DIGITALE

ELEKTRONICA

NAND-flipflop met ruimtelijkweergegeven symbolen oude stijl.

Blz. 5

Blz. 6

Blz. 8

Blz. 7Blz. 3

Blz. 4

Blz. 1

Blz. 2

Inhoudsopgave

Flipflop(vervolg) Waarheidstabel NAND Werking Tijd + tijdbalk

NOT-poort Kopen of maken? Niveauschakelaar

Oscillator Knipperlicht RC-combinatie Werking + tijdbalk

Monoflop Tijdschakelaar Werking + tijdbalk Tijdsduur

IEC-symbolen

Digitale elektronica Inleiding Analoog Digitaal Vloeiend of met sprongetjes Miniaturisatie Symbolen

NAND-poort Rekenen . . . onthouden Waarheidstabel Poorten NAND-poort

Flipflop Geheugenschakeling Pull-up Schema Sensors Werkblad

NAND-flipflop

NOR-flipflop

Digitale elektronica

Blz. 9

Aanwijzingen bij het gebruik van dit bestand.

In dit bestand wordt veel met knoppen gewerkt die aangeklikt kunnen worden.

• Gele knoppen openen een extern web-adres.

• Blauwe onderstreepte tekst opent een andere bladzij in dit bestand of op het web.

• Afbeeldingen bevatten een hyperlink naar het bronbestand, tenzij het

eigen materiaal is.

• Het NIUtec-logo verwijst naar de startpagina van de website.

Voor dit bestand en alle daarbij behorende afbeeldingen geldt een Creative Commons licentie.

Voor gebruik op scholen en educatieve instellingen wordt vriendelijk verzocht contact op te nemen voor een vergoeding.

Voor op- of aanmerkingen betreffende de inhoud en/of gebruikkan contact opgenomen worden met NIUtec-support. Heeft u waardering voor deze uitgave en wilt u bijdragen aan hetinstandhouden van de website? Dan kunt u een donatie doen!

E-mail

Digitale elektronica

InleidingEr bestaan twee soorten elektronica, analoog en digitaal. Met beide soorten kunnen apparaten gemaakt worden die van buitenaf gezien hetzelfde doen, alleen de manier waarop dat gebeurt verschilt wezenlijk.

Analoog:een ouderwetse platenspeler laat een naald een groef aftasten in een kunststof schijf, de plaat.Dat is geen gladde groef, maar eentje met zig-zagjes, en de naald beweegt dan ook alsof je met een stok over een plank met ribbeltjes strijkt. Die heen-en-weer gaande beweging wordt overgedragen op een klein magneetje dat in een spoeltje heen en weer schuift. Daardoor ontstaat een wisselende elektrische stroom in de spoel, eigenlijk net zoals in een fietsdynamo.Deze kleine stroom wordt via een aantal versterkertrappen op een luidspreker overgebracht, en het ratelen van de naald door de platengroef klinkt dan als muziek in je oren.

Digitaal:Tegenwoordig gebruiken we nauwelijks meer die analoge platenspeler, daar is de digitaal werkende CD-speler voor in de plaats gekomen. Die werkt óók met een plastic schijfje. Maar nu zitten er geen groeven meer in die met een naald afgetast worden, maar een spoor van miljoenen tjes bobbelmet daartussen glad oppervlak. Die tjes bobbelworden niet met een naald afgetast, maar met een vlijmscherp lichtstraaltje, een laserstraal.Als die een glad stukje treft, wordt er een lichtweerkaatsing gedetecteerd. En als er een bobbeltje zit, verdwijnt die weerkaatsing en is het donker. Eigenlijk is het dus een soort barcode-lezer, die vliegensvlug ongelooflijke hoeveelheden streepjescodes afleest.Elke stukje streepjescode betekend een fractie van een seconde geluid. En al die ministukjes geluid achter elkaar geplakt, klinken uit de luidspreker als muziek in je oren . . .

