Technikerschule - Aufgabe mit Schmitt-Trigger und D-Flipflop

[Alexander (Gast)]

Hallo zusammen,

mir bereitet eine Aufgabe im Fach "Digitaltechnik" einiges 
Kopfzerbrechen und ich habe gehofft hier Hilfe zu finden.

Die Schaltung im Anhang ist gegeben. Am Eingang liegt eine sinusförmige 
Wechselspannung Ui mit Û = 5 V. Die Schwellspannung des Schmitt-Triggers 
liege zwischen 0 und + 5 V.
Die Spannungsverläufe Ur(t), Ug(t), Um(t) und Ud(t) sind zu skizzieren.

Leider habe ich keine Software, mit der ich die Schaltung "mal schnell" 
simulieren kann. Naturgemäß benötigen solche Programme ja immer eine 
entsprechende Einarbeitungszeit. Hat jemand von euch die Möglichkeit die 
Schaltung entsprechend zu simulieren bzw. das Know-How wie der 
Spannungs-Zeit-Verlauf für Ug, Um und Ud aussieht?

Über eure Hilfe würde ich mich sehr freuen.

Danke Alex

[Steffen H. (avrsteffen)]

Alexander schrieb:
> Hat jemand von euch die Möglichkeit die
> Schaltung entsprechend zu simulieren bzw. das Know-How wie der
> Spannungs-Zeit-Verlauf für Ug, Um und Ud aussieht?

Deswegen bist du ja auf einer Techniker Schule. Denn Techniker sollten 
sowas können. ;)

Ich versuch dir mal zu helfen. Aber denken musst schon selber.

Am Besten ist es jede einzelne Stufe (Spannungsdiagramm) nacheinander zu 
zeichnen.
Schmitt-Trigger:
Dieser schaltet ab einer bestimmten Spannung den Ausgang auf "High" und 
ab einer bestimmten Spannung unterhalb der Einschaltspannung wieder auf 
"Low". Bei deiner Schaltung aber genau umgekehrt, da der Ausgang am 
Schmitt-Trigger negiert ist. Das erkennt man an dem kleinen Kreis am 
Ausgang.
Also schaltet dein Schmitt Trigger ab einer bestimmten Spannung (VT+) 
den Ausgang auf "Low" und ab einer bestimmten Spannung (VT-) unterhalb 
der Einschaltspannung wieder auf "High". Wo diese Spannung genau liegt 
ist hier nicht gegeben und auch gar nicht gefragt. Die kannst du frei 
wählen! Es geht hier mehr um das Prinzip und des Verstehens.
Siehe Bild!

Danach skizzierst du nun erst einmal deinen Spannungsverlauf für Ug. Die 
Hilfslinien (gestrichelt) solltest du dir mit einzeichnen.

Jetzt bist du dran!

[Gerald K. (geku)]

So könnte die Simulation mit LtSpice aussehen.

Simulation Schnitttrigger :

http://www.ne555.at/2014/index.php/58-schaltungssimulation/ltspice-iv/441-charge-pump-simulation.html

[Alexander (Gast)]

Hallo Steffen,

vielen Dank für deine Antwort. Du hast natürlich Recht mit deiner 
Aussage. Ziel der Technikerausbildung ist es. u.a. solche Sachverhalte 
analysieren zu können.

Ich habe natürlich auch schon über die Aufgabe gegrübelt und eine 
entsprechende Lösung erarbeitet (siehe Anhang). Allerdings "verwundert" 
mich die Lösung, weswegen ich an mir zweifele.

Zur Erklärung:
Da die Aufgabenstellung aussagt, dass die Schwellenspannung des 
Schmitttriggers zwischen 0V und + 5V liegen soll, bin ich davon 
ausgegangen, das die untere Schwellenspannung bei 0V liegt, die obere 
entsprechend bei +5V, auch wenn die Hysterese eher unüblich wäre.
Viel mehr als der Schmitt-Trigger und die nachgeschaltete Monoflop, 
wundere ich mich über die Beschaltung des D-Flipflops. Da der D-Eingang 
vom Ausgang Q zurückgeführt ist, kann das D-Flipflop niemals 
durchschalten, oder?

