: 2
Geg.: Dezimalzahl 59
Ges.: BCD-Darstellung
Jede Ziffer wird einzeln in 4 Bit umgesetzt: 5 = 0101, 9 = 1001, also \underline{\underline{0101\,1001}}: Antwort 2. Antwort 1 ist die Dualzahl 59 = 11\,1011_2. Antwort 3 vertauscht die Ziffern (95). Antwort 4 ist 58, Antwort 5 ist 39.
Aufgabe 2.2 (gebunden)
Warum verwenden Drehgeber für die Positionsmessung häufig den Gray-Code?
Er braucht für dieselbe Auflösung weniger Bit als der Dualcode.
Er kann ohne Decoder direkt auf einer 7-Segment-Anzeige ausgegeben werden.
Er enthält ein zusätzliches Prüfbit, das Übertragungsfehler erkennt.
Er entspricht für die Ziffern 0 bis 9 genau dem BCD-Code.
Zwischen benachbarten Werten ändert sich nur ein Bit, Ablesefehler werden vermieden.
Richtige Antwort: 5
Geg.: Drehgeber mit Gray-Code
Ges.: Begründung
Im Gray-Code ändert sich zwischen benachbarten Positionen genau ein Bit. Liegt der Abtaster genau auf einer Grenze, kann er nur den alten oder den neuen Wert lesen. Im Dualcode wechseln z. B. bei 0111 \to 1000 vier Bit gleichzeitig; mechanische Toleranzen erzeugen dann kurzzeitig falsche Werte wie 1111. Antwort 5 ist richtig. Antwort 1: Der Gray-Code braucht gleich viele Bit wie der Dualcode. Antwort 2: Für eine Anzeige ist ein 7-Segment-Decoder nötig. Antwort 3: Der Gray-Code hat kein Prüfbit. Antwort 4: Gray-Code und BCD-Code sind verschieden (z. B. ist 2 im Gray-Code 0011).
Aufgabe 2.3 (ungebunden, 6 Punkte)
Ein BCD-Drehschalter liefert 0100\,0111\,0011. Gib die Dezimalzahl an und stelle sie als Dualzahl dar. Vergleiche die Bitzahl. (2 Punkte)
Gib die Segmente an, die bei den Ziffern 4 und 7 leuchten. (2 Punkte)
Wandle die Dualzahl 0110_2 in den Gray-Code um. (2 Punkte)
Geg.: BCD-Wort 0100\,0111\,0011; Ziffern 4 und 7; 0110_2
a) Ges.: Dezimalwert, Dualzahl, Bitzahl
0100 = 4, 0111 = 7, 0011 = 3: Dezimalzahl \underline{\underline{473}}.
473 = 256 + 128 + 64 + 16 + 8 + 1 = \underline{\underline{1\,1101\,1001_2}}
Dual genügen \underline{\underline{9\ \text{Bit}}}, BCD braucht \underline{\underline{12\ \text{Bit}}}. BCD ist leichter anzuzeigen, aber weniger speichersparend.
b) Ges.: leuchtende Segmente bei 4 und 7
Ziffer 4: \underline{\underline{b,\ c,\ f,\ g}}
Ziffer 7: \underline{\underline{a,\ b,\ c}}
Hinweis: Manche Decoder zeigen die 7 zusätzlich mit Segment f; das ist ebenfalls richtig.
c) Ges.: Gray-Code von 0110_2
| Bit | B_3 = 0 | B_2 = 1 | B_1 = 1 | B_0 = 0 |
|---|---|---|---|---|
| Gray | G_3 = B_3 = 0 | G_2 = 0 \oplus 1 = 1 | G_1 = 1 \oplus 1 = 0 | G_0 = 1 \oplus 0 = 1 |
Ergebnis: \underline{\underline{0101}}.
3 Grundverknüpfungen
Grundlagen
| Verknüpfung | Zeichen im Kasten | Funktionsgleichung | Ausgang 1, wenn … |
|---|---|---|---|
| UND | & | Y = A \wedge B | alle Eingänge 1 |
| ODER | ≥1 | Y = A \vee B | mindestens ein Eingang 1 |
| NICHT | 1 mit Kreis | Y = \overline{A} | der Eingang 0 |
| NAND | & mit Kreis | Y = \overline{A \wedge B} | nicht alle Eingänge 1 |
| NOR | ≥1 mit Kreis | Y = \overline{A \vee B} | alle Eingänge 0 |
| XOR (Antivalenz) | =1 | Y = A \oplus B | die Eingänge verschieden |
| XNOR (Äquivalenz) | =1 mit Kreis | Y = \overline{A \oplus B} | die Eingänge gleich |
Der Kreis am Ausgang bedeutet Negation. NAND und NOR bilden jeweils allein ein vollständiges Verknüpfungssystem: Mit nur einer dieser Gattersorten lässt sich jede Funktion aufbauen.
Aufgabe 3.1 (gebunden)
Welche Verknüpfung liefert genau dann 1, wenn die beiden Eingänge verschieden sind?
UND
ODER
NAND
XOR
NOR
Richtige Antwort: 4
Geg.: Ausgang 1 bei verschiedenen Eingängen
Ges.: Verknüpfung
| A | B | UND | ODER | NAND | XOR | NOR |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
Nur XOR (Antivalenz) ist genau bei ungleichen Eingängen 1: Antwort 4. ODER ist zusätzlich bei A = B = 1 gleich 1, NAND zusätzlich bei A = B = 0. UND ist bei ungleichen Eingängen 0, NOR ebenfalls.
Aufgabe 3.2 (gebunden)
Welche Verknüpfung hat das Schaltzeichen mit „≥1“ im Kasten und einem Kreis am Ausgang?