Wat is nu het verschil tussen beide systemen?De platenspeler werkt met in kleine slingeringen een . Het is een weg met allemaal bochten groef die vloeiend in elkaar overgaan. Een systeem dat werkt met een vloeiende overgang van signalen, noemen we .analoog

De waar de CD-speler mee werkt hobbeltjesveranderen niet vloeiend aan of uit, net Morse-: code. Dat werkt wat hakkelig, maar als je er maar genoeg van gebruikt, lijkt het weer vloeiend te gaan.Een systeem dat trapsgewijs werkt, noemen we digitaal.

0,5 micron

0,5 micron

1,6 micron

De bobbeltjes van een CD zijn 0,5 micrometer breed, tenminste 0,83 micrometer lang en 0,125 micrometer hoog. Een is één-duizendste millimetermicrometer .MAAR:Het hele spoor is ongeveer 5 km lang!Kan jij uitrekenen hoeveel bobbeltjes info er op een CD zitten?

De groeven van een langspeel-plaat 200 keer vergroot.

1

Digitale elektronica

Digitale elektronica

Vloeiend of met sprongetjesElektronische schakelingen die werken met vloeiende overgangen analoge , worden schakelingen genoemd.

De volumeknop van een oude radio werkt analoog, je kunt het geluid er harder geleidelijkof zachter mee zetten.

Tegenwoordig wordt veel gebruik gemaakt van digitale schakelingen. De daarvanschakelaars kunnen alleen aan of uit.

De volumeregeling van een digitale radio bestaat dus uit een heleboel kleine schakelaartjes. Elk schakelaartje zet de radio met een sprongetje iets harder.

Die sprongetjes zij gelukkig zó klein, dat het lijkt alsof het vloeiend gaat.

MiniaturisatieMet digitale elektronica is het mogelijk om zelfs de kleinste elektrische signalen zonder fouten door te geven.

Dat is met analoge elektronica niet mogelijk, hoe kleiner de signaalverschillen zijn, hoe groter de kans op fouten wordt.

Daardoor kan je met digitale elektronica van die piepkleine goedwerkende apparaten maken, zoals je mobieltje of je MP3-speler!

Symb len:o

NAND-poort

NOR-poort

NOT-poort

drukschakelaar

verbreekschakelaar

elco

weerstand

diode

potmeterS

+&

>1

1

2

Digitale elektronica

NAND-poortBij de experimenten maken we verder alleen gebruik van NAND-poortjes. Het is een keus die gemaakt is om een en ander niet té ingewikkeld te maken.

Met zijn de andere NAND-poortjespoortjes na te bootsen en NOT-poort . Eontstaat bijvoorbeeld door beide ingangen van een NAND te verbinden tot één ingang.

Overigens kunnen alle volgende schema’s ook met NOR-poortjes gebouwd worden, en poortjes kunnen ook gecombineerd worden.

Onze NAND-poortjes zitten met vier stuks tegelijk verpakt in een plastic blokje, een I ntegrated ircuit, kortwegC IC. Maar ondanks dat ze samen verpakt zijn, blijven het afzonderlijke bouwsteentjes, die elk naar eigen inzicht gebruikt kunnen worden en ook onderling verwisselbaar zijn.

NAND-poort

. . .RekenenLogische poorten zijn de basis-bouwstenen van een computer. Hiermee zijn combinaties te maken die geschikt zijn om te met rekenengetallen, de voor de e1 grondslagwerking van elke computer.Kijk hiervoor maar eens bij:

< >digitaal tellen

De afbeelding op de voorpaginais een voorstelling van een ‘halve opteller’.Het is het eerste ‘blok’ van de opteller die je onder de knop hierboven vindt.

