Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2007/8 Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS

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Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS – Digitale Schaltungen mit einfachen Bauelementen unmittelbar und sinnlich erleben. Von Henry Westphal

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Der Hintergrund Digitaltechnik heute Digitale Systeme mit hochkomplexen integrierten Bausteinen sind aus unserem heutigen Alltag nicht mehr wegzudenken. Die Integration mehrerer Millionen Transistoren auf einem Chip führt zu kleinen, leichten und bezahlbaren Geräte für Alle. Das ist effektiv und praktisch, niemand kann und will heute auf diese Technik verzichten, aber es gibt doch einen Aspekt, der Unbehagen auslösen kann: Das Verhältnis des Entwicklers zu komplexen Prozessoren und Logikbausteinen nähert sich immer mehr dem der meisten Computernutzer zu ihrem PC: Der PC oder der Chip ist ein Mittel, das man benutzt um eine Funktion zu realisieren ohne sich mit seinem Innenleben detailliert zu befassen, der kreative Prozeß und der inhaltliche Schwerpunkt liegt zunehmend in der Programmierung und Zusammenschaltung der vorgefundenen Hardware. Der Ingenieur, der diese Technik nutzt ,wird ein Stück weit zum „User“, der vor einer „Blackbox“ sitzt. Der unmittelbare Kontakt zur elementaren Ebene, auf der diese Technik beruht, geht verloren. Digitaltechnik ist ständig und überall präsent, es fehlt aber vielen daran Interessierten der sinnliche Bezug zu den dahinterliegenden Grundprinzipien Es besteht, im Sinne des Suchens nach Erkenntnis, ein Bedürfnis nach einem direkten Kontakt mit dem Wesen und den Grundlagen der digitalen Schaltungstechnik.

Altera-Logikbaustein auf einer Bilderfassungsbaugruppe von TIGRIS-Elektronik GmbH mit 10.570 Logikzellen, 920.448 RAM-Zellen und 484 Anschlußpins. Seite 1- 2

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Digitaltechnik in ihrer Pionierzeit In der Pionierzeit der Digitaltechnik wurden digitale Systeme mit Relais, Elektronenröhren und Transistoren aufgebaut. Damit entstanden große, schwere und teure Geräte, die in erster Line vom Militär und später dann auch von großen Konzernen eingesetzt wurden. Die Funktion dieser Geräte kann noch optisch und auch haptisch nachvollzogen werden. Alle Strukturen und Schaltelemente sind direkt für das Auge sichtbar. Bei Relais und Elektronenröhren ist sogar die innere Funktion der Schaltelemente sichtbar. Die Beschäftigung mit dieser Technik ermöglicht unmittelbares Erleben der Grundlagen der Digitaltechnik

Modul aus einem Großrechner von NCR, Ende der 1950-er Jahre

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Digitale Schaltungen mit einfachen Bauelementen unmittelbar und sinnlich erleben In diesem Sinne wurde die Entwicklung und der Aufbau von digitalen Systemen auf der Basis historischer Schaltungen in Form des Projekts Digitaltechnik „BACK TO THE ROOTS“ an der TU-Berlin im Zeitraum 2007/2008 durchgeführt. Damit wurde ein tiefes Verständnis der Schaltungen bis auf das einzelne Schaltelement hinab erreicht, mit dem Ziel, eine neue, bisher unbekannte Perspektive zu schaffen, die dann auch neue, unkonventionelle Lösungsansätze mit heutiger Technologie ermöglicht. Ein weiterer wichtiger Aspekt war das Kennenlernen der “analogen Seite” der Digitaltechnik. In den Übergangsphasen zwischen den diskreten Zuständen in einem digitalen System zeigen sich zahlreiche „analoge“ Phänomene. „Analoge“ Sichtweisen sind gerade für heutige, hoch getaktete Systeme zunehmend wichtig.

