Übungsaufgaben zu Zählern, Frequenzteilern und Schieberegistern
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Zähler, Asynchronzähler, Zählsymbol CTR, Rücksetzlogik, Frequenzteiler, Impulsdiagramm, PLL, Frequenzmessung, Schieberegister, Johnson-Zähler, Übungsaufgaben, Prüfungsvorbereitung
tl/dr; (Bearbeitungszeit insgesamt 80 min, mehrere Aufgaben): Vier Übungsaufgaben zu Zählern und Schieberegistern – vom Blockschaltbild einer Ventilsteuerung mit Schieberegister und der Prüfung des Treibers im Datenblatt über Zählerart, Zählrichtung und Stufenzahl eines Stückzählers, das Zählsymbol CTR mit Rücksetzlogik, Impulsdiagramm, Teiler, Monoflop und PLL bis zur digitalen Drehzahlmessung und zum Johnson-Zähler. Zu jeder Teilaufgabe lässt sich eine Beispiellösung einblenden [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 11.11.2026)
Diese Übungsaufgaben gehören zum Artikel Zähler, Frequenzteiler und Schieberegister. Die Flipflops als Bausteine der Zähler übst Du mit den Übungsaufgaben zu Flipflops.
Hinweise zur Bearbeitung: Bis zur Teil-1- bzw. Zwischenprüfung der Elektroberufe solltest Du die Basiskompetenz beherrschen, also Aufgabe 1.1. Als EGS oder IEGS musst Du zur Teil-2- bzw. Abschlussprüfung Aufgaben auf Kernkompetenz-Ebene lösen können, das sind Aufgabe 2.1, Aufgabe 2.2 und Aufgabe 2.3. Die Beispiellösungen sind immer gleich aufgebaut: Unter Geg. steht, was gegeben ist (bei mehreren Teilaufgaben gemeinsam in der ersten), unter Ges., was gesucht ist. Jede Formel steht zuerst in ihrer Grundform; Umformungen sind Äquivalenzumformungen, deren Rechenschritt grau rechts neben dem senkrechten Strich steht. Einfache Formeln werden römisch nummeriert und ineinander eingesetzt („I in II“). Ergebnisse stehen doppelt unterstrichen, gerundet auf drei signifikante Stellen. Schreibe Zählerstände als Dualzahl mit Q_0 ganz rechts. Zeichne in Impulsdiagrammen an jeder wirksamen Taktflanke eine senkrechte Hilfslinie. Bei „nennen“ genügen Stichworte, bei „beschreiben“, „erläutern“ und „begründen“ antwortest Du in ganzen Sätzen. Schreib Deine Lösung zuerst vollständig auf, bevor Du die Beispiellösung einblendest.
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 „Zähler, Frequenzteiler und
Schieberegister“.
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/zaehler-schieberegister
- https://oer-informatik.de/flipflops
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/zaehler-schieberegister-uebungsaufgaben
Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Zähler
- Asynchronzähler
- Zählsymbol CTR
- Rücksetzlogik
- Frequenzteiler
- Impulsdiagramm
- PLL
- Frequenzmessung
- Schieberegister
- Johnson-Zähler
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.
Aufgabe 1.1: Bewässerungssteuerung eines Gewächshauses (Basiskompetenz)
(ca. 16 min Bearbeitungszeit)
Eine Gärtnerei steuert die Bewässerung von acht Pflanztischen mit einer selbst gebauten Steuerplatine. Ein Mikrocontroller wertet einen Feuchtesensor und einen Taster aus und schaltet acht Magnetventile (24 V, je 120 mA) mit Kontroll-LEDs. Das Blockschaltbild zeigt die Platine.
