CD 4060 Binärzähler » Aufbau und Funktionsweise des Logik-ICs anschaulich erklärt
Sehr oft müssen in der Elektronik Schaltaufgaben realisiert werden, die bestimmte zeitliche Abläufe steuern. Dazu ist es aber nicht unbedingt erforderlich, gleich eine digitale Uhr einzusetzen.
Oft schon reichen einige wenige Bauteile aus, die dann als Schwingstufe eine Wechselspannung mit einer bestimmten Frequenz erzeugen. Allerdings lässt sich mit einer kontinuierlichen Anreihung von Schwingungen keine zeitliche Schaltaufgabe steuern. Vielmehr müssen die einzelnen Impulse der Schwingfrequenz gezählt und nach einer bestimmten Anzahl an Impulsen ein Schaltvorgang durchgeführt werden.
Als 14-stufiger Binärzähler ist ein IC mit der Kennung 4060 für diese und ähnliche Aufgaben perfekt geeignet. Gerne erklären wir Ihnen mehr über dieses praktische Bauteil.
Im Gegensatz zur dezimalen Zählweise, bei der die Zahlen 0 – 9 genutzt werden, gibt es bei der binären Zählweise lediglich die Zahlen 0 und 1. Diese lassen sich leicht mit unterschiedlichen Spannungspegeln, wie beispielsweise 5 Volt für High (H) oder aktiv und 0 Volt für Low (L) oder passiv, darstellen. Deshalb verwenden Computer binäre Codes für ihre Rechenaufgaben.
Zur Darstellung der binären Zustände Low oder High, beziehungsweise Ein oder Aus, sind LEDs als Bit-Anzeigen ideal geeignet. Dabei können mit einer LED (einem Bit) zwei binäre Zustände beziehungsweise die Zahlen 0 oder 1 dargestellt werden. Ist die LED dunkel, entspricht das dem Wert Null. Leuchtet die LED, entspricht das dem Wert Eins. Wird eine weitere LED hinzugenommen, können zwei weitere Ein-/Aus-Zustände angezeigt und somit der Umfang der binär darstellbaren Dezimalzahlen auf 4 (0 – 3) erweitert werden. Bei drei LEDs verdoppelt sich der Zahlenumfang und es können acht verschiedene Zustände (dezimal 0 – 7) angezeigt werden.
Mit jeder weiteren LED verdoppelt sich der Umfang der darstellbaren Dezimalwerte. Bei 8 LEDs bzw. mit 8 Bit können 256 unterschiedliche Dezimalzahlenwerte dargestellt werden.
Das beigefügte animierte Bild zeigt mit Hilfe von vier LEDs die unterschiedlichen Leuchtreihenfolgen bzw. die Anreihung der High-/Low-Zustände, die sich bei den Dezimalzahlenwerten von 0 – 15 ergeben.
Als Nächstes wird anstelle des im Bild gezeigten Dezimalzahlen-Blocks ein Oszillator, also eine Schwingstufe, eingesetzt. Wenn der Oszillator ausgeschaltet ist, leuchtet keine LED. Sobald der Oszillator gestartet wurde und die erste Schwingung erzeugt hat, wird die erste LED leuchten.
Jede weitere Schwingung entspricht dem zuvor dargestellten Hochlaufen der Dezimalzahl und wird entsprechend von den LEDs angezeigt. In diesem Fall arbeiten die LEDs als Anzeige eines Binärzählers. Diese Funktion, also ein schaltbarer Oszillator bzw. Generator, sowie die jeweiligen High- und Low-Ausgänge für den Anschluss von externen LEDs oder Bauelemente, übernimmt der Binärzähler CD4060.
Der 14-stufige Binärzähler CD4060 ist sowohl mit einem 16 poligen DIP-16 Gehäuse oder als SMD-Bauteil in einem SOIC-16 Gehäuse erhältlich. Je nach Hersteller werden für den integrierten Schaltkreis (IC für Integrated Circuit) noch weitere Bezeichnungen wie NTE4060, MC14060 (siehe Titelbild), HCF4060, TC4060 oder HEF4060 verwendet.