Die „analoge Seite“ der Digitaltechnik ist bei heutigen, hoch getakteten Systemen von zunehmender Bedeutung Ein Beispiel aus einem verwandten Gebiet soll die vorstehenden Gedanken illustrieren: Niemand rechnet heutzutage noch einen Frequenzgang einer etwas komplexeren Schaltung von Hand durch. Man zeichnet die Schaltung in den Pspice-Editor, klickt den entsprechenden Button und sieht nach Sekunden den fix und fertig geplotteten Frequenzgang vor sich. Wozu beschäftigt man sich dann im Studium überhaupt noch mit dem „händischen“ Lösen von Differentialgleichungen? Kann man diese Zeit nicht einsparen? Im Sinne der direkten Anwendungsorientierung braucht man es heute tatsächlich (fast) nicht mehr zu können, derartige Gleichungen „händisch“ zu lösen. Aber: Man gewinnt eine gewisse Souveränität dadurch, daß man, zumindest prinzipiell, die Arbeit, die Pspice in Sekunden ausführt in einigen Stunden oder Tagen auch mit Papier und Bleistift ausführen könnte. Man gewinnt beim „händischen“ Rechnen eine Anschauung dessen, worum es geht, auf welcher Grundlage ein Simulationsprogramm arbeitet. Man kann in der Folge die, in der Praxis häufig auftretenden, Simulationsfehler besser einschätzen und man kann vielleicht einmal sogar selbst einen Simulator für etwas schreiben, was es heute noch gar nicht gibt.

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Es gibt also einen nicht sofort erfahrbaren, aber langfristig wirkenden Nutzen, wenn man „freiwillig“ die mächtigen und bequemen, vorgefertigten Dinge aus der Hand legt und die Vorgehensweise auf die Ebene von Papier und Bleistift oder einfacher Bauelemente zurückführt. Kurzfristig wirksam ist allerdings der beglückende „Aha-Effekt“: „Ich kann es selber, mit Papier und Bleistift oder mit Relais und Transistoren, es geht auch mal ohne CPUs und Programme“. Der Anspruch dieses Projekts geht in diesem Sinne ganz bewußt über die reine Vermittlung des derzeit aktuellen Anwendungswissens hinaus. Eine besondere Faszination dieses Projekts bestand darin, zu erleben, wie aus einer Vielzahl von Bauelementen mit für sich genommen elementarster Funktion durch geschickte Verschaltung ein Gerät entsteht, das eine komplexe Aufgabe bewältigen kann. Im Fall des, hier nicht behandelten, elektronischen Rechnens ist es sogar so, daß eine Zusammenschaltung einfachster Bauelemente letztendlich eine Tätigkeit übernimmt, die früher einmal ausschließlich dem menschlichen Gehirn vorbehalten erschein. Es wurden, in zwei Semestern, vier unterschiedliche Teilprojekte realisiert:

-

Der Geigerzähler CARACAL Die Digitaluhr ONCILLA Die Personenwaage SERVAL Die Personenwaage SUPER-SERVAL

in Röhrentechnik in Röhrentechnik in Transistortechnik in heutiger Microcontrollertechnik, funktionsgleich zum SERVAL

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Einige Eindrücke aus der Projektarbeit Seite 1- 6

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Einige Eindrücke aus der Pionierzeit der Digitaltechnik Die 1940-er Jahre In den 1940-er Jahren wurden digitale Systeme in erster Linie mit (elektrommechanischen) Relais aufgebaut. Der erste Computer der Welt wurde 1941 (bzw nach anderen Quellen 1938) von Konrad Zuse in Berlin erfunden und aufgebaut.

Nachbau des Z3 von Zuse Quelle: unbekannt

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Die 1950-er Jahre In den 1950-er Jahren wurden in Digitalschaltungen in erster Linie Elektronenröhren eingesetzt, die eine Vervielfachung der Arbeitsgeschwindigkeiten gegenüber den bisher verwendeten Relais ermöglichten.

Innenleben eines Präzisionstimers von Philips

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Wie diese Anzeige von IBM zeigt, begann sich ein erster Markt für Computer in der Wirtschaft auszubilden.

Anzeige von IBM

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Im Inneren des in der vorstehenden Anzeige abgebildete Computers sind hunderte von RöhrenSteckmodulen zu erkennen. Die folgende Abbildung zeigt einige derartiger Module.

Steckmodule aus einem IBM-Großcomputer

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Auch der Aspekt des Ersatzes von menschlicher Arbeitskraft durch Computer wurde schon thematisiert, jedoch noch im positiven Sinne als hilfreiche Ergänzung und Assistenz für knappe Fachkräfte...

Anzeige von IBM

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IBM fasste bei der nächsten Rechnergenerationen Schaltungsteile zu größeren Modulen zusammen. Man erkennt schon das Konzept der Einschubkarte, jedoch noch ohne Leiterplatte.

Modul aus dem Rechner IBM704

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Frequenz- und Ereigniszähler waren die ersten digital arbeitenden Meßgeräte.