a) Ordne den Blöcken 1 bis 5 jeweils einen der folgenden Begriffe zu: Leistungstreiber, Magnetventile mit Kontroll-LEDs, Mikrocontroller, Netzteil (AC/DC-Wandler), Seriell-Parallel-Schieberegister. (5 Punkte)
Geg.: Blockschaltbild mit fünf Blöcken; Ventile 24 V, je 120 mA
Ges.: Zuordnung der Begriffe zu den Blöcken
| Block | Begriff | Erkennungsmerkmal |
|---|---|---|
| 1 | Netzteil (AC/DC-Wandler) | Eingang 230 V, 50 Hz, Ausgang 5 V für die Elektronik |
| 2 | Mikrocontroller | wertet Taster und Sensor aus, gibt Daten, Takt und Übernahme aus |
| 3 | Seriell-Parallel-Schieberegister | drei serielle Steuerleitungen hinein, 8 parallele Leitungen hinaus |
| 4 | Leistungstreiber | verstärkt 8 Signale von höchstens 6 mA auf je 120 mA |
| 5 | Magnetventile mit Kontroll-LEDs | Last mit eigener 24-V-Versorgung |
(je Block 1 Punkt)
b) Begründe, warum zwischen Block 2 und Block 3 drei Leitungen genügen, und gib an, wie viele Pins des Mikrocontrollers belegt sind, wenn die Anlage auf 16 Pflanztische mit zwei hintereinandergeschalteten Bausteinen in Block 3 erweitert wird. (3 Punkte)
Ges.: Begründung; Zahl der belegten Pins bei 16 Ventilen
Das Schieberegister nimmt die acht Schaltzustände nacheinander über die Datenleitung auf; der Takt schiebt sie ein, die Übernahme schaltet sie gleichzeitig auf die acht Ausgänge (Seriell-Parallel-Wandlung). Für beliebig viele Bits genügen deshalb Daten, Takt und Übernahme (2 Punkte).
Bei zwei Bausteinen liegt der serielle Ausgang des ersten am Dateneingang des zweiten; Takt und Übernahme sind parallel geschaltet. Der Mikrocontroller schiebt 16 Bits hinein:
\underline{\underline{\text{weiterhin 3 Pins}}}
(1 Punkt)
c) Beschreibe, in welcher Reihenfolge der Mikrocontroller die Leitungen Daten, Takt und Übernahme bedient, um ein neues Schaltmuster für alle acht Ventile auszugeben, und erläutere, warum die Ventile dabei nicht kurz falsch schalten. (3 Punkte)
Ges.: Ablauf an Daten, Takt und Übernahme; Begründung
- Das Bit für das letzte Ventil an die Datenleitung legen (1 Punkt für 1. bis 3.).
- Einen Impuls auf die Taktleitung geben: Die steigende Flanke schiebt das Bit ein.
- Schritt 1 und 2 für die übrigen sieben Bits wiederholen; das zuerst eingeschobene Bit landet am Ende ganz hinten.
- Erst danach einen Impuls auf die Übernahmeleitung geben: Alle acht Bits erscheinen gleichzeitig an den Ausgängen (1 Punkt).
Während des Schiebens ändern sich nur die Flipflops des Schieberegisters. Die Ausgänge hängen am Ausgangsregister, das den alten Zustand hält, bis die Übernahmeflanke kommt. Die Zwischenstände beim Schieben erreichen die Ventile deshalb nie (1 Punkt).
d) Für Block 3 und Block 4 stehen zwei Bausteine zur Auswahl:
| Merkmal | Baustein A | Baustein B |
|---|---|---|
| Funktion | 8-Bit-Schieberegister mit Ausgangsregister | 8-Bit-Schieberegister mit Ausgangsregister |
| Ausgangsart | Push-Pull | Open-Drain (nur Sink) |
| Ausgangsstrom je Ausgang (Betrieb) | 6 mA | 150 mA |
| größte Spannung am Ausgang | V_\mathrm{CC} = 5 V | 50 V |
Prüfe für beide Bausteine, ob sie die Magnetventile direkt schalten können, und gib an, welche Blöcke Baustein B ersetzen kann. (4 Punkte)
Geg.: Ventil: U = 24\ \mathrm{V}, I = 120\ \mathrm{mA}; Datenblattauszug
Ges.: Eignung von Baustein A und B; ersetzbare Blöcke
- Baustein A: liefert je Ausgang nur 6 mA statt 120 mA und höchstens 5 V statt 24 V. Er kann die Ventile nicht direkt schalten und braucht den Treiber in Block 4 (1,5 Punkte).
- Baustein B: Open-Drain-Ausgänge für 150 mA ≥ 120 mA und bis 50 V ≥ 24 V. Er schaltet die Ventile direkt gegen Masse (1,5 Punkte).