ODER
NOR
NAND
XNOR
NICHT
Richtige Antwort: 2
Geg.: Kasten „≥1“ mit Kreis am Ausgang
Ges.: Verknüpfung
„≥1“ ist die ODER-Verknüpfung, der Kreis negiert den Ausgang: NOR, Antwort 2. ODER (1) hätte keinen Kreis. NAND (3) hat „&“ im Kasten, XNOR (4) „=1“, NICHT (5) „1“.
4 Wahrheitstabelle, Funktionsgleichung und Schaltung
Grundlagen
Die Wahrheitstabelle enthält alle 2^n Eingangskombinationen, geordnet wie Dualzahlen.
Disjunktive Normalform (DNF): Für jede Zeile mit Y = 1 wird ein UND-Term gebildet, in dem jede Variable einmal vorkommt (bei 0 negiert). Alle Terme werden ODER-verknüpft.
Aus der Funktionsgleichung entsteht die Schaltung: Negationen, dann UND-Terme, dann ODER.
Umgekehrt liest man aus einer Schaltung die Gleichung von den Eingängen zum Ausgang ab.
Aufgabe 4.1 (gebunden)
Welche Funktionsgleichung hat die Schaltung, und welchen Wert hat Y bei A = 0, B = 1, C = 1?
Y = (A \wedge B) \vee C; Y = 1
Y = (A \vee B) \wedge \overline{C}; Y = 0
Y = (A \wedge B) \vee \overline{C}; Y = 0
Y = (A \wedge B) \vee \overline{C}; Y = 1
Y = \overline{A \wedge B} \vee C; Y = 1
Richtige Antwort: 3
Geg.: Schaltung: A, B an UND-Gatter -K_1; C an NICHT-Gatter -K_2; beide an ODER-Gatter -K_3; A = 0, B = 1, C = 1
Ges.: Funktionsgleichung, Y
Y = (A \wedge B) \vee \overline{C} = (0 \wedge 1) \vee \overline{1} = 0 \vee 0 = \underline{\underline{0}}
Antwort 3. Antwort 1 übersieht das NICHT-Gatter -K_2 (dann wäre Y = 1). Antwort 2 vertauscht UND und ODER. Antwort 4 hat die richtige Gleichung, aber den falschen Wert. Antwort 5 negiert den UND-Term statt C.
Aufgabe 4.2 (ungebunden, 10 Punkte)
Drei Gassensoren A, B, C überwachen einen Raum. Um Fehlalarme durch einen defekten Sensor zu vermeiden, soll der Alarm Y nur ausgelöst werden, wenn mindestens zwei Sensoren melden (2-aus-3-Auswahl).
Stelle die Wahrheitstabelle auf. (3 Punkte)
Gib die disjunktive Normalform an. (2 Punkte)
Vereinfache die Funktionsgleichung. (3 Punkte)
Gib an, welche Gatter für die vereinfachte Schaltung nötig sind. (2 Punkte)
Geg.: drei Sensoren A, B, C; Alarm bei mindestens zwei Meldungen
a) Ges.: Wahrheitstabelle
| Nr. | A | B | C | Y |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 2 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 3 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 4 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 5 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 6 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 7 | 1 | 1 | 1 | 1 |
b) Ges.: disjunktive Normalform
Je Zeile mit Y = 1 ein UND-Term:
Y = \underline{\underline{(\overline{A} \wedge B \wedge C) \vee (A \wedge \overline{B} \wedge C) \vee (A \wedge B \wedge \overline{C}) \vee (A \wedge B \wedge C)}}
c) Ges.: vereinfachte Gleichung
Der Term A \wedge B \wedge C darf mehrfach verwendet werden (X \vee X = X). Er wird mit jedem der drei anderen Terme zusammengefasst:
\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} (\overline{A} \wedge B \wedge C) \vee (A \wedge B \wedge C) & = & (\overline{A} \vee A) \wedge B \wedge C = B \wedge C & \\ (A \wedge \overline{B} \wedge C) \vee (A \wedge B \wedge C) & = & A \wedge C & \\ (A \wedge B \wedge \overline{C}) \vee (A \wedge B \wedge C) & = & A \wedge B & \\ Y & = & \underline{\underline{(A \wedge B) \vee (A \wedge C) \vee (B \wedge C)}} & \end{array}
d) Ges.: Gatter
\underline{\underline{\text{Drei UND-Gatter}}} mit je zwei Eingängen und \underline{\underline{\text{ein ODER-Gatter}}} mit drei Eingängen. (Alternativ: zwei ODER-Gatter mit je zwei Eingängen nacheinander.)
5 Vereinfachen
Grundlagen
| Regel | Gleichung |
|---|---|
| Kommutativ, assoziativ, distributiv | A \wedge (B \vee C) = (A \wedge B) \vee (A \wedge C) |
| Ergänzung | A \vee \overline{A} = 1; A \wedge \overline{A} = 0 |
| Absorption | A \vee (A \wedge B) = A |
| De Morgan | \overline{A \wedge B} = \overline{A} \vee \overline{B}; \overline{A \vee B} = \overline{A} \wedge \overline{B} |
KV-Diagramm: Die Felder sind so angeordnet (Gray-Reihenfolge 00, 01, 11, 10), dass sich benachbarte Felder in genau einer Variablen unterscheiden; auch die Ränder sind benachbart. Man fasst möglichst große Blöcke aus 1, 2, 4, 8 … Einsen zusammen. In einem Block entfallen die Variablen, die sich darin ändern.
Aufgabe 5.1 (gebunden)
Welche Umformung entspricht dem Satz von De Morgan?