Innenansicht eines Frequenzzählers von Hewlett-Packard

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Zähldekaden in einem Frequenzzähler von Hewlett-Packard

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Bereits in den frühen 1950-er Jahren wurden in großer Zahl Germaniumdioden in Computern verwendet.

Programmspeichermatrix (ROM) mit Germaniumdioden

Detail der Programmspeichermatrix, ein Software-Update wurde durch Umlöten der Dioden ausgeführt.

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Ende der 1950-er Jahre begann das Vordringen des Transistors.

Eine der ersten mit Transistoren bestückten Computerbaugruppen von IBM. Die Transistoren sind, wie es bei Röhren üblich war, in Fassungen montiert. Die schwarzen, an Schwingquarze erinnernden, Metallgehäuse der Transistoren waren nur während einer sehr kurzen Übergangszeit auf dem Markt.

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Computer und andere digitale Systeme waren jedoch noch teure Spezialgeräte, die mit viel Handarbeit gefertigt wurden.

An der Kombination von (damaliger) Hochtechnologie in Form einer doppelseitig durchkontaktierten Leiterplatte und Handarbeit (bei der Verdrahtung der Röhrenfassungen) auf dieser Computerbaugruppe (entwickelt 1955, hergestellt 1960) ist zu erkennen, daß Computer Ende der 1950-er Jahre Zeit noch teure Spezialgeräte waren, die nur in kleinen Stückzahlen gefertigt wurden.

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Die 1960-er Jahre Bereits zum Ende der 1950-er Jahre wurden Elektronenröhren zunehmend durch Transistoren verdrängt. Damit reduzierten sich Leistungsaufnahme und Platzbedarf und nicht zuletzt die Ausfallwahrscheinlichkeit von Digitalen Systemen um Größenordnungen. Damit wurde der Anwendungsradius der Digitaltechnik erheblich erweitert.

Leiterplatten aus einem IBM-Großrechner aus dem Jahr 1964. Es fällt auf, daß diese Leiterplatten für die kostengünstige, automatisierte Großserienfertigung optimiert sind. Dies stellte ein neues Element in der Fortentwicklung digitaler Systeme dar. Bis zu diesem Punkt der Entwicklung ging es in erster Linie darum, überhaupt eine bestimmte Funktion bereitzustellen, die Herstellungskosten waren zweitrangig, die Stückzahlen waren nicht groß. Es wurden bisher einerseits für die damalige Zeit aufwendige Technologien wie doppelseitig durchkontaktierte Leiterplatten eingesetzt, andererseits war der Anteil der Handarbeit hoch. Die hier gezeigten Leiterplatten haben eine absolute Beschränkung auf den zweidimensionalen Aufbau, die Bauteile sind so angeordnet, daß sie von Automaten gesetzt werden können, es ist wurde technologisch auf die kostengünstige einseitig kaschierte Leiterplatte zurückgegangen. Die Bohrbilder verschiedener Leiterplattentypen sind teilweise vereinheitlicht. Die Leiterplatten wurden automatisch im Schwallbad gelötet. Hier zeigt sich der Beginn des Übergangs der Computertechnik zur Massenproduktion.

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Ausschnitt aus einer Baugruppe eines Tischrechners von Hewlett-Packard (hergestellt 1970, eine Entwicklung aus den 1960-er Jahren)

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Für Spezialaufgaben wie die hochgenaue A/D-Umsetzung in Digitalvoltemetern, wie etwa dem BECKMAN 4011H aus dem Jahr 1961, wurden auch in den 1960-er Jahren noch elektromechanische Schaltwerke eingesetzt

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Der Trend ging zur Standardisierung und Vorfertigung digitaler Funktionsgruppen, die zunächst noch mit diskreten Transistoren aufgebaut wurden.

Mit diskreten Transistoren aufgebaute Teilschaltungen, wie Gatter oder Flipflops, wurden als standardisierte, vergossene Module eingesetzt und waren die Vorläufer der monolithisch integrierten Schaltungen. In den Montageblöcken aus weißem Plastik befinden sich Dioden zur Herstellung logischer Verknüpfungen.

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Die Möglichkeit der monolithischen Integration von digitalen Funktionsblöcken führte zu einer drastischen Reduktion von Baugröße und Gewicht, was besonders für digitale Systeme in der Luft-und Raumfahrt von Bedeutung war.