\underline{\underline{\text{Baustein B ersetzt Block 3 und Block 4}}}
(1 Punkt)
e) Beschreibe, wie ein Magnetventil an einen Ausgang von Baustein B angeschlossen wird, und nenne das Bauteil, das parallel zur Ventilspule gehört. (2 Punkte)
Ges.: Anschluss eines Ventils an einen Sink-Ausgang; Schutzbauteil
Die Ventilspule liegt zwischen +24 V und dem Ausgang; der Ausgang schaltet sie gegen Masse (Low-Side-Schalter). Die Masse der 24-V-Versorgung ist mit der Masse der Platine verbunden (1 Punkt).
Parallel zur Spule gehört eine Freilaufdiode (Kathode an +24 V), die beim Abschalten die Induktionsspannung begrenzt (1 Punkt).
Aufgabe 2.1: Stückzähler an einem Förderband (Kernkompetenz)
(ca. 15 min Bearbeitungszeit)
An einem Förderband einer Bäckerei zählt ein Lichttaster die vorbeilaufenden Brotkästen. Seine Impulse gelangen als Takt C auf die folgende Schaltung:
a) Bestimme, ob es sich um einen Synchron- oder einen Asynchronzähler handelt, und begründe Deine Antwort an der Schaltung. (2 Punkte)
Geg.: vier JK-Flipflops mit J = K = 1, Takteingänge für die steigende Flanke; C nur an -K1, \overline{Q} jeder Stufe am Takt der nächsten
Ges.: Zählerart mit Begründung
\underline{\underline{\text{Asynchronzähler}}}
Der Zähltakt C liegt nur an -K1; die übrigen Flipflops werden von den Ausgängen der jeweils vorherigen Stufe getaktet und schalten deshalb nacheinander (2 Punkte).
b) Bestimme die Zählrichtung, wenn Q_A das niederwertigste Bit ist, und begründe sie mit der wirksamen Flanke und dem Ausgang, der die nächste Stufe taktet. (3 Punkte)
Ges.: Zählrichtung mit Begründung
Alle Flipflops kippen bei der steigenden Flanke (J = K = 1). Eine steigende Flanke an \overline{Q} entsteht, wenn Q der vorherigen Stufe von 1 auf 0 fällt (1 Punkt). Genau das ist beim Vorwärtszählen der Übertrag auf die nächste Stelle, z. B. von 0111 auf 1000 (1 Punkt):
\underline{\underline{\text{vorwärts: } 0, 1, 2, \ldots, 15, 0, \ldots}}
(1 Punkt)
c) Berechne den Zählumfang und die größte darstellbare Zahl der Schaltung. (2 Punkte)
Geg.: n = 4 Kippglieder
Ges.: Zählumfang Z, größte Zahl Z_\mathrm{max}
\begin{aligned} &\text{(I)} && Z = 2^n \\ &\text{(II)} && Z_\mathrm{max} = 2^n - 1 \end{aligned}
\underline{\underline{Z = 2^4 = 16}}\qquad\underline{\underline{Z_\mathrm{max} = 16 - 1 = 15}}
(je 1 Punkt)
d) Zur Spitzenzeit laufen 20 Kästen je Sekunde am Lichttaster vorbei. Berechne die Frequenz am Ausgang Q_D. (2 Punkte)
Geg.: f_C = 20\ \mathrm{Hz}, Zählumfang 16
Ges.: f_{QD}
Q_D schaltet je vollem Zählzyklus von 16 Impulsen einmal ein und einmal aus:
f_{QD} = \frac{f_C}{2^n} = \frac{20\ \mathrm{Hz}}{16}
\underline{\underline{f_{QD} = 1{,}25\ \mathrm{Hz}}}
(2 Punkte)
e) Künftig soll ein Dualzähler alle Kästen einer Schicht erfassen, höchstens 5 000 Stück. Berechne die Mindestzahl der Kippglieder. (3 Punkte)
Geg.: größte zu zählende Zahl N = 5\,000
Ges.: Mindestzahl n der Kippglieder
\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} 2^n - 1 & \geq & N & \color{gray}{+ 1} \\ 2^n & \geq & N + 1 & \color{gray}{\log_2} \\ n & \geq & \log_2 (N + 1) & \\ n & \geq & \log_2 5\,001 \approx 12{,}3 & \color{gray}{\text{aufrunden}} \end{array}
\underline{\underline{n = 13 \text{ Kippglieder}}}
Kontrolle: 12 Kippglieder zählen nur bis 2^{12} - 1 = 4\,095, 13 bis 8\,191 (3 Punkte).