Die Grundfunktionen sowie die Anschlussbelegungen sind zwar identisch, aber die Betriebsparameter, wie beispielsweise die maximal zulässige Betriebsspannung oder auch die Beschriftungen der Ausgänge, können laut Beschreibung im Datenblatt leicht variieren.
Damit die integrierte Schaltung funktioniert, benötigt der Schaltkreis zunächst eine Betriebsspannung. Die Betriebsspannung wird an Pin 16 (+) und an Pin 8 (-) angelegt und kann je nach Hersteller zwischen 3 und 15 V betragen.
An den Pins 1 – 7 und 13 – 15 werden die binären Ausgänge des Counters nach außen geführt. Die Pins 9 – 11 dienen für die Beschaltung des internen Oszillators.
Der Pin 12 stellt einen Reset-Eingang dar, der bei einem anliegenden High-Pegel alle Ausgänge des ICs auf einen L-Pegel schaltet.
Auf die genaue Funktion der Ausgänge sowie auf die Anschlüsse des Oszillators gehen wir im nachfolgenden Abschnitt genauer ein.
Um die Funktion des CD4060 verstehen zu können, sollte man sich zunächst die integrierten Funktionseinheiten genauer ansehen.
Oszillatorstufe
Damit der im IC integrierte Oszillator schwingt, muss er extern mit einem Kondensator und einem Widerstand beschaltet werden. Der Wert des Widerstandes R1 sowie die Kapazität des Kondensators C1 legen dabei die Schwingfrequenz bzw. den Takt für die Umschaltung an den Ausgängen fest. Diese kann je nach IC-Typ bis zu 15 MHz, also 15 Millionen Schwingungen pro Sekunde betragen. Der Keramikkondensator C1 wird an Pin 9 (CX) und der Widerstand R1 wird an Pin 10 (RX) angeschlossen.
Der gemeinsame Verbindungspunkt des Oszillatorkondensators und des Oszillatorwiderstandes wird über einen weiteren Widerstand R2 auf den Oszillatoreingang bzw. Clockeingang Pin 11 (CLK) geführt. Wichtig: Der Ohmwert des Widerstands R2 muss deutlich größer sein, als der von R1, damit der Schwingkreis aus R1 und C1 funktioniert.
Auch wenn durch die Toleranzen der externen Komponenten und durch Temperaturschwankungen die Schwingfrequenz immer etwas variiert, ist sie für die meisten Schaltungen vollkommen ausreichend. Wer für seinen Schaltungsaufbau eine absolut stabile Schwingfrequenz benötigt, kann anstelle des Kondensators C1 auch einen Quarz Y1 (klassischer Uhrenquarz mit 32,768 kHz) und gegebenenfalls einen Trimmkondensator C3 verwenden.
Flipflop-Stufen
Neben dem Oszillator beinhaltet das CD4060 noch insgesamt 14 Flipflop-Stufen, die als Inverter geschaltet sind. Ein Flipflop ist eine kleine elektrische Schaltung, die zwei stabile Zustände einnehmen kann. Solange eine Betriebsspannung anliegt, behält ein Flipflop seinen aktuellen Zustand immer stabil und kann quasi als 1 Bit-Speicher betrachtet werden. Beim Inverterbetrieb ist der negierte bzw. invertierte Ausgang (Q mit dem darüber liegenden Strich) als Feedback auf den Eingang D zurückgeführt. Dadurch ergeben sich folgende Schaltfolgen:
Beim Einschalten der Betriebsspannung stehen die beiden Ausgänge auf Low (L). Es ist also keine Spannung vorhanden.
Wenn am Eingang S die Spannung von Low (L) auf High (H), also beispielsweise von 0 Volt auf 5 V springt (Zeitpunkt t1), wechselt der Ausgang Q ebenfalls von L auf H. Der invertierte Ausgang als auch der damit verbundene Eingang D bleiben auf L. An diesem Schaltzustand ändert sich nichts, auch wenn am Eingang S die Spannung wieder auf L wechselt (t2).
Erst wenn am Eingang S die Spannung erneut auf H wechselt (t3), ändert sich der Pegel am Ausgang Q auf L. Der invertierte Ausgang wechselt von L auf H. Auch in diesem Fall ändert sich am Ausgang nichts, wenn der Pegel am Eingang S wieder von H auf Low abfällt (t4). Die Schaltreihenfolge beginnt beim nächsten H-Pegel des Eingangssignales (t5) wieder von vorne.