Eine der weltweit ersten SMD-Leiterplatten aus dem Jahr 1967, aus dem Navigationssystem eines amerikanischen Militärflugzeugs. Die Leiterplatte war Ihrer Zeit um zwei Jahrzehnte voraus, die Oberflächenmontage (SMD) setzte sich erst mit den beginnenden 1990-er Jahren flächendeckend durch.

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Die 1970-er Jahre bis heute Seit den beginnenden 1970-er Jahren werden erster Linie integrierte Schaltkreise eingesetzt.

Ausschnitt aus einer Baugruppe eines Großrechners von Sperry-Univac (1988)

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Der Übergang zur Oberflächenmontage und immer feineren Anschlußgeometrien der integrierten Schaltkreise sowie deren höhere integrationsdichte führt zu einem immer kompakterem Aufbau digitaler Systeme. Auf dieser Baugruppe ist zudem, in Form der „Actel“-Bausteine, der in den 1990-er Jahren stattgefundene Paradigmenwechsel in der Realisierung digitaler Schaltungen zu sehen: Diese programmierbaren Logibausteine enthalten unbeschaltete digitale Funktionselemente wie Gatter und Flipflops, sie werden durch Schaltmatrizen miteinander verbunden. Die Konfiguration der Matrizen wird in den Baustein geladen. Die Realisierung der Schaltung hat sich von dem „handwerklichen“ Verbinden von Bauelementen mit festgelegter Funktion gelöst. Stattdessen wird am Computer, aus einer Schaltungsbeschreibung oder einem Schaltplan, ein Konfigurationsdatensatz zum Herunterladen in den programmierbaren Logikbaustein erzeugt. Der somit gegebene Wegfall von Verbindungen zwischen verschiedenen Chips erlaubt deutlich höhere Verarbeitungsgeschwindigkeiten. Die Änderbarkeit der Schaltung durch einfaches Herunterladen mindert das Entwicklungsrisiko und ermöglicht damit die Realisierung komplexerer Funktionen.

Ausschnitt aus der Leiterplatte eines amerikanischen Militärcomputers mit programmierbaren Logikbausteinen (1995)

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Einige Gedanken zum Begriff „Digital“ Was heißt eigentlich „digital“? Der Begriff „digital“ kommt vom lateinischen „digitus“, „der Finger“. „Digital“ bedeutet „mit den Fingern abzählbar“. Damit ist das Vorhandensein voneinander abgegrenzter, diskreter Zustände gemeint. Es sind keine Zwischenwerte vorhanden. „Analog“ heißt dagegen, daß beliebig viele Zwischenwerte vorhanden sind. Dieser Hintergrund des Begriffs „Digital“ wurde von IBM in den 1950-er Jahren in einer Anzeige einprägsam visualisiert:

Anzeige von IBM mit Visualisierung des Begriffs „Digital“.

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Elektronenröhren (und auch Transistoren) sind „analoge“ Bauelemente. Ihre Kennlinien lassen unendlich viele Zwischenwerte zu. Die ursprüngliche Anwendung von Elektronenröhren war das Verstärken von Analogsignalen in der Funk- und Audiotechnik.

Kennlinie einer Elektronenröhre, der Doppeltriode E92CC Quelle:Philips

Durch gleichspannungsgekoppelte Mitkopplung lassen sich jedoch Schaltungen aus zwei Röhren (oder Transistoren) aufbauen, die nur noch zwei diskrete Zustände einnehmen können. Jeweils eine der beiden Röhren sperrt vollständig, während die andere bis zur Sättigung ausgesteuert ist. Diese Schaltung wurde bereits 1919 von Eccles und Jordan erfunden. Sie ist unter den Bezeichnungen „Triggerschaltung“, „Entscheidungsschaltung“, „Schmitt-Trigger“ und nicht zuletzt „Flipflop“ bekannt. Das Flipflop ist die wichtigste digitale Elementarfunktion überhaupt.