f) Die Zählung soll in die SPS des Förderbands wandern. Dort wird ein Vorwärtszähler CTU verwendet: An CU liegt der Lichttaster, an R ein Taster „Palette gewechselt“, PV ist 36 (Kästen je Palette), Q schaltet eine Meldeleuchte. Beschreibe die Werte von CV und Q nach 35, nach 36 und nach 40 Kästen sowie nach Betätigen des Tasters. (4 Punkte)
Geg.: CTU mit CU = Lichttaster, R = Taster, PV = 36
Ges.: CV und Q in vier Situationen
| Situation | CV | Q | Begründung |
|---|---|---|---|
| nach 35 Kästen | 35 | 0 | CV < PV |
| nach 36 Kästen | 36 | 1 | CV \geq PV, Meldeleuchte an |
| nach 40 Kästen | 40 | 1 | CTU zählt weiter, Q bleibt 1 |
| Taster betätigt | 0 | 0 | R setzt CV auf 0 zurück |
(je Zeile 1 Punkt)
Aufgabe 2.2: Taktaufbereitung einer Prüfeinrichtung (Kernkompetenz)
(ca. 27 min Bearbeitungszeit)
Eine Prüfeinrichtung für Steuergeräte erzeugt ihre Prüftakte aus einem Grundtakt C. Dazu dient ein Zählerbaustein -K1 mit Rücksetzlogik; der Eingang F gibt den Zähler frei.
a) Erläutere die Wirkung der Eingänge CT=0, G1 und 1+ von -K1. (3 Punkte)
Ges.: Wirkung von CT=0, G1, 1+
- CT=0: Rücksetzeingang. Ist er 1, wird der Zählerstand sofort auf 0 gesetzt (1 Punkt).
- G1: Freigabe. Nur wenn F = 1 ist, wirken die Eingänge mit der Kennziffer 1 (1 Punkt).
- 1+: Vorwärts-Zähleingang, gesteuert von G1. Bei jeder steigenden Flanke von C zählt der Zähler um 1 weiter, sofern F = 1 ist (1 Punkt).
b) Im Prüfprotokoll steht: „Zähler läuft von 0 bis 10, Teilerverhältnis 11 : 1.“ Bestimme Zählzyklus und Teilerverhältnis selbst und beurteile den Eintrag. (3 Punkte)
Geg.: Rücksetzlogik CT{=}0 = Q_3 \wedge Q_1
Ges.: Zählzyklus, Teilerverhältnis; Beurteilung des Protokolleintrags
Rückgesetzt wird beim ersten Zählerstand mit Q_3 = Q_1 = 1: 1010_2 = 8 + 2 = 10 (1 Punkt). Der Stand 10 liegt nur kurz an und wird sofort zu 0:
\underline{\underline{\text{Zählzyklus } 0, 1, \ldots, 9}}\qquad\underline{\underline{\text{Teilerverhältnis } 10 : 1}}
(1 Punkt)
Der Eintrag ist falsch: Der Stand, bei dem zurückgesetzt wird, gehört nicht zum Zählzyklus, weil der Rücksetzeingang asynchron sofort wirkt. Der Zähler durchläuft zehn Zustände (1 Punkt).
c) Das Diagramm zeigt den Takt C und die Freigabe F. Zu Beginn ist der Zählerstand 0. Ergänze die Verläufe von Q_0 bis Q_3. (6 Punkte)
Ges.: Verläufe von Q_0 bis Q_3
Je steigender Flanke: zählen, wenn F = 1; halten, wenn F = 0; beim Erreichen von 10 sofort auf 0 (je falscher Flanke 0,5 Punkte Abzug):
| Flanke | ↑1 | ↑2 | ↑3 | ↑4 | ↑5 | ↑6 | ↑7 | ↑8 | ↑9 | ↑10 | ↑11 | ↑12 | ↑13 | ↑14 | ↑15 | ↑16 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| F | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Zählerstand | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 8 | 8 | 9 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Q_0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| Q_1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| Q_2 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| Q_3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
An ↑12 erreicht der Zähler 10 (Q_3 = Q_1 = 1) und wird sofort auf 0 zurückgesetzt; der Stand 10 erscheint nur als Nadelimpuls.