\overline{X \vee Z} = \overline{X} \wedge \overline{Z}
\overline{X \vee Z} = \overline{X} \vee \overline{Z}
\overline{X \wedge Z} = \overline{X} \wedge \overline{Z}
X \vee (X \wedge Z) = Z
\overline{X \vee Z} = X \wedge Z
Richtige Antwort: 1
Geg.: Satz von De Morgan
Ges.: richtige Umformung
De Morgan: Eine negierte ODER-Verknüpfung ist gleich der UND-Verknüpfung der negierten Variablen, \overline{X \vee Z} = \overline{X} \wedge \overline{Z} (entsprechend \overline{X \wedge Z} = \overline{X} \vee \overline{Z}): Antwort 1.
Antwort 2 behält das ODER bei (falsch, z. B. X = 1, Z = 0: links 0, rechts 1). Antwort 3 behält das UND bei. Antwort 4 ist eine falsch angewandte Absorption (X \vee (X \wedge Z) = X). Antwort 5 vertauscht nur das Zeichen und lässt die Negation der Variablen weg.
Aufgabe 5.2 (ungebunden, 10 Punkte)
Eine Funktion von vier Variablen (A höchstwertig, D niedrigstwertig) ist genau für die Eingangskombinationen mit den Dezimalwerten 0, 2, 5, 7, 8, 10, 13 und 15 gleich 1.
Trage die Funktion in das KV-Diagramm ein. (3 Punkte)
Bilde Blöcke und gib die vereinfachte Funktionsgleichung an. (4 Punkte)
Gib an, welche Variablen keinen Einfluss haben, und nenne ein einzelnes Gatter, das die Funktion bildet. (3 Punkte)
Geg.: Einsen bei 0, 2, 5, 7, 8, 10, 13, 15; A höchstwertig
a) Ges.: KV-Diagramm
| Dezimal | A\,B\,C\,D | Dezimal | A\,B\,C\,D |
|---|---|---|---|
| 0 | 0000 | 8 | 1000 |
| 2 | 0010 | 10 | 1010 |
| 5 | 0101 | 13 | 1101 |
| 7 | 0111 | 15 | 1111 |
b) Ges.: Blöcke und vereinfachte Gleichung
Roter Block (Mitte, 5, 7, 13, 15): B = 1 und D = 1; A und C ändern sich. Term B \wedge D.
Blauer Block (vier Ecken, 0, 2, 8, 10): Die Ränder sind benachbart. B = 0 und D = 0; Term \overline{B} \wedge \overline{D}.
Y = \underline{\underline{(B \wedge D) \vee (\overline{B} \wedge \overline{D})}}
c) Ges.: Variablen ohne Einfluss; Gatter
A und C haben keinen Einfluss. Y = 1, wenn B und D gleich sind: Das ist die Äquivalenz, Y = \overline{B \oplus D}. Die Funktion bildet ein einzelnes \underline{\underline{\text{XNOR-Gatter}}} mit den Eingängen B und D.
Aufgabe 5.3 (ungebunden, 6 Punkte)
Die Funktion Y = (A \wedge B) \vee C soll nur mit NAND-Gattern aufgebaut werden.
Forme die Gleichung mit dem Satz von De Morgan um. (3 Punkte)
Skizziere die Schaltung und gib die Zahl der NAND-Gatter an. (3 Punkte)
Geg.: Y = (A \wedge B) \vee C; nur NAND-Gatter
a) Ges.: Umformung
\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} Y & = & (A \wedge B) \vee C & \color{gray}{\text{doppelt negieren}} \\ Y & = & \overline{\overline{(A \wedge B) \vee C}} & \color{gray}{\text{De Morgan (innere Negation)}} \\ Y & = & \underline{\underline{\overline{\overline{A \wedge B} \wedge \overline{C}}}} & \end{array}
b) Ges.: Schaltung, Zahl der Gatter
NAND 1: Eingänge A, B → \overline{A \wedge B}
NAND 2: beide Eingänge an C → \overline{C} (NAND als Inverter)
NAND 3: Eingänge von NAND 1 und NAND 2 → Y
Es werden \underline{\underline{3\ \text{NAND-Gatter}}} benötigt (z. B. aus einem 74HC00 mit vier Gattern).
6 Impulsdiagramme
Grundlagen
Ein Impulsdiagramm zeigt die logischen Zustände über der Zeit. Man bestimmt den Ausgang abschnittsweise: In jedem Zeitabschnitt zwischen zwei Signalwechseln werden die Eingangswerte abgelesen und in die Funktionsgleichung eingesetzt. Laufzeiten der Gatter werden in Aufgaben meist vernachlässigt.
Aufgabe 6.1 (ungebunden, 6 Punkte)
Eine Schaltung bildet Y = (A \vee B) \wedge \overline{C}.
Ergänze den Verlauf von Y zwischen t_0 und t_8. (4 Punkte)
Gib an, in welchen Zeitabschnitten Y = 1 ist. (2 Punkte)
Geg.: Y = (A \vee B) \wedge \overline{C}; Signalverläufe nach Diagramm
a) Ges.: Verlauf von Y
| Abschnitt | t_0–t_1 | t_1–t_2 | t_2–t_3 | t_3–t_4 | t_4–t_5 | t_5–t_6 | t_6–t_7 | t_7–t_8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| B | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| C | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| A \vee B | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| \overline{C} | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| Y | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
b) Ges.: Abschnitte mit Y = 1
Y = 1 von t_1 bis t_3 und von t_6 bis t_7, also in \underline{\underline{3}} der 8 Abschnitte.
Aufgabe 6.2 (gebunden)
Welche Verknüpfung bildet das Gatter mit den Eingängen A, B und dem Ausgang Y?