Ein-und Ausgangssignal eines Schmitt-Triggers der ONCILLA-Uhr, aufgebaut mit einer Doppeltriode E92CC Seite 1- 26

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Wie arbeitet ein Flipflop? Der Ein- und der Ausgang eines Gleichspannungsverstärkers werden über einen Widerstand miteinander verbunden. Es sei angenommen, der Eingang sei nur ein ganz wenig positiv. Dann nimmt der Ausgang ein um den Verstärkungsfaktor multipliziertes, ebenfalls positives Potential an, das wiederum über den zum Eingang führenden Widerstand auf den Eingang gelangt. Damit wird der Ausgang wiederum, verstärkt um den Verstärkungsfaktor, positiver. Es ist leicht einzusehen, daß dieser Vorgang erst dann beendet ist, wenn sich der Ausgang des Verstärkers praktisch auf der positiven Betriebsspannung befindet, also in die Sättigung gesteuert ist. Wenn man annimmt, der Eingang des Verstärkers sei ein wenig negativ, dann ist offensichtlich, daß dies einen gleichartigen Vorgang einleitet, der mit der Sättigung des Verstärkerausgangs hin zur negativen Versorgungsspannung endet. Die Schaltung kann also nur zwei diskrete Zustände einnehmen, da ihr Verhalten in den Übergangszuständen instabil ist. Im Folgenden ist gezeigt, wie man dieses Verhalten zur Speicherung von Informationen nutzen kann. Nach dem Zuschalten der Versorgung ist der Zustand am Ausgang Q zufällig, dieser kann sich in der positiven oder in der negativen Sättigung befinden. V+

Preset V

Q

Reset

V-

Schritt 1: Der Zustand des Ausgangs ist zufällig Nun wir der Preset-Schalter geschlossen. Damit wird ein positives Potential am Eingang erzwungen. Damit geht auch der Ausgang in die positive Sättigung.

V+

Preset

+

Reset

V

+

Q

+ V-

Schritt 2: Der Ausgang wird mit dem Preset-Schalter in die positive Sättigung gezwungen Seite 1- 27

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Der Preset-Schalter wird wieder geöffnet. Der Zustand des Ausgangs bleibt, beliebig lange, erhalten, da der Eingang durch den Ausgang „positiv gehalten“ wird, was wiederum den Ausgang „positiv hält“.

V+

Preset

+

Reset

V

+

Q

+ V-

Schritt 3: Nach dem Öffnen des Schalters wird der eingenommene Zustand beliebig lange beibehalten. Nun wird der Reset-Schalter geschlossen. Damit wird ein negatives Potential am Eingang der Schaltung erzwungen. Auch der Ausgang geht damit in die negative Sättigung.

V+

Preset

-

Reset

V

-

Q

V-

Schritt 4: Zustandswechsel durch Betätigen des Reset-Schalters. Auch dieser Zustand kann beliebig lange gehalten werden.

V+

Preset V

Q

Reset

V-

Schritt 5: Nach dem Öffnen des Schalters wird auch der neue Zustand beliebig lange beibehalten. Seite 1- 28

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Anstelle des gezeigten nichtinvertierenden Verstärkers kann man auch zwei invertierende Verstärker hintereinanderschalten. Die Funktion der Schaltung wird dadurch nicht verändert. Man erhält dann zusätzlich die praktische Anwendung erleichternde komplementäre Ein- und Ausgänge. V+

Q

/Q

Preset V

Q V

Reset

V

Preset

Reset V-

V-

V-

Schritt 6: Ersatz des nichtinvertierenden Verstärkers durch zwei hintereinandergeschaltete invertierende Verstärker Es wird, ohne irgendeine inhaltliche Änderung, eine andere zeichnerische Darstellung gewählt.

V-

V

/Q

V

Q

Reset

V-

Preset

Schritt 7: Andere zeichnerische Darstellung Die zeichnerische Darstellung wird noch einmal, wieder ohne inhaltliche Änderung, weiter verändert.

V

Q

V

/Q

Reset

Preset

V-

V-

Schritt 8: weiter veränderte zeichnerische Darstellung Seite 1- 29

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Die abstrakten Symbole für die invertierenden Verstärker werden durch die Prinzipschaltung eines invertierenden Verstärkers mit Elektronenröhren ersetzt. Eine negative Spannung am Gitter der Elektronenröhre führt dazu, daß diese sperrt, womit das Potential der Anode der Röhre ansteigt. Dieses Verhalten ist dem Verhalten eines heutigen MOSFETs ähnlich.

/Q

Q V+

E92CC

E92CC

V-

V-

2

7

5

7

6

2

1

V+

Reset

Preset

=

V7

V-

5

Schritt 9: Prinzip der Realisierung mit Elektronenröhren

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In der Praxis würde die im letzten Schritt dargestellte Schaltung nicht arbeiten, da die Spannungspegel an den Eingängen zu hoch sind und sie durch das Fehlen der Gittervorspannung keinen sinnvollen Arbeitspunkt einnimmt. Daher werden in die Rückführung Spannungsteiler und eine automatische Gittervorspannungserzeugung in den Kathodenkreis eingefügt.