[Alexander (Gast)]

Hallo Gerald,

ich danke dir für deine Mühe. NAch etwas Internet-Recherche bin ich auf 
LTSpice gestoßen, habe dann aber schnell festgestellt, dass man da nicht 
einfach mal so schnell einen Schaltkreis simuliert, wenn man damit noch 
nie gearbeitet hat.

Bei den Verläufen für Ui, Ur, Ug und Um habe ich also richtig gelegen. 
Allerdings ist der D-Eingang des D-Flipflops vom Q-Ausgang zurückgeführt 
statt wie in deiner Variante vom [Nicht]Q-Ausgang, was auch der Grund 
für meine Zweifel an der Lösung ist.

Vielen Dank
Alex

[Gerald K. (geku)]

Alexander schrieb:
> Da der D-Eingang
> vom Ausgang Q zurückgeführt ist, kann das D-Flipflop niemals
> durchschalten, oder?

So ist es. Darum habe ich negierten Ausgang verwendet.
Zeichne einmal Draft1.jpg die Schwellen ein. Bei welchen Spannungen 
liegen diese?

[Gerald K. (geku)]

Alexander schrieb:
> Allerdings ist der D-Eingang des D-Flipflops vom Q-Ausgang zurückgeführt
> statt wie in deiner Variante vom [Nicht]Q-Ausgang, was auch der Grund
> für meine Zweifel an der Lösung ist.

Da lege die Leitungen auf den nicht invertieren Ausgange um und 
vergleiche das Ergebnis. Diese ist sehr langweilig.

[Steffen H. (avrsteffen)]

Gerald K. schrieb:
> So könnte die Simulation mit LtSpice aussehen.

Nur dass A1 invertierend ist und somit die ganzen Folge-Signale 
invertiert.

Und dann noch Eins.. Es ist zwar schön, dass du gleich schön eine 
komplette Simulation gemacht hast. Das hilft zwar dem TO ungemein, aber 
ich glaub verstanden hat er dabei nichts..

[Gerald K. (geku)]

Steffen H. schrieb:
> ch glaub verstanden hat er dabei nichts..

Das kann er unter Beweis stellen, wenn er uns die untere und obere 
Schaltschwelle nennen kann.

[2 ms (Gast)]

Hallo Alexander,

über den Verlauf von Um solltest Du nochmals nachdenken.
Was macht denn das Monoflop?

[Gerald K. (geku)]

Steffen H. schrieb:
> Nur dass A1 invertierend ist und somit die ganzen Folge-Signale
> invertiert.

Ist leicht zu ändern.

[Steffen H. (avrsteffen)]

Ich muss mich korregieren. Der TO, Alexander will doch nicht alles bloß 
präsentiert bekommen sondern versucht schon zu verstehen und hat es ja 
auch schon.

Gerald K. schrieb:
> Alexander schrieb:
>> Da der D-Eingang
>> vom Ausgang Q zurückgeführt ist, kann das D-Flipflop niemals
>> durchschalten, oder?
>
> So ist es. Darum habe ich negierten Ausgang verwendet.

Sehe ich auch so.

[Jasmin Buchholz (Gast)]

Man konnte diese Aufgabe sogar ohne Computerprogramm selber malen. Hier 
konnte ich endlich mal mit meinen neuen Buntstiften von Eberhard Faber 
alles farbig ausmalen.
👱‍♀️ ✏✒🖋🖊🖌🖍

Am Ende kommt eine 5V Rechteckspannung mit einer Frequenz von 25 Hz und 
einer Pulsweite von exakt 50% raus. 😃

[Alexander (Gast)]

Steffen H. schrieb:
> Und dann noch Eins.. Es ist zwar schön, dass du gleich schön eine
> komplette Simulation gemacht hast. Das hilft zwar dem TO ungemein, aber
> ich glaub verstanden hat er dabei nichts..

Meine Intention war es keinesfalls dass ich mir die Aufgabe lösen lassen 
wollte.
Mich hat eben nur der Fakt verunsichert, dass ich am Ausgang des 
D-Flip-Flops kein Signal habe, weswegen ich an mir gezweifelt habe.

Die Frage nach den Schwellenwerten für H-und L-Pegel kann ich 
tatsächlich nicht beantworten, wegen ich ja von 0V als L-Pegel und +5V 
als H-Pegel ausgegangen bin

Danke euch beiden für eure Mühe.