UND
ODER
NAND
XOR
XNOR
Richtige Antwort: 4
Geg.: Impulsdiagramm mit A, B, Y
Ges.: Verknüpfung
| Abschnitt | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| B | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| Y | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
Y = 1 genau dann, wenn A \neq B: XOR, Antwort 4. UND (1) wäre nur bei A = B = 1 gleich 1. ODER (2) wäre bei A = B = 1 (Abschnitt 4) gleich 1, im Diagramm ist Y dort aber 0. NAND (3) wäre bei A = B = 0 gleich 1. XNOR (5) liefert genau den umgekehrten Verlauf.
7 Multiplexer und Decoder
Grundlagen
Multiplexer (MUX): schaltet einen von 2^n Dateneingängen auf den Ausgang. Die Steuereingänge bilden die Nummer des Eingangs als Dualzahl (S_1 S_0 = 10_2 wählt I_2).
Demultiplexer: verteilt einen Eingang auf einen von mehreren Ausgängen.
Decoder: aktiviert genau einen von 2^n Ausgängen (z. B. Adressdecoder 3 auf 8).
BCD-zu-7-Segment-Decoder: wandelt eine BCD-Ziffer in die Segmentsignale a … g. Bei gemeinsamer Kathode leuchtet ein Segment bei High, bei gemeinsamer Anode bei Low. Die Segmente werden über Vorwiderstände betrieben.
Aufgabe 7.1 (gebunden)
Bei einem 4:1-Multiplexer ist S_1 = 1 und S_0 = 0. Welcher Eingang liegt am Ausgang?
I_0
I_1
I_2
I_3
keiner, der Ausgang ist 0
Richtige Antwort: 3
Geg.: 4:1-MUX, S_1 = 1, S_0 = 0
Ges.: durchgeschalteter Eingang
S_1 S_0 = 10_2 = 2: Der Eingang \underline{\underline{I_2}} wird durchgeschaltet, Antwort 3. Antwort 2 (I_1) entsteht, wenn S_0 als höchstwertiges Bit gelesen wird (01_2). Ein MUX schaltet immer einen Eingang durch; Antwort 5 ist falsch.
Aufgabe 7.2 (ungebunden, 8 Punkte)
Eine 7-Segment-Anzeige mit gemeinsamer Kathode wird von einem BCD-zu-7-Segment-Decoder an 5 V angesteuert (High = 5 V). Jedes Segment hat U_\mathrm{F} = 2{,}0\ \text{V} und soll mit höchstens 10 mA betrieben werden.
Gib die leuchtenden Segmente für die Ziffern 2 und 9 an. (2 Punkte)
Berechne den Segmentvorwiderstand, wähle einen Wert aus der Reihe E12 und berechne den Segmentstrom. (3 Punkte)
Berechne den Strom durch die gemeinsame Kathode bei der Ziffer 8. (1 Punkt)
Begründe, warum nicht ein gemeinsamer Widerstand in der Kathodenleitung verwendet wird. (2 Punkte)
Geg.: gemeinsame Kathode; U_\mathrm{OH} = 5\ \text{V}; U_\mathrm{F} = 2{,}0\ \text{V}; I_\mathrm{F} \approx 10\ \text{mA}
a) Ges.: Segmente für 2 und 9
Ziffer 2: \underline{\underline{a,\ b,\ d,\ e,\ g}}
Ziffer 9: \underline{\underline{a,\ b,\ c,\ d,\ f,\ g}}
Hinweis: Ältere Decoder (z. B. 7447/7448) zeigen die 9 ohne Segment d; auch diese Antwort ist richtig.
b) Ges.: R_\mathrm{V}, E12-Wert, I_\mathrm{F}
\begin{aligned} &\text{(I)} && U_\mathrm{OH} = U_\mathrm{F} + U_\mathrm{R} \\ &\text{(II)} && U_\mathrm{R} = R_\mathrm{V} \cdot I_\mathrm{F} \end{aligned}
II in I:
\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} U_\mathrm{OH} & = & U_\mathrm{F} + R_\mathrm{V} \cdot I_\mathrm{F} & \color{gray}{-U_\mathrm{F}} \\ U_\mathrm{OH} - U_\mathrm{F} & = & R_\mathrm{V} \cdot I_\mathrm{F} & \color{gray}{:I_\mathrm{F}} \\ R_\mathrm{V} & = & \dfrac{U_\mathrm{OH} - U_\mathrm{F}}{I_\mathrm{F}} = \dfrac{5\ \text{V} - 2{,}0\ \text{V}}{10\ \text{mA}} = 300\ \Omega & \end{array}
Gewählt: \underline{\underline{R_\mathrm{V} = 330\ \Omega}} (nächster größerer E12-Wert, damit 10 mA nicht überschritten werden).
I_\mathrm{F} = \frac{U_\mathrm{OH} - U_\mathrm{F}}{R_\mathrm{V}} = \frac{3{,}0\ \text{V}}{330\ \Omega} \approx \underline{\underline{9{,}09\ \text{mA}}}
c) Ges.: I_\mathrm{K} bei Ziffer 8
Bei der Ziffer 8 leuchten alle sieben Segmente:
I_\mathrm{K} = 7 \cdot I_\mathrm{F} = 7 \cdot 9{,}09\ \text{mA} \approx \underline{\underline{63{,}6\ \text{mA}}}
Mit gerundeten Zwischenergebnissen ergibt sich: I_\mathrm{K} \approx 63{,}6\ \text{mA}
Ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich: I_\mathrm{K} = 7 \cdot 3\ \text{V} : 330\ \Omega \approx 63{,}6\ \text{mA}
d) Ges.: Begründung Einzelwiderstände
Mit einem gemeinsamen Widerstand teilt sich der Strom auf die leuchtenden Segmente auf: Bei der Ziffer 1 (zwei Segmente) wäre jedes Segment viel heller als bei der 8 (sieben Segmente). Außerdem verteilt sich der Strom wegen der Streuung der Flussspannungen ungleich (parallele LEDs ohne eigenen Widerstand). Mit je einem Widerstand pro Segment ist die Helligkeit unabhängig von der Ziffer.
