Fakultät für Physik

Physikalisches Praktikum P1 für Studierende der Physik

Versuch P1-51, 52, 53 (Stand: Oktober 2024)

Raum F1-08

Schaltlogik

Motivation

In jedem physikalischen Labor werden heutzutage Daten digitalisiert und digital weiterverarbeitet. Die digitale Schaltlogik bildet daher eine wichtige Grundlage zur Erfassung und weiteren Verarbeitung von Daten. Im Praktikum erleben Sie digitale Datenaufzeichnung beim Digitaloszilloskop und ohne Ausnahme überall dort, wo Sie Daten direkt aus einem Messgerät beziehen. Mit diesem Versuch führen wir Sie in die der Physik benachbarte Disziplin der Digitaltechnik ein. Sie können dabei einen Blick über den Tellerrand der reinen Physik werfen und Ihren Horizont als Physiker:in um einen wichtigen Aspekt wissenschaftlichen Arbeitens erweitern. Von Aufgabe zu Aufgabe entwickeln Sie ein grundlegendes Verständnis für das Gebiet der digitalen Schaltlogik, von den physikalischen Grundlagen zur Realisierung digitaler Schaltungen, die Sie mit bekannten elektrischen Bauelementen und Kabeln am Schaltbrett untersuchen, bis hin zur Schaltung eines digitalen Speicherelements und eines daraus erzeugten einfachen Zählers, den Sie selbst realisieren. Zwischen den Aufgaben 1 und 2 erleben Sie den Übergang vom einfachen Schaltbrett zum hochmodernen programmierbaren Chip (FPGA), auf dem alle weiteren Schaltungen nur noch konfiguriert werden. Für den FPGA wird die Schaltung, die Sie sich erarbeiten in Software realisiert und anschließend auf den konfigurierbaren Chip hochgeladen. FPGAs werden überall dort verwendet, wo die schnelle Prozessierung von Daten, zum Beispiel für die Entscheidungsfindung ob ein bestimmtes Messereignis weiter ausgewertet oder verworfen werden soll, von höchster Wichtigkeit ist. Was Sie lernen schließt nahtlos an die Versuche Elektrische Messverfahren, Netzwerke und Leitungen und Transistor und Operationsverstärker an.

Lehrziele

Wir listen im Folgenden die wichtigsten Lehrziele auf, die wir Ihnen mit dem Versuch Schaltlogik vermitteln möchten:

• Sie nutzen bekannte elektrische Bauelemente, um logische Gatter mit Hilfe von elektrischen Schaltkreisen zu realisieren.
• Sie lernen, wie man komplizierte logische Schaltungen aus einfacheren Schaltungen aufbaut.
• Sie lernen den Übergang vom Schaltbrett, in dem die Bauelemente mit Kabeln verbindet zur integrierten Technik eines FPGA Chips kennen, den Sie am Computer konfigurieren.
• Am Ende des Versuchs realisieren Sie eine einfache digitalen Schaltung, die die Zahlen von 1 bis 15 binär zählt.

Versuchsaufbau

Ein typischer Aufbau für den Versuch Schaltlogik ist in Abbildung 1 gezeigt:

Abbildung 1: (Ein typischer Aufbau für den Versuch Schaltlogik)

Am Arbeitsplatz finden Sie eine Schaltbrett der Marke Fisher zum Aufbau logischer Gatter mit elektrischen Bauelementen und Kalbeln, sowie eine Platine mit FPGA und einen Rechner zur Konfiguration des FPGA. Zudem stehen Ihenen mehrere Kabel in den Farben schwarz, blau und rot, Feinwerkzeug und ein Multimeter zu Verfügung.

Wichtige Hinweise

• Für diesen Versuch entfällt die Auswertung von Daten mit Methoden der statistischen Datenanalyse. Eine Aufgabe gilt als erfüllt, sobald Sie die entsprechende Schaltung, je nach Aufgabenstellung, am Steckbrett oder auf dem FPGA realisiert und die entsprechende Wahrheitstabelle überprüft haben.
• Dokumentieren Sie diesen Umstand entsprechend in Ihrem Protokoll, so dass Sie den Versuch mit Hilfe Ihres Protokolls zu jedem Zeitpunkt wieder durchfphren könnten.

Navigation

• Schaltlogik.iypnb: Aufgabenstellung und Vorlage für Ihr Protokoll.
• Schaltlogik_Hinweise.ipynb: Hinweise zu den Aufgaben.
• Datenblatt.md: Technische Details zu den Versuchsaufbauten.
• doc: Dokumente zur Vorbereitung auf den Versuch.
• figures: Bilder, die für die Dokumentation des Versuche verwendet wurden.