Bei genauer Betrachtung fällt auf, dass zwei High- und zwei Low-Pegel am Eingang (t1 - t5) lediglich einen High- und einen Low-Pegel an den beiden Ausgängen generieren. Somit arbeitet das Inverter-Flipflop als Frequenzteiler, der am Ausgang die Frequenz des Eingangssignals halbiert.
Asynchronzähler (Ripple-Carry Counter)
Im Binär Ripple Counter CD4060 sind insgesamt 14 Flipflop-Stufen integriert, die im Schaltermodus verkettet sind (Togglemode). Das bedeutet, das erste Flipflop wird vom Clockimpuls des Oszillators angesteuert. Der invertierte Ausgang (Q mit Strich) steuert dann die zweite Flipflop-Stufe an.
Der invertierte Ausgang der zweiten Flipflop-Stufe steuert dann das dritte Flipflop an. So setzt sich die Reihenfolge dann immer weiter fort. Nach jeder Flipflop-Stufe wird die Frequenz halbiert. Demzufolge dauert es von Flipflop zu Flipflop immer länger, bis der Pegel am Ausgang das erste Mal von L auf H wechselt.
Im beigefügten Bild sehen Sie die zeitlich versetzten Spannungssprünge, sowie die Frequenzteilung an den Ausgängen der ersten drei Flipflops.
Hinweis:
Der CD4060 Chip verfügt lediglich über ein 16poliges DIP-16 bzw. SOIC-16 Gehäuse. Da neben der Betriebsspannung noch weitere Anschlüsse für den internen Oszillator und dem Reset-Eingang benötigt werden, ist es bei der integrierten Schaltung nicht möglich, alle Ausgänge von Q1 bis Q14 mit einem eigenen Pin nach außen zu führen.
Aus diesem Grund haben sich die Chip-Designer entschlossen, für die Zählerausgänge Q1, Q2, Q3 und Q11 nicht nach außen zu führen.
Bei den nach außen geführten Anschlüssen haben wir ebenfalls das Teilungsverhältnis zur Oszillatorfrequenz mit angegeben.
Den korrekten Anschluss des Binärzählers kann man am einfachsten an einer Timerschaltung aufzeigen. Wie bereits erwähnt, dauert es von Q4 bis Q14 immer länger, bis der jeweilige Ausgang das erste Mal auf den High-Pegel wechselt. Dank dieser Funktion lassen sich sehr einfach zeitgetaktete Schaltungen, wie beispielsweise ein Treppenhauslicht, erstellen. Zwar gibt es spezielle Timer-ICs, wie das hier bereits vorgestellte NE555, aber für sehr lange Schaltzeiten werden Kondensatoren mit hoher Kapazität erforderlich, die dann eine große Bauform und einen hohen Platzbedarf haben. Da sind Binärzähler deutlich platzsparender und auch der Preis ist recht günstig.
Treppenlichtschalter
Beim Einschalten der Betriebsspannung sind zunächst alle Ausgänge des Counter-ICs auf L geschaltet. Da in diesem Fall am P-Kanal FET Transistor (T1) die Gate-Spannung geringer als die Source-Spannung ist, leitet der Transistor. Somit ist die Strecke zwischen Source und Drain niederohmig. Dadurch kann das Relais (REL) den Schaltkontakt schließen und die Lampe L leuchtet.
Sobald nach einiger Zeit der Ausgang Q14 auf High wechselt, sperrt der Transistor und das Relais fällt wieder ab, wodurch das Licht ausgeht.
Gleichzeitig wird über die Diode D1 der High-Pegel von Q14 auf den Oszillatoreingang Pin 11 geschaltet. Dadurch steht dann die Oszillatorfrequenz nicht mehr zur Verfügung. In diesem Zustand verharrt die Schaltung zeitlich unbegrenzt, da der Reset-Eingang Pin 12 des Binärzählers ist mit R3 dauerhaft gegen Masse geschaltet ist.