+B (4,5 Volt)

R3 = 150 W

R1

R1/2 = 5,6 kW

1S S2

R2

R3

LED

--B (0 Volt)

X Y

SET

RESET

1

R en R = 5,6 kW1 2

IC = CD 4011S en S = schakelaar1 2

LED (R = ingebouwd)3

PoortenDe kern van alle digitale elektronica wordt gevormd door basiscomponenten die logische poorten worden genoemd.Zo'n poort heeft meestal 2 ingangen en 1 uitgang. Hieronder volgen de drie belangrijkste:

NAND is de samentrekking van NOT en AND. (=spanning) De uitgang is altijd als één HOOG

of beide ingangen zijn.LAAG (= 0 Volt) is/

NOR is de samentrekking van NOT en OR. De uitgang is altijd als één of beide LAAG

ingangen zijn.HOOG is/

NOT heeft maar één ingang en geeft aan de uitgang

Waarheidstabel

NAND

NOR

NOT

Ingang1

Ingang2

L

L

L

H

H

L

H

H

H H H L

H

H

L

- -

L

L

L

. . . onthoudenEen computer moet niet alleen kunnen hij met getallen, rekenenmoet ze ook kunnen onthouden. Dat

eis 2 grondslagde voor de werking van elke computer.Kijk daarvoor op de volgende bladzij.

Vdd

Vss

2

1

3

4

5

6

7

13

14

12

11

10

9

8IC 4011

&

&

&

&

3

Digitale elektronica

SchemaHieronder staat schematisch hoe d e twee poorten geschakeld zijn. iRechts daarnaast staat schema 2 zoals het gemaakt moet worden.

Pull-up De ingangen van een NAND-poortje moeten óf HOOG, óf LAAG zijn, ze mogen niet onbepaald zijn (zweven).

Daarom zijn ingangen 1 en 2 met plus (rood) verbonden via een zogenaamde “pull-up”-weerstand (hier 5,6 k ), die Wze op 4,5 V (HOOG) houdt.

Tótdat de bijbehorende schakelaar ingedrukt wordt. Die sluit de poort kort naar 0 V (=LAAG), want de weerstand laat dan veel te weinig stroom door om op 4,5 V te blijven.

SensorsEen flipflop schakelt in een fractie van een seconde op een verandering in een ministroompje.Daarom is een flipflop goed te combineren met diverse sensors.

Kijk hiervoor bij: < > Lichtsensor < > Warmtesensor < > Geluidssensor < > Reedsensor

SETsensor

RESETsensor

UITGANG

WerkbladHoe je een flipflop moet maken vind je verder in werkblad < > Flipflop

Flipflop

+B (4,5 Volt)

R1

1S S2

R2

R3

LED

X Y

Z

SET

RESET

2

--B (0 Volt)

R en R = 5,6 kW1 2

R = 150 kW3

IC = CD 4011S en S = schakelaars1 2

GeheugenschakelingEen flipflop is een schakeling die onthouden kan. Hij onthoudt welke schakelaar van de twee waarmee hij aangestuurd wordt, het laatst is ingedrukt.

Eigenlijk niet zo heel bijzonder, een gewone lichtschakelaar doet hetzelfde. Het bijzondere van een flipflop is, dat hij het elektronischonthoudt. En niet mechanisch,zoals dat lichtknopje.

Voor een flipflop worden twee NAND-poortjes gebruikt.

Vdd

Vss

2

1

3

4

5

6

7

13

14

12

11

10

9

8IC 4011

&

&

&

&

&

&

NAND flipflop

4

Digitale elektronica

WerkingAls we de flipflop aanzetten, weten we alleen dat de Set- en de Reset-ingang HOOG zijn, door de pullup-weerstand die daar vóórgeschakeld is.

FASE 1We maken Set even LAAG, waardoor de uitgang van poortje 1 HOOG wordt, een uitgang wordt immers alleen LAAG als beide ingangen van een poortje HOOG zijn! (zie tabel)

FASE 2Doordat de uitgang met een ingang van poortje 2 verbonden is, en de andere ingang van 2 door Reset al HOOG is, wordt de uitgang van 2 LAAG en geeft dat door aan de ingang van poortje 1.Daardoor blijft de uitgang van poortje 1 stabiel HOOG, ook al wordt Set weer HOOG!

FASE 3Nu maken we Reset even LAAG, waardoor de uitgang van 2 HOOG wordt, want een LAAG aan de ingang betekent een HOOG aan de altijd uitgang!Set was allang weer HOOG, dus 2x HOOG in betekent LAAG uit. De flipflop klapt om.

