Themen:
- Einführung
- Logikgatter
- Kombinatorische Schaltkreise und Automobilanwendungen
Einführung:
Die Informationsverarbeitung moderner Kraftfahrzeuge erfolgt weitgehend oder nicht vollständig digital. Die digitalen Informationen bestehen aus elektrischen Spannungen, wobei je nach Spannungspegel ein Ja/Nein oder Ein/Aus gebildet wird. Im Schnittstellenelektronik befindet sich auf einem A/D-Wandler (Analog/Digital), wo eine Sensorspannung in eine digitale Nachricht umgewandelt wird, die aus Einsen und Nullen besteht.
In der digitalen Elektronik spricht man von einer logischen 1 oder einer logischen 0. Die Spannungen liegen auf TTL-Pegel (Transistor Transistor Logic).
- Ja oder am: logisch 1: 5 Volt
- Nein oder aus: logisch 0: 0 Volt
Grundlegende elektronische Schaltkreise in Steuergeräten enthalten viele ICs, die logische Schaltkreise erstellen. Diese logischen Schaltkreise enthalten Logikgatter, die von der CPU entweder Hardware oder Software gesteuert werden können.
Logikgatter:
Die ALU (Arithmetic Logic Unit) ist der zentrale Teil des Mikroprozessors in einem Steuergerät. Die ALU führt arithmetische und logische Operationen aus. Die ALU prüft außerdem, wo im Speicher sich der nächste Befehl des auszuführenden Programms befindet.
Die ALU enthält Logikgatter, die häufig aus Siliziumhalbleitern bestehen. Die Logikgatter können mithilfe eines Binärcodes Operationen innerhalb weniger Nanosekunden ausführen; eine Kombination aus Einsen und Nullen. Dadurch wird ein Befehl ausgegeben, der aus zwei Optionen besteht: Ein oder Aus, leitend oder nicht leitend. In der ALU werden mehrere Befehle gleichzeitig verarbeitet und bilden je nach Rechnerarchitektur ein „Wort“ mit 8, 16 oder 32 Bit. Ein Wort ist die größte Datenmenge, die in einem einzelnen Datenregister gespeichert ist. Dabei handelt es sich um die Datenmenge, die der Auftragsverarbeiter gleichzeitig verarbeiten kann.
Die folgenden Grundoperationen finden in einer ALU statt:
- Verschieben einer oder mehrerer Bitpositionen nach links oder rechts (Shift)
- Durchführen arithmetischer Operationen an zwei Wörtern, z. B. Addition oder Addition (addieren);
- Durchführen logischer Operationen an den Daten (UND, ODER, NICHT, NAND, NOR, XOR, XNOR).
Die Bilder unten zeigen die ALU als Symbol (links) und mit den IEC-Symbolen, die die Operation von A und B (eingehend) nach R (ausgehend) übersetzen.
Die NOT-, OR- und AND-Gatter, die wir in der rechten ALU sehen, sind die am häufigsten verwendeten Gatter zur Durchführung logischer Operationen. Zusätzlich zu diesen drei Basisports gibt es Ports. Wir werden später auf dieser Seite darauf zurückkommen. Mit den NOT-, OR- und AND-Gattern können die Ergebnisse von Eingängen vorprogrammiert werden. Mittels einer Schaltung, die z. B. die Handbremswarnleuchte mit einer Antwort wie Ja/Nein oder Richtig/Falsch ansteuert, kann die Leuchte anhand von zwei Eingängen aktiviert werden.
- ist die Handbremse angezogen?
- Stimmt der Füllstand im Bremsflüssigkeitsbehälter?
Können eine oder beide Antworten mit „Ja“ beantwortet werden, wird die Warnleuchte aktiviert. Weitere Beispiele folgen weiter unten auf dieser Seite.
Die folgende Tabelle zeigt diese drei grundlegenden Ports. Auf dieser Seite verwenden wir hauptsächlich die englischen Bezeichnungen (AND statt EN), um für Sie als Leser keine Verwirrung zu stiften, aber beide sind natürlich korrekt. Gleiches gilt für die Symbole (IEC und ANSI). Wir verwenden die IEC-Symbole, in der amerikanischen Literatur sehen wir jedoch hauptsächlich die ANSI-Symbole. Außerdem gilt: Verwechseln Sie sie nicht und verwenden Sie eine Symbolart.
Unterhalb der Tabelle finden Sie eine Erläuterung der Eigenschaften der einzelnen Gatter. Die Wahrheitstabelle zeigt, welche Eingaben zu einer Ausgabe von 0 oder 1 führen.
Nachfolgend finden Sie die Erklärung der drei Tore mit dem Symbol und der Wahrheitstabelle, die die Ausgaben für verschiedene Eingabekombinationen zeigt.
UND-Gatter:
Das UND-Gatter (niederländisch: UND-Gatter) kann mehrere Eingänge haben, hat aber immer nur einen Ausgang. Im Bild sehen wir die Eingänge a und b. Es besteht die Möglichkeit, an beiden Eingängen unabhängig voneinander eine 1 oder eine 0 einzustellen. Der Ausgang (Q) wird 1, wenn beide Eingänge (a und b) 1 sind. In allen anderen Fällen ist der Ausgang Q 0.