d) Der Grundtakt hat die Frequenz 6 kHz, die Freigabe ist dauerhaft 1. Berechne Frequenz und Tastgrad am Ausgang Q_3. (3 Punkte)
Geg.: f_C = 6\ \mathrm{kHz}, Zählzyklus 0 bis 9
Ges.: f_{Q3}, Tastgrad g
\begin{aligned} &\text{(I)} && f_{Q3} = \frac{f_C}{m} \\ &\text{(II)} && g = \frac{\text{Takte mit } Q_3 = 1}{m} \end{aligned}
\underline{\underline{f_{Q3} = \frac{6\ \mathrm{kHz}}{10} = 600\ \mathrm{Hz}}}
(1,5 Punkte)
Q_3 ist nur in den Zählerständen 8 und 9 gleich 1, also 2 von 10 Takten:
\underline{\underline{g = \frac{2}{10} = 20{,}0\ \%}}
(1,5 Punkte)
e) Hinter Q_3 folgt ein Inverter, dessen Ausgang ein Monoflop mit der Impulsdauer 0,5 ms bei jeder steigenden Flanke auslöst. Bestimme Frequenz und Tastgrad hinter dem Inverter und am Ausgang des Monoflops. (3 Punkte)
Geg.: f = 600\ \mathrm{Hz}, g = 20{,}0\ \%; Inverter; Monoflop t_i = 0{,}5\ \mathrm{ms}
Ges.: Frequenz und Tastgrad hinter Inverter und Monoflop
Inverter: gleiche Frequenz, High- und Low-Zeit vertauscht (1 Punkt):
\underline{\underline{f = 600\ \mathrm{Hz}}}\qquad\underline{\underline{g = 1 - 20{,}0\ \% = 80{,}0\ \%}}
Monoflop: je steigender Flanke ein Impuls von 0,5 ms; die Periodendauer bleibt (2 Punkte):
\begin{aligned} &\text{(I)} && T = \frac{1}{f} \\ &\text{(II)} && g = \frac{t_i}{T} \end{aligned}
I in II:
g = t_i \cdot f = 0{,}5\ \mathrm{ms} \cdot 600\ \mathrm{Hz}
\underline{\underline{f = 600\ \mathrm{Hz}}}\qquad\underline{\underline{g = 30{,}0\ \%}}
Weil t_i = 0{,}5\ \mathrm{ms} kürzer als T \approx 1{,}67\ \mathrm{ms} ist, wird das Monoflop in jeder Periode neu ausgelöst.
f) Für ein anderes Prüfprogramm wird ein Teilerverhältnis von 7 : 1 benötigt. Ein Kollege schlägt CT{=}0 = Q_2 \wedge Q_1 vor. Prüfe den Vorschlag und gib eine richtige Rücksetzlogik als Funktionsgleichung an. (2 Punkte)
Ges.: Prüfung des Vorschlags; Rücksetzlogik für 7 : 1
Q_2 \wedge Q_1 ist zuerst beim Stand 6 = 0110_2 erfüllt; der Zähler liefe nur von 0 bis 5 und teilte 6 : 1. Der Vorschlag ist falsch (1 Punkt). Zurückgesetzt werden muss beim Stand 7 = 0111_2:
\underline{\underline{CT{=}0 = Q_2 \wedge Q_1 \wedge Q_0}}
Kein Stand von 0 bis 6 hat Q_2 = Q_1 = Q_0 = 1 (1 Punkt).
g) In der ursprünglichen Schaltung (Rücksetzen bei Q_3 \wedge Q_1) soll eine Kontrollleuchte P1 genau beim Zählerstand 5 leuchten. Gib die Funktionsgleichung an und begründe, warum Q_2 \wedge Q_0 allein nicht genügt. (3 Punkte)
Ges.: Funktionsgleichung für P1; Begründung
5 = 0101_2; alle vier Ausgänge, Nullen negiert (2 Punkte):
\underline{\underline{P1 = \overline{Q_3} \wedge Q_2 \wedge \overline{Q_1} \wedge Q_0}}
Q_2 \wedge Q_0 ist im Zählzyklus 0 bis 9 auch beim Stand 7 = 0111_2 erfüllt; die Leuchte würde zweimal je Zyklus leuchten (1 Punkt). Weil die Stände 13 und 15 nie vorkommen, würde Q_2 \wedge \overline{Q_1} \wedge Q_0 ebenfalls genügen.