FASE 4En net als bij fase 2 blijft de uitgang nu stabiel LAAG, ook al wordt Reset weer HOOG!

Waarheidstabel NAND

Flipflop (vervolg)

NAND

Ingang1

Ingang2

L

L

L

H

H

L

H

H

H H H L

Onthoud: -in is -uit.LAAG HOOG

UITGANG SET

RESET

FASE 4

&1

&2

UITGANG SET

RESET

FASE 4

&1

&2

UITGANG SET

RESET

FASE 4

&1

&2

UITGANG SET

RESET

FASE 4

&1

&2

NAND-flipflopKlik hier voor animatie-filmpjes

NOR-flipflop

NOR-flipflopMet een NOR-poortje kan ook een flipflop-schakeling gemaakt worden.

Die flipflop werkt in een aantal opzichten precies andersom, de ingangen worden bijvoorbeeld juist gehouden, in plaats van .LAAG HOOG

Hier gebruik je dus een pull-down weerstand!

5

Digitale elektronica

De niveauschakelaarVoor een niveau-schakelaar moet de RESET-ingang bij LAAG doorschakelen, de elektrode wordt 0 Volt als hij het water raakt.De SET moet echter juist omgekeerd werken, die komt uit het water en wordt dan door een pull-up weerstand naar de plus getrokken.

Dit kan door er een extra NAND-poortje vóór te zetten waarvan de ingangen gekoppeld zijn.Hierdoor krijgt het de werking van een .NOT-poortjeZie het kleine schema bovenaan de bladzij.

Daarom zie je bij S een maak- en 1

S een verbreekschakelaar.2

En zoals het kleine schema aangeeft, zit de ingang van S2

vast aan ingangen 8 én 9 van het IC, zodat uitgang 10 het omgekeerde signaal van S2

doorgeeft!

Kijk ook eens in het werkblad< >Niveauschakelaar

NOT-poort

Kopen of maken?Een NOT-poort kan als apart onderdeel in de elektronica-winkel gekocht worden, maar hij kan ook heel gemakkelijk gemaakt worden van een NAND-poortje.

Dat is handig als je er toch nog een over hebt.

Hoe verander je een NAND in een NOT? Simpelweg door de ingangen aan elkaar te koppelen!

UITGANG

&

&

SETsensor

RESETsensor

SET

RESET

5,6

kW

5,6

kW

SET

RESET

+B (4,5 Volt)

S1

S2

R3

LED

--B (0 Volt)

Z

3

Y

R1R2

X

390�W

R en R = 5,6 kW1 2

IC = CD 4011S en S = schakelaar1 2

LED (R = ingebouwd)3

Vdd

Vss

2

1

3

4

5

6

7

13

14

12

11

10

9

8IC 4011

&

&

&

&

&

6

Digitale elektronica

KnipperlichtEen schakeling die alsmaar omslaat HOOG-LAAG-HOOG-LAAG, eindeloos door, heet een oscillator.Een knipperschakeling dus.

RC-combinatieZo'n oscillator kan heel sloom knipperen, of juist supersnel. Dat is afhankelijk van de knippertijd, ofwel de frequentie.

Tijdsafhankelijke schakelingen kunnen gemaakt worden met een weerstand ( hier P) en een Resistor, Condensator. Dat wordt een RC-combinatie genoemd. De condensator kan voorgesteld worden als een vat waar de weerstand stroom in druppelt.

Het hangt van de druppelsnelheid en de grootte van het vat af hoeveel tijd het kost om het te vullen. In de tekening hiernaast wordt deze combinatie gevormd door de regelbare weerstand P en de elektrolytische condensator C.

Oscillator

WerkingZoals bekend is een NAND-poort alleen LAAG, wanneer beide ingangen HOOG zijn. Ingang 1 van de NAND-poort wordt via de weerstand R pull-up HOOG gehouden.

FASE 1Om te beginnen veronderstellen we ingang 2 dus uitgang 3 is dan LAAG, HOOG. Dit druppelt door de HOOG instelbare weerstand P naar de verbinding tussen ingang 2 en condensator C, die nu langzaam 'vol gaat lopen'.