8 Logikfamilien und Pegel
Grundlagen
Logische Zustände entsprechen Spannungsbereichen. Ein Ausgang garantiert Mindest- bzw. Höchstwerte, ein Eingang erkennt sicher nur Spannungen außerhalb des verbotenen Bereichs.
| Kennwert | TTL (74xx) | CMOS 74HC | CMOS 74HCT |
|---|---|---|---|
| U_\mathrm{OH,min} (Ausgang High) | 2,4 V | 4,4 V | 4,4 V |
| U_\mathrm{OL,max} (Ausgang Low) | 0,4 V | 0,1 V | 0,1 V |
| U_\mathrm{IH,min} (Eingang erkennt High) | 2,0 V | 3,5 V | 2,0 V |
| U_\mathrm{IL,max} (Eingang erkennt Low) | 0,8 V | 1,5 V | 0,8 V |
(TTL bei 5 V; 74HC/74HCT bei U_\mathrm{B} = 4{,}5\ \text{V} und sehr kleiner Last von 20 µA. Unter Last sinkt der High-Pegel: Bei 4 mA garantiert 74HC nur noch etwa 3,98 V. Im Zweifel gilt das Datenblatt.)
Störabstand: U_\mathrm{SH} = U_\mathrm{OH,min} - U_\mathrm{IH,min}, U_\mathrm{SL} = U_\mathrm{IL,max} - U_\mathrm{OL,max}.
Ein Ausgang kann einen Eingang nur sicher ansteuern, wenn U_\mathrm{OH,min} \geq U_\mathrm{IH,min} und U_\mathrm{OL,max} \leq U_\mathrm{IL,max}. HCT-Bausteine haben TTL-kompatible Eingänge.
Unbenutzte CMOS-Eingänge dürfen nie offen bleiben (undefinierter Zustand, Querstrom, Schwingen); sie werden an 0 V oder U_\mathrm{B} gelegt.
Open-Collector-/Open-Drain-Ausgänge ziehen die Leitung nur nach 0 V; ein Pull-up-Widerstand liefert High. Mehrere solcher Ausgänge an einer Leitung ergeben eine verdrahtete UND-Verknüpfung (wired AND): Die Leitung ist nur High, wenn kein Ausgang zieht. Man nutzt das auch zur Pegelwandlung.
Aufgabe 8.1 (gebunden)
Wie groß ist der Störabstand für High-Pegel, wenn ein TTL-Ausgang einen TTL-Eingang ansteuert?
2,0 V
2,4 V
0,8 V
4,4 V
0,4 V
Richtige Antwort: 5
Geg.: TTL: U_\mathrm{OH,min} = 2{,}4\ \text{V}; U_\mathrm{IH,min} = 2{,}0\ \text{V}
Ges.: U_\mathrm{SH}
U_\mathrm{SH} = U_\mathrm{OH,min} - U_\mathrm{IH,min} = 2{,}4\ \text{V} - 2{,}0\ \text{V} = \underline{\underline{0{,}4\ \text{V}}}
Antwort 5. Antwort 1 ist U_\mathrm{IH,min}, Antwort 2 ist U_\mathrm{OH,min}, Antwort 3 ist U_\mathrm{IL,max} und Antwort 4 der High-Ausgangspegel eines HC-Bausteins. Der Low-Störabstand ist bei TTL ebenfalls 0,4 V (0{,}8\ \text{V} - 0{,}4\ \text{V}).
Aufgabe 8.2 (gebunden)
Wie wird ein unbenutzter Eingang eines CMOS-Gatters beschaltet?
Er bleibt offen, weil CMOS-Eingänge keinen Strom aufnehmen.
Er wird fest mit 0 V oder mit der Betriebsspannung verbunden.
Er wird mit dem Ausgang desselben Gatters verbunden.
Er wird über einen Kondensator mit 0 V verbunden.
Er wird mit einem beliebigen anderen Signal verbunden.
Richtige Antwort: 2
Geg.: unbenutzter CMOS-Eingang
Ges.: Beschaltung
CMOS-Eingänge sind sehr hochohmig. Offen nehmen sie zufällige Potenziale an (Einstreuung, Ladung); beide Eingangstransistoren können halb leiten, es fließt Querstrom und das Gatter kann schwingen. Deshalb werden sie auf 0 V oder U_\mathrm{B} gelegt, so dass die Funktion nicht gestört wird (UND/NAND: an U_\mathrm{B}; ODER/NOR: an 0 V): Antwort 2. Antwort 1 nennt gerade die Ursache des Problems. Antwort 3 erzeugt eine Rückkopplung, Antwort 4 lässt den Eingang für Gleichspannung offen. Antwort 5 belastet das andere Signal und verändert die Funktion.
Aufgabe 8.3 (ungebunden, 10 Punkte)
Ein 3,3-V-Mikrocontroller (U_\mathrm{OH,min} = 2{,}9\ \text{V}, U_\mathrm{OL,max} = 0{,}4\ \text{V}) soll ein Gatter an 5 V ansteuern.