/Q

Q

2

E92CC 270K

E92CC 270K

1

100K

+170V

100K

+170V

7

7

82K

5

82K

6

-130V

10nF

12K

-130V

-130V

Reset

Preset

V-

V-

Schritt 10: Hinzufügen von Bauelementen, die das praktische Arbeiten der Schaltung ermöglichen

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Im Folgenden ist eine tatsächlich funktionsfähige Flipflop-Schaltung dargestellt, wie sie in der Digitaluhr ONCILLA verwendet wird. Die Schaltung hat noch einen zusätzlichen Eingang, den ToggleEingang. Durch einen negativen Puls an diesem Eingang kann der gegenwärtige Zustand des Flipflops in den jeweils komplementären Zustand gekippt werden. Damit ist die Zählung von Impulsen möglich.

+170V

27K 100pF

/Toggle

42K

42K

E92CC

E92CC 270K

33pF

33pF

270K

6

5

82K

7

2

Q

82K

-130V

-130V

12K

7

1

/Q

10nF

-130V

1N4007

/Reset

1N4007

/Preset

Schritt 11: Praktische Ausführung der Schaltung in der Digitaluhr ONCILLA, daneben ein Flipflop aus einem IBM-Großrechner der 1950-er Jahre. Foto: Ekkehard Nitschke Alex Tossi Fotografie

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Es soll abschließend nochmals die Eingangs erwähnte Betrachtung, daß Elektronenröhren eigentlich „analoge“ Bauelemente sind, mit einem prägnanten Beispiel unterstrichen werden. So hat IBM in den 1950-er Jahren keineswegs nur spezielle, für digitale Anwendungen optimierte „Computerröhren“ verwendet, sondern auch übliche Verstärkerröhren, wie etwa die 12AY7 / 6072. Diese Röhren wurden, z.B. von General Electric in der normalen Serienfertigung gebaut und bekamen lediglich anstelle des GE-Logos eine Sonderstempelung mit dem IBM-Logo. Es sind technisch exakt die selben Röhren, die z.B. von FENDER in dem legendären BASSMAN 5F6-AGitarrenverstärkern, die 1959 auf den Markt kamen eingesetzt wurden. Wenn man nun, wie im folgenden Bild gezeigt, eine derartige, mit dem IBM-Logo gestempelte, 12AY7/6072 aus dem Jahr 1959 in einem präzisen Nachbau des FENDER BASSMAN 5F6-A (dem im Rahmen eines früheren Projekts im Rahmen von Mixed Signal Baugruppen im Zeitraum 2006/2007 entstandenen WILDCAT BASSMAN PLUS) anstelle einer 12AY7 aus heutiger Produktion in der Eingangsstufe einsetzt, dann erhält man ein wunderbares, lebendiges, präzises und druckvolles Klangbild. Der Klang ist wesentlich näher an den Originalaufnahmen der ausgehenden 1950-er und beginnenden 1960-er Jahre, als man dies mit Röhren aus heutiger Produktion erreichen kann.

Der Einsatz einer mit IBM-Logo gestempelten 12AY7/6072 aus dem Jahr 1959 in einem Gitarrenverstärker bringt ein lebendiges, feingezeichnetes, authentisches 1950‘s Klangbild. Damit wird die Tatsache unterstrichen, daß Elektronenröhren „analoge“ Bauelemente sind, auch wenn sie, wie die gezeigte Röhre, ursprünglich in einem digitalen Computer verwendet wurde.

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Digital“ heißt nicht zwingend „binär“ Oftmals hört man den Satz: „Digital bedeutet Null und Eins“. Dies ist aber nicht richtig, auch wenn es zunächst naheliegend erscheint. In binären digitalen Schaltungen, wie sie heute fast ausschließlich im Einsatz sind, repräsentieren stets zwei diskrete Spannungsniveaus die Zustände „0“ und „1“ Dies hat, insbesondere in Verbindung mit Transistoren, erhebliche schaltungstechnische Vorteile. Es besteht aber bezüglich des grundsätzlichen Prinzips „Digital“ keine Beschränkung auf nur zwei Spannungsniveaus. Es ist auch beispielsweise eine 10-wertige Logik möglich, bei der 10 diskrete Spannungsniveaus die Zustände „0“ bis „9“ repräsentieren. Diese Form der Digitaltechnik wurde in den 1950-er und 1960-er Jahren in Form der Zählröhre E1T in weiter Verbreitung eingesetzt und ist jedoch heute nicht mehr gebräuchlich. Im Rahmen des Projekts „Digitaltechnik BACK TO THE ROOTS wurde 10-wertige Logik in Form der E1T in beim Geigerzähler CARACAL und der Zeitbasis der Digitaluhr ONCILLA eingesetzt.