h) Ein Prüfling verlangt ein Taktsignal von 4 kHz mit einem Tastgrad zwischen 45 % und 55 %. Ein vorhandener Teiler der Prüfeinrichtung soll es liefern; das Oszilloskop zeigt auf Kanal 1 seinen Eingang und auf Kanal 2 seinen Ausgang. Ermittle Frequenz und Tastgrad des Ausgangssignals und entscheide, ob der Teiler die Anforderung erfüllt. (4 Punkte)
Geg.: Zeitablenkung 50\ \mathrm{µs} je Teil; Kanal 2: 5 Teile je Periode, davon 3 Teile High; Anforderung 4 kHz, Tastgrad 45 % bis 55 %
Ges.: f_\mathrm{aus}, Tastgrad g; Entscheidung
\begin{aligned} &\text{(I)} && f = \frac{1}{T} \\ &\text{(II)} && g = \frac{t_\mathrm{H}}{T} \end{aligned}
T_\mathrm{aus} = 5 \cdot 50\ \mathrm{µs} = 250\ \mathrm{µs} \qquad t_\mathrm{H} = 3 \cdot 50\ \mathrm{µs} = 150\ \mathrm{µs}
\underline{\underline{f_\mathrm{aus} = \frac{1}{250\ \mathrm{µs}} = 4{,}00\ \mathrm{kHz}}}
(1 Punkt)
\underline{\underline{g = \frac{150\ \mathrm{µs}}{250\ \mathrm{µs}} = 60{,}0\ \%}}
(1 Punkt)
Die Frequenz passt, der Tastgrad liegt aber über 55 %: Der Teiler erfüllt die Anforderung nicht (1 Punkt). Er teilt durch eine ungerade Zahl (5 : 1, der Eingang hat 20 kHz), deshalb kann sein Ausgang nicht symmetrisch sein. Abhilfe: Ein symmetrisches Signal entsteht, wenn als letzte Stufe durch 2 geteilt wird (T-Flipflop), z. B. 40 kHz durch 5 und anschließend durch 2, oder eine Taktquelle von 8 kHz durch 2 (1 Punkt).
i) Der Hochfrequenztakt der Prüfeinrichtung kommt aus einer PLL. Ein Quarz mit 4 MHz wird durch den Referenzteiler R = 400 geteilt; der VCO soll mit 2,45 MHz schwingen. Berechne die Referenzfrequenz und das Teilerverhältnis N in der Rückführung. (3 Punkte)
Geg.: f_\mathrm{Quarz} = 4\ \mathrm{MHz}, R = 400, f_\mathrm{VCO} = 2{,}45\ \mathrm{MHz}
Ges.: f_\mathrm{ref}, N
\begin{aligned} &\text{(I)} && f_\mathrm{ref} = \frac{f_\mathrm{Quarz}}{R} \\ &\text{(II)} && f_\mathrm{VCO} = N \cdot f_\mathrm{ref} \end{aligned}
\underline{\underline{f_\mathrm{ref} = \frac{4\ \mathrm{MHz}}{400} = 10{,}0\ \mathrm{kHz}}}
(1 Punkt)
\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} f_\mathrm{VCO} & = & N \cdot f_\mathrm{ref} & \color{gray}{: f_\mathrm{ref}} \\ N & = & \frac{f_\mathrm{VCO}}{f_\mathrm{ref}} & \\ N & = & \frac{2{,}45\ \mathrm{MHz}}{10\ \mathrm{kHz}} & \end{array}
\underline{\underline{N = 245}}
(2 Punkte)
Aufgabe 2.3: Drehzahlanzeige und Bedienfeld einer Laborzentrifuge (Kernkompetenz)
(ca. 22 min Bearbeitungszeit)
Eine Laborzentrifuge zeigt ihre Drehzahl digital an. Ein Hallsensor am Rotor liefert sechs Impulse je Umdrehung. Ein Frequenzzähler mit BCD-Dekadenzählern wertet sie aus. Das Bedienfeld mit acht Tasten und die Anzeige sind über Schieberegister mit dem Mikrocontroller verbunden.