Prüfe, ob ein 74HC-Gatter sicher angesteuert wird. (2 Punkte)
Prüfe dasselbe für ein 74HCT-Gatter. (2 Punkte)
Alternativ wird ein Open-Collector-Transistor mit Pull-up nach 5 V verwendet. Der Transistor darf höchstens 8 mA bei U_\mathrm{OL} = 0{,}4\ \text{V} aufnehmen. Berechne den kleinsten Pull-up-Widerstand und wähle einen Wert aus der Reihe E12. (3 Punkte)
In der Praxis wählt man oft 4,7 kΩ. Nenne einen Vor- und einen Nachteil gegenüber dem Wert aus c) und erkläre die Funktion, wenn drei Open-Collector-Ausgänge an derselben Leitung liegen. (3 Punkte)
Geg.: µC an 3,3 V: U_\mathrm{OH,min} = 2{,}9\ \text{V}, U_\mathrm{OL,max} = 0{,}4\ \text{V}; Gatter an 5 V
a) Ges.: Ansteuerung 74HC
High: U_\mathrm{OH,min} = 2{,}9\ \text{V} < U_\mathrm{IH,min} = 3{,}5\ \text{V}. Das High-Signal liegt im verbotenen Bereich, das Gatter wird \underline{\underline{\text{nicht sicher}}} angesteuert. (Low: 0{,}4\ \text{V} \leq 1{,}5\ \text{V} wäre in Ordnung.)
b) Ges.: Ansteuerung 74HCT
High: 2{,}9\ \text{V} \geq 2{,}0\ \text{V}, Störabstand 0{,}9\ \text{V}. Low: 0{,}4\ \text{V} \leq 0{,}8\ \text{V}, Störabstand 0{,}4\ \text{V}. Das HCT-Gatter wird \underline{\underline{\text{sicher}}} angesteuert.
c) Ges.: R_\mathrm{P,min}, E12-Wert
Bei durchgeschaltetem Transistor gilt:
\begin{aligned} &\text{(I)} && U_\mathrm{B} = U_\mathrm{OL} + U_\mathrm{RP} \\ &\text{(II)} && U_\mathrm{RP} = R_\mathrm{P} \cdot I_\mathrm{max} \end{aligned}
II in I:
\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} U_\mathrm{B} & = & U_\mathrm{OL} + R_\mathrm{P} \cdot I_\mathrm{max} & \color{gray}{-U_\mathrm{OL}} \\ U_\mathrm{B} - U_\mathrm{OL} & = & R_\mathrm{P} \cdot I_\mathrm{max} & \color{gray}{:I_\mathrm{max}} \\ R_\mathrm{P,min} & = & \dfrac{U_\mathrm{B} - U_\mathrm{OL}}{I_\mathrm{max}} = \dfrac{5\ \text{V} - 0{,}4\ \text{V}}{8\ \text{mA}} = 575\ \Omega & \end{array}
Gewählt: \underline{\underline{R_\mathrm{P} = 680\ \Omega}} (560 Ω wäre zu klein). Strom damit: 4{,}6\ \text{V} : 680\ \Omega \approx 6{,}76\ \text{mA}.
Hinweis: Die Open-Collector-Stufe invertiert (µC High → Transistor leitet → Leitung Low). Das wird per Software oder mit einer zweiten Stufe ausgeglichen.
d) Ges.: Vor- und Nachteil 4,7 kΩ; Funktion mit drei Ausgängen
I = \frac{4{,}6\ \text{V}}{4{,}7\ \text{k}\Omega} \approx 0{,}979\ \text{mA}
Vorteil: geringerer Strom und geringere Verlustleistung, wenn der Ausgang Low ist; der Transistor wird kaum belastet.
Nachteil: Die Leitungs- und Eingangskapazitäten werden langsamer umgeladen; die Low-High-Flanke wird flacher (größere Zeitkonstante R_\mathrm{P} \cdot C), und die Leitung ist störempfindlicher.
Drei Ausgänge an einer Leitung: Sobald ein Transistor durchschaltet, zieht er die Leitung auf Low; High entsteht nur, wenn alle drei sperren. Das ist eine verdrahtete UND-Verknüpfung (wired AND). Kurzschlüsse zwischen den Ausgängen sind nicht möglich, weil kein Ausgang aktiv High treibt.
9 Steuerlogik in der Anwendung
Grundlagen
Signalgeber werden meist mit Pull-down-Widerstand (Schließer nach +5 V) oder Pull-up-Widerstand angeschlossen, damit der Eingang bei offenem Kontakt einen festen Pegel hat.
Drahtbruchsicherheit: Sicherheitsrelevante Signale (Not-Aus, Schutztür) werden so ausgeführt, dass der sichere Zustand bei 0 entsteht. Ein Not-Aus ist deshalb ein Öffner: Drahtbruch und Betätigung wirken gleich.
Ein Not-Aus muss nach DIN EN 60204-1 über sicherheitsgerichtete Technik (z. B. Sicherheitsschaltgerät) abschalten. Eine Gatterschaltung wie in Anlage 1 wertet nur zusätzlich das Signal aus.
Eine Steuerlogik analysiert man vom Ausgang rückwärts: Welche Bedingungen müssen gleichzeitig erfüllt sein?
Aufgabe 9.1 (ungebunden, 10 Punkte)
Der Not-Aus -S_1 schaltet die Pumpe zusätzlich über ein Sicherheitsschaltgerät ab (nicht dargestellt); die Logik wertet sein Signal für den Betrieb und die Meldeleuchte aus. -P_2 meldet „Anlage nicht betriebsbereit“.