FASE 2Op het moment dat C vol zit, wordt ingang 2 waardoor uitgang 3 wordt.HOOG, LAAG Hierdoor loopt de condensator weer leeg via potmeter P en wordt ingang 2 weer LAAG. Zodra dat een feit is, wordt uitgang 3 weer en het spelletje begint weer HOOGvan voren af aan.

punt X

punt Y

C

Tijdbalk

H

L

H

L

H

L

FA

SE

1

FA

SE

2

FA

SE

1

FA

SE

2

C

Oscillator

R1

4,5 Volt

0 Volt

P

32

1X

Y

L

T1

1 kW

1OO mF

10

kW

R2

1O kW

¼ CD 4093

&R = 10 kW1

R = 1 kW2

P = 10 kW

IC = CD 4011C = 100 mFT = BC 547 B1

L = gloeilampje

7

Digitale elektronica

Tijdschakelaar

Een monoflop is een flipflop-schakeling die na een bepaalde tijd zichzelf automatisch weer terugschakeld. Ook hier is dus een tijdschakeling nodig. Net als bij de oscillator wordt de tijdsfactor bepaald door een RC-combinatie die een poortje aanstuurt.

Van dat NAND-poortje zijn beide ingangen samengevoegd, dus . . . . dat is een NOT-schakeling.En verder zit er natuurlijk nog de nu welbekende flipflop bij, te zien in het grijze blokje.

Om het elektronenverkeer goed te regelen zijn er twee diodes verderaangebracht, onderdelen die de elektronen in maar één richting doorlaten.

Wil je meer weten over de werking van de gewone onderdelen, kijk dan eens bij < >Analoge elektronica

Werking

FASE 1Als met de SET-sensor de flipflop getriggerd is, is uitgang 3 en punt H HOOG.Ook punt F is dan via weerstand HOOG R en diode D . Punt G blijft echter 1 LAAG zolang condensator C nog niet volgelopen is. Diode D voorkomt dat 2

het van punt H doorgegeven kan HOOGworden naar punt G.

FASE 2Als na een tijdje de condensator via potmeter P volgelopen is, worden ingangen 8 en 9 , en uitgang 10 HOOGklapt om naar LAAG.Ook de spanning op punt E valt dan via diode D weg.1

Daardoor ook de RESET-ingang 6 wordt van de flipflop en de flipflop LAAG schakelt om. Uitgang 3 de wordt LAAG, condensator ontlaadt zich via diode D , 2

en de volgende cyclus kan beginnen.

SET

punt E

punt F

punt G

punt H

C

Tijdbalk

H

L

H

L

H

L

H

L

H

L

H

L

FA

SE

1

FA

SE

2

FA

SE

1

Monoflop

D2

C

D1

RESET

SET

P

SETsensor

4,5 Volt

0 Volt

R1

E

F

H

G

UITGANG

½ CD 4093

R2

Tijdsduur

De tijd die een cyclus duurt, kan ingesteld worden met potmeter P.Ook kan hiervoor een condensator (C) met een kleinere of grotere 'inhoud' (capaciteit) gebruikt worden.

R = 47 kW1

R = 1 MW2

D en D = 1N41481 2

P = 10 kWC = 47 mFIC = CD 4093 (½)Sensor = drukschakelaar

3

2

1

&3

2

1

&

6

5

4

&

9

8

7

&

8

Digitale elektronica

&

AND

&

NAND

OR

1

NOR

1

NOT

1

XOR

1

Ingangen UitgangP1 P2 Q0 0 01 0 10 1 11 1 0

Ingang Uitgang P Q0 11 0

Ingangen UitgangP1 P2 Q0 0 11 0 00 1 01 1 0

Ingangen UitgangP1 P2 Q0 0 01 0 10 1 11 1 1

Ingangen UitgangP1 P2 Q0 0 11 0 10 1 11 1 0

Ingangen UitgangP1 P2 Q0 0 01 0 00 1 01 1 1

IEC symbolen

9

Digitale elektronica