[Steffen H. (avrsteffen)]

Alexander schrieb:
> Meine Intention war es keinesfalls dass ich mir die Aufgabe lösen lassen
> wollte.

Ich habe mich ja weiter oben schon korrigiert ;)

[Alexander (Gast)]

Jasmin Buchholz schrieb:
> Am Ende kommt eine 5V Rechteckspannung mit einer Frequenz von 25 Hz und
> einer Pulsweite von exakt 50% raus. 😃

Mir ist aufgefallen, dass ich mich bei dem Spannungssignal  Um (nach dem 
Monoflop) doch vertan habe. Das Signal des Monoflops liegt ja bei 
erkennen einer positiven Flanke für 2ms an. In meiner Lösung bin ich von 
einer Signalverlängerung von 2ms ausgegangen, was allerdings falsch ist.
An der Tatsache, dass ich kein Ausgangssignal Ud erhalte, ändert das 
meiner Meinung jedoch nichts.


Wärst du so gut und würdest mir den letzten Schritt (Um nach Ud) 
erklären?

Alex

[Jasmin Buchholz (Gast)]

Alexander schrieb:
> Wärst du so gut und würdest mir den letzten Schritt (Um nach Ud)
> erklären?

Ganz ehrlich? Mein Papa hat mir gesagt wie ich das bunt ausmalen soll. 
Der guckt jetzt aber gerade Notruf Hafenkante im Fernsehn (ZDF).
Warte, ich hol den mal eben!

[Steffen H. (avrsteffen)]

Alexander schrieb:
> An der Tatsache, dass ich kein Ausgangssignal Ud erhalte, ändert das
> meiner Meinung jedoch nichts.

Also ich würde ja jetzt diese 10 am D des D-Flip Flops ja als 
Negieren des D-Eingangs interpretieren.

[Alexander (Gast)]

Steffen H. schrieb:
> Also ich würde ja jetzt diese 10 am D des D-Flip Flops ja als
> Negieren des D-Eingangs interpretieren.

Das liegt wohl an meiner Schrift. Das soll eigentlich 1D heißen. Wir 
haben im Unterricht besprochen, das die 1 vor der Eingangsbezeichnung 
die Taktabhängigkeit der Eingänge beschreibt. C1 steuert also 1D 
(analog zu 1K bzw. 1J beim JK-Flipflop).
Da der Ausgang des D-Flipflops oberhalb  der gestrichelten Linie liegt, 
soll es sich dabei um den Q-Ausgang handeln. Der [Nicht]Q-Ausgang würde 
unterhalb der gestrichelten Linie abgegriffen werden.

[Gerald K. (geku)]

Alexander schrieb:
> Die Frage nach den Schwellenwerten für H-und L-Pegel kann ich
> tatsächlich nicht beantworten, wegen ich ja von 0V als L-Pegel und +5V
> als H-Pegel ausgegangen bin

Die Schwellen liegen an den Stellen, an denen sich die Kurve V(ur) mit 
der Kurve V(ug) schneidet.

[Christoph Z. (christophz)]

Alexander schrieb:
> Allerdings ist der D-Eingang des D-Flipflops vom Q-Ausgang zurückgeführt
> statt wie in deiner Variante vom [Nicht]Q-Ausgang, was auch der Grund
> für meine Zweifel an der Lösung ist.

Falls diese Aufgabe GENAU so gestellt wurde, wie du sie im ersten Post 
gezeigt hast, dann ist die Lösung falsch und du liegst richtig :-)

Natürlich macht die Schaltung nur Sinn, wenn der invertierte Q-Ausgang 
benutzt wird. Also im Zweifelsfall mal den Lehrer darauf ansprechen, 
sind ja auch nur Menschen und solche kleinen Fehler können schnell 
passieren.

Tipp: Falls so etwas in einer Prüfung vorkommt, gleich direkt während 
der Prüfung nachfragen (Ist selten, aber manchmal kommen solche 
Fangfragen, weil die Internetlösung dann eben falsch ist) oder in deiner 
Lösung einen Vermerk machen, dass du die Annahme triffst, es hätte 
eigentlich der invertierte Q-Ausgang sein sollen, weil sonst die 
Schaltung nix tut.