a) Erkläre das Prinzip der digitalen Frequenzmessung und nenne die Aufgabe der Torschaltung. (3 Punkte)
Geg.: Frequenzzähler mit Torzeit, Hallsensor 6 Impulse je Umdrehung
Ges.: Prinzip; Aufgabe der Torschaltung
Ein Zähler zählt die Impulse N des Messsignals während einer genau bekannten Torzeit t_\mathrm{Tor}, die eine Quarz-Zeitbasis mit Frequenzteiler vorgibt. Die Frequenz ergibt sich als f = N / t_\mathrm{Tor}; danach übernimmt ein Speicher den Stand für die Anzeige, und der Zähler wird zurückgesetzt (2 Punkte).
Die Torschaltung (UND-Glied) lässt die Messimpulse nur während der Torzeit zum Zähler durch (1 Punkt).
b) Bei einer Torzeit von 0,5 s zählt der Zähler 1 236 Impulse. Berechne die Frequenz des Sensorsignals und die Drehzahl des Rotors in 1/min. (4 Punkte)
Geg.: N = 1\,236, t_\mathrm{Tor} = 0{,}5\ \mathrm{s}, p = 6 Impulse je Umdrehung
Ges.: f, Drehzahl n in 1/min
\begin{aligned} &\text{(I)} && f = \frac{N}{t_\mathrm{Tor}} \\ &\text{(II)} && n = \frac{f}{p} \end{aligned}
\underline{\underline{f = \frac{1\,236}{0{,}5\ \mathrm{s}} = 2\,472\ \mathrm{Hz} \approx 2{,}47\ \mathrm{kHz}}}
(2 Punkte)
I in II:
n = \frac{N}{t_\mathrm{Tor} \cdot p} = \frac{1\,236}{0{,}5\ \mathrm{s} \cdot 6} = 412\ \mathrm{s^{-1}} = 412 \cdot 60\ \mathrm{min^{-1}}
\underline{\underline{n = 24\,720\ \mathrm{min^{-1}} \approx 24\,700\ \mathrm{min^{-1}}}}
(2 Punkte)
c) Gib den Zählerstand 1 236 als Bitmuster der vier BCD-Dekadenzähler und als Dualzahl an. (3 Punkte)
Ges.: Bitmuster in BCD und dual
| Dekade | Tausender | Hunderter | Zehner | Einer |
|---|---|---|---|---|
| Ziffer | 1 | 2 | 3 | 6 |
| BCD | 0001 | 0010 | 0011 | 0110 |
(2 Punkte)
Dual: 1\,236 = 1\,024 + 128 + 64 + 16 + 4 (1 Punkt):
\underline{\underline{1\,236 = 100\,1101\,0100_2}}
d) Bestimme, um wie viel die angezeigte Drehzahl durch den Zählfehler von ±1 Impuls schwanken kann. (2 Punkte)
Ges.: Schwankung \Delta n der Anzeige
Ein Impuls mehr oder weniger ändert die Frequenz um \Delta f = 1 / t_\mathrm{Tor} = 2\ \mathrm{Hz} (1 Punkt):
\Delta n = \frac{\Delta f}{p} = \frac{2\ \mathrm{s^{-1}}}{6} \cdot 60\ \frac{\mathrm{s}}{\mathrm{min}}
\underline{\underline{\Delta n = \pm 20{,}0\ \mathrm{min^{-1}}}}
(1 Punkt)
e) Ordne der Anzeigeansteuerung und dem Einlesen des Bedienfelds jeweils die Art der Umsetzung (Seriell-Parallel oder Parallel-Seriell) zu und begründe. (2 Punkte)
Ges.: Zuordnung der Umsetzungsart
- Anzeige: Seriell-Parallel. Der Mikrocontroller schiebt die Segmentdaten seriell hinaus; das Schieberegister stellt sie parallel an den Segmenten bereit (1 Punkt).