Gib die Funktionsgleichungen für P und H an. (3 Punkte)
Bestimme P und H für die folgenden Fälle. (3 Punkte)
| Fall | N | T | S | V |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 2 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 3 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Begründe, warum der Not-Aus -S_1 als Öffner ausgeführt ist. (2 Punkte)
Erkläre die Aufgabe der 10-kΩ-Widerstände in der Eingangsbeschaltung. (2 Punkte)
a) Ges.: Funktionsgleichungen
P = \underline{\underline{N \wedge T \wedge S \wedge \overline{V}}} \qquad H = \underline{\underline{\overline{N \wedge T}}} = \overline{N} \vee \overline{T}
b) Ges.: P und H in den drei Fällen
| Fall | N | T | S | V | N \wedge T | P | H | Bedeutung |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | Pumpe läuft |
| 2 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | Tür offen, Meldeleuchte an |
| 3 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | Behälter voll, Pumpe aus |
c) Ges.: Begründung Öffner
Im Normalbetrieb ist der Öffner geschlossen, N = 1. Betätigen des Not-Aus und ein Drahtbruch in der Zuleitung führen beide zu N = 0 und schalten die Pumpe ab. Ein Fehler in der Leitung wird so sofort bemerkt und führt in den sicheren Zustand (Drahtbruchsicherheit). Mit einem Schließer würde ein Drahtbruch unbemerkt den Not-Aus unwirksam machen. Die eigentliche Not-Aus-Abschaltung erfolgt nach DIN EN 60204-1 zusätzlich über sicherheitsgerichtete Technik; die Gatter werten nur das Signal aus.
d) Ges.: Aufgabe der 10-kΩ-Widerstände
Die Widerstände sind Pull-down-Widerstände. Bei offenem Kontakt ziehen sie den Eingang auf 0 V und erzeugen ein definiertes Low; ein offener CMOS-Eingang hätte ein undefiniertes Potenzial. Bei geschlossenem Kontakt liegt der Eingang an 5 V; der Widerstand begrenzt den Strom auf 5\ \text{V} : 10\ \text{k}\Omega = 0{,}5\ \text{mA}.
Aufgabe 9.2 (ungebunden, 10 Punkte)
Verwende Anlage 1.
Die LED -P_2 hat U_\mathrm{F} = 2{,}0\ \text{V} und darf höchstens mit 8 mA betrieben werden. Der Ausgang von -K_5 liefert bei dieser Last U_\mathrm{OH} = 4{,}5\ \text{V}. Berechne den Vorwiderstand -R_5, wähle einen Wert aus der Reihe E12 und berechne den LED-Strom. (3 Punkte)
Die vier Eingänge werden als 4-Bit-Wort N\,T\,S\,V (N höchstwertig) gelesen. Gib das Wort dual und hexadezimal an, bei dem die Pumpe läuft. (2 Punkte)
Der Pull-down-Widerstand an S fehlt. Beschreibe die mögliche Folge. (2 Punkte)
Die Pumpe läuft nur, solange -S_2 gedrückt ist. Begründe das und nenne ein Bauelement, mit dem die Pumpe nach kurzem Tastendruck weiterläuft. (3 Punkte)
Geg.: U_\mathrm{OH} = 4{,}5\ \text{V}; U_\mathrm{F} = 2{,}0\ \text{V}; I_\mathrm{F,max} = 8\ \text{mA}; Eingangswort N\,T\,S\,V
a) Ges.: -R_5, E12-Wert, I_\mathrm{F}
\begin{aligned} &\text{(I)} && U_\mathrm{OH} = U_\mathrm{F} + U_\mathrm{R5} \\ &\text{(II)} && U_\mathrm{R5} = R_5 \cdot I_\mathrm{F} \end{aligned}
II in I:
\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} U_\mathrm{OH} & = & U_\mathrm{F} + R_5 \cdot I_\mathrm{F} & \color{gray}{-U_\mathrm{F}} \\ U_\mathrm{OH} - U_\mathrm{F} & = & R_5 \cdot I_\mathrm{F} & \color{gray}{:I_\mathrm{F}} \\ R_5 & = & \dfrac{U_\mathrm{OH} - U_\mathrm{F}}{I_\mathrm{F}} = \dfrac{4{,}5\ \text{V} - 2{,}0\ \text{V}}{8\ \text{mA}} \approx 313\ \Omega & \end{array}
Gewählt: \underline{\underline{R_5 = 330\ \Omega}} (nächster größerer E12-Wert; 270 Ω ergäbe 9,26 mA und läge über dem Höchststrom).
I_\mathrm{F} = \frac{2{,}5\ \text{V}}{330\ \Omega} \approx \underline{\underline{7{,}58\ \text{mA}}}
Mit und ohne gerundete Zwischenergebnisse ergibt sich I_\mathrm{F} \approx 7{,}58\ \text{mA}; die Wahl des E12-Werts hängt nicht von der Rundung von 312,5 Ω ab.
b) Ges.: Eingangswort bei laufender Pumpe
Die Pumpe läuft nur bei N = 1, T = 1, S = 1, V = 0:
N\,T\,S\,V = \underline{\underline{1110_2 = \mathrm{E}_\mathrm{h}}}\ (= 14)
c) Ges.: Folge des fehlenden Pull-down an S
Ohne Pull-down ist der Eingang bei offenem Taster nicht beschaltet. Sein Potenzial ist undefiniert; Einstreuungen können ihn als High erscheinen lassen. Die Pumpe kann dann ohne Tastendruck anlaufen oder flackern; zusätzlich kann im Gatter Querstrom fließen.
d) Ges.: Begründung; Bauelement für Weiterlaufen
Die Schaltung besteht nur aus Gattern, sie ist ein Schaltnetz ohne Speicher: Der Ausgang hängt nur von den aktuellen Eingängen ab. Wird -S_2 losgelassen, ist S = 0 und damit P = 0. Damit die Pumpe weiterläuft, braucht man ein Speicherglied, z. B. ein rücksetzdominantes RS-Flipflop (Setzen mit S, Rücksetzen mit \overline{N \wedge T} oder V; Rücksetzen hat Vorrang, damit Not-Aus, Tür und Füllstand immer abschalten), oder eine Selbsthaltung mit Relais. Flipflops behandeln der Artikel Flipflops und die Wiederholung Flipflops, Zähler und Schieberegister.
