Einfaches NAND-Gatter mit dem 4011 IC entwerfen und verifizieren

Benötigte Bauteile und Materialien

• 4011 Quad-NAND-Gatter (Radio Shack Katalog # 276‑2411)
• Acht-Stelliger DIP-Schalter (Radio Shack Katalog # 275‑1301)
• Zehn-Segment-Balkengraph-LED (Radio Shack Katalog # 276‑081)
• Eine 6-Volt-Batterie
• Zwei 10 kΩ Widerstände
• Drei 470 Ω Widerstände

Achtung! Der 4011 IC ist CMOS und hoch empfindlich gegen statische Entladung. Mit antistatischen Vorsichtsmaßnahmen handhaben.

Weiterführende Literatur

Lessons In Electric Circuits, Band 4, Kapitel 3: „Logikgatter“.

Lernziele

• Die Rolle eines Pulldown-Widerstands verstehen.
• Die Wahrheitstabelle eines Gatters experimentell ermitteln.
• Lernen, wie Logikgatter miteinander verbunden werden.
• Verschiedene logische Funktionen mit NAND-Gattern entwerfen.

Schaltplan: Grundlegende Gatter-Funktion

Aufbauillustration: Grundlegende Gatter-Funktion

Versuchsanleitung

Beginnen Sie damit, ein einzelnes NAND-Gatter an zwei Eingangsschalter und eine LED anzuschließen, wie im Schaltplan gezeigt. Der achtstellige Schalter und die zehnsegmentige LED mögen zunächst überdimensioniert erscheinen, ermöglichen aber einfache Erweiterung und halten das Layout übersichtlich.

Halten Sie stets ein Datenblatt für den 4011 bereit. Das Lesen des Pinout-Diagramms ist für korrekte Verbindungen essenziell. Unten finden Sie eine vereinfachte Pinout-Referenz, abgeleitet vom offiziellen Datenblatt:

In der Steckbrett-Illustration verwenden wir das untere linke NAND-Gatter: Pins 1 und 2 sind die Eingänge, Pin 3 der Ausgang. Pins 14 und 7 versorgen V_DD (positive Spannung) und GND (Masse). Manche Datenblätter bezeichnen die negative Schiene als V_SS; sie ist funktional identisch.

Im Gegensatz zu Op-Amps verwenden digitale Logik-ICs eine einzige Masse-Referenz. Ein „High“-Signal bedeutet, der Pin liegt auf V_DD relativ zu Masse, während ein „Low“-Signal auf GND liegt.

Alle ungenutzten Gatter-Eingänge sind entweder an V_DD oder GND angebunden. Sie offen zu lassen kann streuende statische Ladungen die internen Transistoren in einen undefinierten Zustand zwingen, was zu übermäßigem Stromverbrauch oder Beschädigung führen kann. Erdung oder Pull-up genügt; die Wahl hängt davon ab, welche Schiene auf dem Steckbrett leichter zugänglich ist.

Verbinden Sie ungenutzte Gatter-Ausgänge nicht mit einer Versorgungsrail. Das Erzwingen eines festen Pegels am Ausgang würde den Gatter kurzschließen und den Chip zerstören können. Ausgänge sind selbstgeneriert und müssen frei schwingen können.

Die beiden 10-kΩ-Widerstände dienen als Pulldown-Widerstände. Wenn ein Schalter offen ist, zieht der Widerstand den Eingang auf GND, was einen sauberen „Low“-Zustand sicherstellt. Wenn der Schalter schließt, wird der Eingang direkt auf V_DD getrieben, was einen „High“-Zustand ergibt. Dies verhindert, dass der Eingang durch streuende Statik schwebt.

Mit der aufgebauten Schaltung können Sie nun die Wahrheitstabelle des NAND-Gatters experimentell ermitteln. Stellen Sie die Schalter in jeden möglichen Zustand und notieren Sie, ob die LED leuchtet. Zeichnen Sie die Ergebnisse wie folgt auf:

Die Spalten „A“ und „B“ repräsentieren die beiden Eingangsschalter; ein geschlossener Schalter bedeutet Logik „1“, ein offener Schalter (pulldown) bedeutet Logik „0“. Der LED-Status zeigt den Gatterausgang. Nach Vervollständigung aller vier Kombinationen vergleichen Sie Ihre Tabelle mit der Standard-NAND-Wahrheitstabelle.

Während dieses Setup auf den 4011 NAND-Gatter zugeschnitten ist, funktioniert das gleiche Zwei-Schalter-, Zwei-Pulldown-, LED-Schema für jeden Quad-Logic-IC, vorausgesetzt Sie konsultieren das korrekte Pinout-Diagramm. Beachten Sie, dass Pinbelegungen zwischen IC-Familien variieren.

Zusätzliche Verbesserung

Zur besseren Übersicht fügen Sie LEDs hinzu, die die tatsächlichen Eingangspegel anzeigen. So können Sie verifizieren, ob ein Schalter ordnungsgemäß geschlossen oder geöffnet ist, ohne es aus seiner Position zu schließen:

Zugehöriges Arbeitsblatt

• Basic Logic Gates Worksheet