- Bedienfeld: Parallel-Seriell. Die acht Tasten liegen parallel an; ein Ladeimpuls übernimmt sie gleichzeitig, danach werden sie seriell zum Mikrocontroller geschoben (1 Punkt).
f) Das Bedienfeld-Schieberegister übernimmt mit einem Ladeimpuls die acht Tasten T_1 bis T_8; anschließend gibt jeder Schiebeimpuls ein Bit aus, beginnend mit T_8, das nach dem Laden sofort am seriellen Ausgang liegt. Gedrückt sind T_2, T_5 und T_6 (gedrückt = 1). Bestimme die Bitfolge am seriellen Ausgang nach dem Laden und nach den ersten drei Schiebeimpulsen. (3 Punkte)
Geg.: T_2, T_5, T_6 gedrückt; Ausgabe beginnt mit T_8
Ges.: Bits am seriellen Ausgang
| Zeitpunkt | nach dem Laden | 1. Schiebeimpuls | 2. Schiebeimpuls | 3. Schiebeimpuls |
|---|---|---|---|---|
| Taste | T_8 | T_7 | T_6 | T_5 |
| Bit | 0 | 0 | 1 | 1 |
\underline{\underline{0,\ 0,\ 1,\ 1}}
(3 Punkte, je falschem Bit 1 Punkt Abzug)
g) Eine Statusanzeige mit vier LEDs zeigt während des Hochlaufs ein Lauflicht. Sie wird von folgender Schaltung angesteuert:
Benenne die Schaltung, bestimme die Zustände Q_1 Q_2 Q_3 Q_4 nach dem Rücksetzen für die ersten acht Takte und berechne die Frequenz an Q_4 bei einem Takt von 16 Hz. (5 Punkte)
Geg.: SRG4 mit \overline{Q_4} auf 1D, Startzustand 0000, f_C = 16\ \mathrm{Hz}
Ges.: Bezeichnung, Zustände, f_{Q4}
Das negierte letzte Bit wird zurückgeführt: Es ist ein Johnson-Zähler (1 Punkt). Bei jedem Takt rückt der Inhalt eine Stelle weiter, und Q_1 übernimmt \overline{Q_4} (2 Punkte):
| Takt | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Q_1 Q_2 Q_3 Q_4 | 0000 | 1000 | 1100 | 1110 | 1111 | 0111 | 0011 | 0001 | 0000 |
Nach 8 Takten ist der Startzustand wieder erreicht: 2n = 8 Zustände. Jeder Ausgang ist 4 Takte 1 und 4 Takte 0 (2 Punkte):
f_{Q4} = \frac{f_C}{2n} = \frac{16\ \mathrm{Hz}}{8}
\underline{\underline{f_{Q4} = 2{,}00\ \mathrm{Hz}}}
h) Begründe, warum die Flipflops eines Schieberegisters taktflankengesteuert sein und am selben Takt liegen müssen. (2 Punkte)
Ges.: Begründung Flankensteuerung und gemeinsamer Takt
Bei der Flanke soll jedes Flipflop den alten Wert seines Vorgängers übernehmen. Das gelingt nur, wenn alle im selben Augenblick abtasten, also am selben Takt mit derselben Flanke (1 Punkt). Zustandsgesteuerte Flipflops wären während C = 1 durchlässig; ein Bit würde in einem Takt durch mehrere Stufen laufen, und der Inhalt wäre verfälscht (1 Punkt).
Links und weitere Informationen
zum Nachlesen: Zähler, Frequenzteiler und Schieberegister
zu den Grundlagen: Flipflops
als Nachschlagewerk: Wikipedia: Zähler (Digitaltechnik)
Hinweis zur Nachnutzung als Open Educational Resource (OER)
Dieser Artikel und seine Texte, Bilder, Grafiken, Code und sonstiger Inhalt sind - sofern nicht anders angegeben - lizenziert unter CC BY 4.0. Nennung gemäß TULLU-Regel bitte wie folgt: “Übungsaufgaben zu Zählern, Frequenzteilern und Schieberegistern” von oer-informatik.de (H. Stein), Lizenz: CC BY 4.0. Der Artikel wurde unter https://oer-informatik.de/zaehler-schieberegister-uebungsaufgaben veröffentlicht, die Quelltexte sind in weiterverarbeitbarer Form verfügbar im Repository unter https://gitlab.com/oer-informatik/elektrotechnik/digitaltechnik. Erstellt mit KI-Assistenz; von mir umfassend redaktionell überarbeitet, geprüft und freigegeben. Stand: 11.11.2026.
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