Leitfragen
- Wie rechnet man zwischen Dual-, Hexadezimal- und Dezimalsystem um?
Dual → dezimal addierst Du die Stellenwerte der gesetzten Bits (10\,1101_2 = 32 + 8 + 4 + 1 = 45); dezimal → dual teilst Du fortlaufend durch 2 und liest die Reste von unten nach oben (Restwertmethode). Zwischen dual und hexadezimal ergeben je vier Bit von rechts eine Hexziffer. Siehe Abschnitt „1 Zahlensysteme“ und Aufgabe 1.3.
- Wie viele Bit braucht man für einen bestimmten Wertebereich, und wie stellt man negative Zahlen dar?
Mit n Bit lassen sich 2^n Werte darstellen, vorzeichenlos 0 \dots 2^n - 1; Du suchst also das kleinste n mit 2^n - 1 \geq Höchstwert (für 0 … 5000 sind das 13 Bit). Negative Zahlen stellst Du im Zweierkomplement dar: alle Bits invertieren und 1 addieren, mit 8 Bit ergibt sich -128 \dots +127. Siehe Aufgabe 1.3.
- Wozu dienen BCD-Code und Gray-Code?
Im BCD-Code wird jede Dezimalziffer einzeln in 4 Bit dargestellt, was Anzeigen, Zähler und Drehschalter vereinfacht, aber mehr Bit braucht als der Dualcode. Beim Gray-Code unterscheiden sich benachbarte Werte in genau einem Bit, deshalb entstehen bei Drehgebern an den Übergängen keine falschen Zwischenwerte. Siehe Abschnitt „2 Codes“ und Aufgabe 2.2.
- Wie liest man aus Schaltzeichen, Wahrheitstabelle und Impulsdiagramm die Verknüpfung ab?
Am Schaltzeichen erkennst Du die Verknüpfung am Zeichen im Kasten (&, ≥1, =1, 1) und am Kreis für die Negation. In Wahrheitstabelle und Impulsdiagramm prüfst Du, bei welchen Eingangskombinationen der Ausgang 1 ist – im Impulsdiagramm abschnittsweise zwischen zwei Signalwechseln. Siehe Abschnitt „3 Grundverknüpfungen“ und Abschnitt „6 Impulsdiagramme“.
- Wie bildet man die disjunktive Normalform und vereinfacht sie mit dem KV-Diagramm?
Für jede Zeile mit Y = 1 bildest Du einen UND-Term, in dem jede Variable einmal vorkommt (bei 0 negiert), und verknüpfst alle Terme mit ODER. Im KV-Diagramm fasst Du dann möglichst große Blöcke aus 1, 2, 4, 8 … benachbarten Einsen zusammen (auch über die Ränder); in einem Block entfallen die Variablen, die sich darin ändern. Siehe Aufgabe 4.2 und Aufgabe 5.2.
- Wie baut man eine Funktion nur aus NAND-Gattern auf?
Du negierst die Gleichung doppelt und formst die innere Negation mit dem Satz von De Morgan um, bis nur noch negierte UND-Verknüpfungen vorkommen, z. B. (A \wedge B) \vee C = \overline{\overline{A \wedge B} \wedge \overline{C}}. Ein NAND mit verbundenen Eingängen dient als Inverter, so kommst Du hier mit drei NAND-Gattern aus. Siehe Aufgabe 5.3.
- Wie arbeiten Multiplexer und 7-Segment-Decoder?
Ein Multiplexer schaltet einen von 2^n Dateneingängen auf den Ausgang; die Steuereingänge geben die Nummer des Eingangs als Dualzahl an (S_1 S_0 = 10_2 wählt I_2). Ein BCD-zu-7-Segment-Decoder wandelt eine BCD-Ziffer in die Segmentsignale a … g; bei gemeinsamer Kathode leuchtet ein Segment bei High, jedes Segment bekommt einen eigenen Vorwiderstand. Siehe Abschnitt „7 Multiplexer und Decoder“ und Aufgabe 7.2.
- Wann kann ein Ausgang einen Eingang einer anderen Logikfamilie sicher ansteuern?
Sicher angesteuert wird ein Eingang nur, wenn U_\mathrm{OH,min} \geq U_\mathrm{IH,min} und U_\mathrm{OL,max} \leq U_\mathrm{IL,max} gilt; die Differenz ist der Störabstand. Ein 3,3-V-Ausgang mit 2,9 V High reicht daher nicht für einen 74HC-Eingang (3,5 V), wohl aber für einen 74HCT mit TTL-kompatiblen Eingängen (2,0 V). Siehe Abschnitt „8 Logikfamilien und Pegel“ und Aufgabe 8.3.
- Warum werden Not-Aus-Signale drahtbruchsicher ausgeführt?
Der Not-Aus ist ein Öffner, sodass der sichere Zustand bei 0 entsteht: Betätigung und Drahtbruch führen beide zu N = 0 und schalten ab, ein Leitungsfehler wird also sofort bemerkt. Mit einem Schließer würde ein Drahtbruch den Not-Aus unbemerkt unwirksam machen; die eigentliche Abschaltung erfolgt nach DIN EN 60204-1 zusätzlich über sicherheitsgerichtete Technik. Siehe Abschnitt „Grundlagen“ und Aufgabe 9.1.
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