Zählröhren E1T in einem Geigerzähler von Friesecke und Höpfner (ca. 1960)

Die Zählröhre E1T ist die erste integrierte Digitalschaltung der Welt, sie integriert die Funktionen „Zählen“, „Speichern“ und „Anzeigen“ und wurde 1949 von Philips entwickelt. Gegenüber dekadischen Zählketten mit binären Flipflops und separaten Decodern und Anzeigen waren mit ihr erhebliche Einsparungen möglich. Sie basiert auf der Ablenkung eines Elektronenstrahls auf eine Lochblende. Eine Mitkopplung von der Lochblende auf die Ablenkplatten läßt nur 10 stabile Ablenkwinkel bzw. Spannungsniveaus zu.

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Das „Innenleben“ der E1T ist ein komplexes elektronenoptisches System. Die Winkelstellung des Strahls repräsentiert den Zählerstand . Die Winkelstellung wird durch die Spannung zwischen den Ablenkplatten bestimmt. Die schon erwähnte Mitkopplung läßt nur diskrete Winkelstellungen bzw. Spannungsniveaus zu. Der Übergang zwischen diskreten Winkelstellungen erfolgt durch Impulse an einer der beiden Ablenkplatten, während die gegenüberliegende Ablenkplatte zwecks Mitkopplung mit der hinter der Lochblende liegenden Hauptanode verbunden ist. Das nachfolgend abgebildete Oszillogramm zeigt den Spannungsverlauf an der Hauptanode während eines Zählvorgangs.

Zählröhren E1T im Einsatz / Spannungsverlauf an der Hauptanode während eines Zählvorgangs Die Anzeige des Zählerstands erfolgt durch das Auftreffen des Elektronenstrahls auf einen Leuchtschirm, an dem die Positionen der einzelnen Ziffern gekennzeichnet sind. Die folgende Abbildung gibt einen Eindruck vom inneren Aufbau der Röhre.

Der innere Aufbau der E1T Quelle: VALVO

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Der Geigerzähler CARACAL Der Geigerzähler CARACAL demonstriert das Zählen mit 10-wertiger Logik unter Einsatz der Zählröhre E1T. Er ist ein sechsstelliger Ereigniszähler mit vorgeschalteter, an die Ausgangsimpulse des Zählrohrs angepaßter Impulsformerstufe.

Der Geigerzähler CARACAL

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Die Digitaluhr ONCILLA Das Zählen ist die elementarste digitale Grundfunktion. Wie schon gesagt, bedeutet „Digital“ im Wortsinne „ mit den Fingern abzählbar“. Die Funktion „binäres Zählen“ kann sehr gut mit einer Digitaluhr demonstriert werden. Eine Uhr zählt Sekunden. Eine weitere Motivation zum Aufbau dieser Uhr war das Kennenlernen der Technologie der ersten kommerziellen Großrechner aus den 1950-er Jahren, der „Vorfahren“ unserer heutigen PCs, die mit Elektronenröhren und Halbleiterdioden aufgebaut waren. Ein funktionsfähiger Computer bräuchte jedoch bis zu 100 qm Fläche und über 1000 Röhren. Der Aufbau einer Digitaluhr ermöglicht dagegen die Demonstration dieser Technik mit realisierbarem Platz- und Strombedarf. Die Digitaluhr ONCILLA arbeitet mit 79 Röhren. Es gibt bisher nur zwei publizierte Vollröhren- Digitaluhren auf der Welt. Die ONCILLA-Uhr ist nach dem derzeitigen Wissenstand des Verfassers die dritte existierende Vollröhren-Digitaluhr.. Nicht zuletzt spielte auch der Gedanke eine entscheidende Rolle, daß die Möglichkeit bestand, diese Uhr außerhalb der Lehrveranstaltung kommerziell als Werbeträger einzusetzen. Sie stand als Eyecatcher am TIGRIS-Messestand auf der Embedded World 2008 in Nürnberg. Es zeigte sich eine erhebliche Resonanz, die Uhr war nahezu während der gesamten Messe von Interessierten umlagert.