- Mit zwei Eingängen des UND-Gatters (in diesem Fall Eingang A und B) gibt es vier mögliche Schaltungen, um einen Ausgang zu erzeugen. Diese werden in der Wahrheitstabelle rechts neben dem Bild des UND-Gatters angezeigt.
- Bei vier Eingängen gibt es 16 Möglichkeiten;
- Bei acht Eingängen ergeben sich sogar 256 Möglichkeiten.
ODER-Gatter:
Das ODER-Gatter (niederländisch: OF-Gatter) kann auch mehrere Eingänge mit einem Ausgang haben. Bei einem ODER-Gatter ist der Ausgang 1, wenn einer der beiden Eingänge eine 1 ist oder wenn beide Eingänge eine 1 sind.
NICHT Tor:
Das NOT-Gatter (niederländisch: NOT-Gatter) fungiert als Inverter und hat nur einen Ein- und Ausgang. Das Eingangssignal ist invertiert: Wenn das Eingangssignal 1 ist, wird das Ausgangssignal 0 und umgekehrt.
Neben den genannten Schaltungen (UND, ODER und NICHT) kennen wir auch eine Reihe abgeleiteter Logikschaltungen. Mit diesen Schaltungen können wir zwei der zuvor besprochenen Schaltungen zu einer Schaltung kombinieren.
NAND-Gatter:
Das Nicht-UND-Gatter ist ein UND-Gatter, gefolgt von einem NICHT-Gatter. Die Ausgabe ist 1, wenn mehrere Eingaben eine 1 haben. Nur wenn alle Eingänge eine 1 haben, ist der Ausgang eine 0. Dies ist genau das Gegenteil des zuvor besprochenen UND-Gatters.
NOR-Gatter:
Das Nicht-ODER-Gatter (Non-OR-Gatter) ist ein ODER-Gatter gefolgt von einem NICHT-Gatter. Es kann mehrere Eingänge haben und hat nur einen Ausgang. In dieser Schaltung ist der Ausgang nur 1, wenn beide Eingänge 0 sind.
XOR-Gatter:
Das Exklusiv-ODER-Gatter ist ein Gatter, dessen Ausgang 1 ist, wenn nur ein Eingang 1 ist. Wenn beide Eingänge den gleichen logischen Zustand haben, wird der Ausgang zu 0. Das XOR-Gatter hat nie mehr als zwei Eingänge.
XNOR-Port:
Das eXclusive-OR-Gatter ist mit einem NOT-Gatter ausgestattet, was es zu einem eXclusive-NOT-OR-Gatter macht. Der Ausgang wird am XOR-Gatter invertiert.
Für jeden IC ist es wichtig, dass sowohl eine Stromversorgung als auch Masse angeschlossen sind, um einen geschlossenen Stromkreis zu erreichen. Beide Ports müssen außerdem mit Spannung versorgt werden, um eine schwebende Messung zu verhindern. Zum ordnungsgemäßen Schalten der Ein- und Ausgänge sind Pull-Up- und Pull-Down-Widerstände erforderlich. Ohne diese Widerstände können die Ports „aktiv“ bleiben, ohne gesteuert zu werden. Die Ports sind dann nicht zuverlässig.
Kombinatorische Schaltungen und Automobilanwendungen:
Die digitalen ICs können miteinander verbunden werden, indem der Ausgang eines ICs mit dem Eingang des anderen ICs verbunden wird. Mit diesen Kombinationen können Schaltungen erstellt werden, die für jede gewünschte Eingangskombination eine gewünschte Ausgangskombination erzeugen. Werden mehrere ICs miteinander verbunden, spricht man von einer Kombinationsschaltung. Um ein Gefühl für die kombinatorischen Schaltkreise zu bekommen, werden im Folgenden Beispiele aus der Automobiltechnik aufgeführt.
Lichtwarnschaltung:
Ein praktisches Beispiel für eine Kombinationsschaltung ist die Lichtwarnung. Beim Ausschalten der Zündung und Öffnen der Tür bei eingeschalteter Außenbeleuchtung muss der Fahrer durch einen Summer gewarnt werden. Das UND-Gatter wird für die drei Eingangssignale verwendet. Wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, müssen alle Eingänge des UND-Gatters 1 sein, um eine 1 am Ausgang zu erhalten und den Summer zu aktivieren. Wenn einer der drei Eingänge des UND-Gatters eine 0 ist, bleibt der Ausgang 0 und der Summer bleibt ausgeschaltet.
- Lichtschalter: Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, zeigt Eingang a eine 0 an. Bei eingeschaltetem Park- oder Abblendlicht wird dies zu einer 1;
- Zündschloss: Bei eingeschaltetem Zündschloss erscheint am Eingang b eine 1. Bei ausgeschalteter Zündung eine 0. In diesem Fall invertiert das NICHT-Gatter die 0 in eine 1, um das richtige Signal für das UND-Gatter zu erhalten.
- Türschalter: Bei geöffneter Tür wird das Signal auf Masse geschaltet. Genau wie beim Zündschalter muss die 0 in eine 1 invertiert werden, damit das UND-Gatter ordnungsgemäß funktioniert.