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Die Digitaluhr ONCILLA Foto: Ekkehard Nitschke Alex Tossi Fotografie

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Blick auf die binären Zählstufen der Digitaluhr ONCILLA

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Die Personenwaage SERVAL Die Personenwaage SERVAL demonstriert den Einsatz von Transistortechnik und die Digitalisierung analoger Größen. Die digitale Speicherung und Verbreitung „analoger“ Sinneseindrücke ist heute alltäglich, man denke etwa an MP3-Player und Digitalkameras. Dies erfordert jedoch die Digitalisierung der ursprünglich analogen Eingangsgrößen wie Schalldruck und Lichtintensität. Hierzu wird die Schlüsselfunktion der Analog/Digital-Umsetzung benötigt. Eine digital anzeigende Waage ist eine sehr anschauliche und alltagsnahe Anwendung der A/DUmsetzung. Das analoge Ausgangssignal eines Kraftsensor wird digitalisiert und als Zahlenwert angezeigt. Der SERVAL wurde nur mit Transistoren und Dioden, ohne integrierte Schaltkreise, aufgebaut, es wurden 281 Transistoren verwendet.

Der erste Test des SERVAL mit einem 20kg-Kalibriergewicht

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Die Analog/Digital-Umsetzung erfolgt mit dem Dual-Slope-Verfahren mit 14 Bit Auflösung. Der Meßbereich ist 0..99,99 kg. Die tatsächlich erzielte Genauigkeit ist besser als +/-60g, also +/- 0,06% vom Meßbereichsendwert. Sie wird durch Konstruktion des Wägetellers und nicht durch die Elektronik begrenzt. Eine besondere Herausforderung stellte der Aufbau der benötigten analogen Präzisionsschaltungen ohne die Zuhilfenahme von integrierten Operationsverstärkern dar. Die Auflösung des SERVAL ist 10 g. Einer Gewichtsdifferenz von 10g entspricht jedoch eine Spannungsdifferenz von lediglich 0,6uV am Ausgang des Kraftsensors! Damit wird eine extreme Anforderung an die Offsetdrift der analogen Signalvorverarbeitungsstufe gestellt.

Teilansicht des A/D-Umsetzers des SERVAL

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Die Gewichtswerte werden mit einer vierstelligen Nixie-Anzeige dargestellt.

Anzeige von Gewichtswerten mit der vierstelligen Nixie-Anzeige

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Die Personenwaage SUPER-SERVAL Der SUPER-SERVAL ist in Funktionsumfang und Genauigkeit exakt mit dem SERVAL identisch, ist jedoch in aktueller Microcontrollertechnik des Jahres 2008 ausgeführt. Damit ist ein direkter Vergleich der Transistortechnik des SERVAL mit heutiger Technologie möglich.

Test des SUPER-SERVAL mit einem 20kg-Kalibriergewicht

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Neben dem direkten Vergleich der Baugröße und der Leistungsaufnahme wurde auch ein Vergleich des Entwicklungsaufwandes und, nicht zuletzt der Entwicklungsmethodik möglich. Während die Zeit zwischen dem Beginn des Detailentwurfs des SERVAL bis zu seiner Fertigstellung, ohne die Lieferzeit für Bauelemente und Leiterplatten, 7 Wochen betrug, wurde der SUPER-SERVAL in weniger als zwei Wochen mit erheblich geringeren Materialkosten fertiggestellt. Die Verwendung vorgefertigter Elemente, insbesondere in Form des hochintegrierten Microcontrollers ADuC845, führte zu einem äußerst effizienten Vorankommen, ließ aber auch, im Vergleich zum SERVAL weniger eigene Gestaltungsspielräume und bot weit weniger Möglichkeiten, kreativ zu sein..

Größenvergleich zwischen SERVAL und SUPER-SERVAL

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6 Jahrzehnte Digitaltechnik in 2 Semestern Mit der Vollendung des SUPER-SERVAL ist der Kreis geschlossen, von der Digitaltechnik mit Röhren über die Digitaltechnik mit Transistoren bis hin zur Digitaltechnik mit hochintegrierten Schaltkreisen

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Foto(oben): Ekkehard Nitschke Alex Tossi Fotografie

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