Wird jedoch der Taster SW1 kurz betätigt, erhält der Reset-Eingang einen High-Pegel und setzt dadurch alle Ausgänge des ICs wieder auf Low. Der Transistor schaltet über das Relais das Licht wieder an. Dieses leuchtet dann so lange, bis der Ausgang Q14 erneut auf High umschaltet.
Die Leuchtdauer der Lampe kann durch die Bauteile C1 und R1 definiert werden. Bei der Kombination von 100 nF und 10 kOhm beträgt die Leuchtdauer ca. 18 Sekunden. Durch eine Vergrößerung der Widerstands- und Kapazitätswerte können die Schaltzeiten verlängert werden.
Neben dem Einsatz als Frequenzteiler bzw. Zeitschalter, lässt sich der Binärzähler CD4060 auch anderweitig einsetzen. Ein schönes Beispiel dafür haben wir auf der Internetseite des Elektor Magazins gefunden. Da die Schaltung sowohl simpel als auch ausgeklügelt ist, wollen wir gerne etwas näher darauf eingehen.
Schaltungsaufbau
Da für die Anzeige bei einem Würfel sechs unterschiedliche Zustände (mögliche Würfelanzeige 1 – 6) dargestellt werden müssen, sind drei binäre Zählerausgänge (siehe nachfolgende Tabelle) erforderlich.
Die Oszillatorstufe besteht aus einer RC-Kombination (R6 und C1), wobei die Schwingfrequenz über R7 zum Eingang am Pin 11 geführt wird. Dies geschieht aber nur dann, wenn der Taster SW1 (mit Öffnerkontakt) gedrückt wird und so der Oszillatoreingang nicht mehr auf Masse geschaltet ist.
Zur Ansteuerung der LEDs dienen die Ausgänge Pin 7 (Q4), Pin 5 (Q5) und Pin 4 (Q6). Die LEDs 1 – 7 müssen entsprechend der Würfelanzeige angeordnet werden. Dabei ist auf die Stromrichtung bzw. Polung der LEDs zu achten. Die Widerstände R1 – R4 dienen lediglich als LED-Vorwiderstände zur Strombegrenzung.
Die Dioden D1 bis D5 (1N4148) dienen als Sperrdioden für die unterschiedlichen Stromwege. Der PNP-Transistor T1 mit seinem Basiswiderstand R5 übernimmt die Stromversorgung von LED7 bei der Würfelanzeige 3 und 5. Bei der Anzeige 1 erfolgt die Stromversorgung der LED7 über die Diode D1. Um die unterschiedlichen Stromwege nachvollziehen zu können, müssen die jeweiligen High- und Low-Pegel an den Ausgängen genauer betrachtet werden. Zum besseren Verständnis haben wir zunächst alle acht möglichen Schaltzustände noch einmal aufgelistet. Den Tabellenaufbau haben wir entsprechend der eingangs erklärten Zählweise des Couters durchgeführt.
| Tabellenzeile | Pin 4 (Q6) | Pin 5 (Q5) | Pin 7 (Q4) | Würfelanzeige |
|---|---|---|---|---|
| 1 | L | L | L | 5 |
| 2 | L | L | H | 3 |
| 3 | L | H | L | 6 |
| 4 | L | H | H | 1 |
| 5 | H | L | L | 4 |
| 6 | H | L | H | 2 |
| 7 | H | H | L | Keine Anzeige |
| 8 | H | H | H | Nicht aufgerufen |
Entgegen der allgemeinen Erwartung beginnt die Anzeige der „gewürfelten Zahl“ nicht mit einer Eins und auch die Reihung der Würfelanzeige ist nicht fortlaufend. Dies ist schaltungstechnisch bedingt, wodurch die Funktionalität aber nicht leidet.
Viel wichtiger ist, dass nach der Würfelanzeige 2 der Zyklus wieder von vorne beginnt. Dazu muss der Zähler zurückgesetzt werden. Zu diesem Zweck ist der Reset-Eingang über den Widerstand R8 mit der Versorgungsspannung verbunden. Zusätzlich sind am Reset-Eingang noch die Anoden der beiden Dioden D2 und D3 angeschlossen. Die Kathoden der Dioden führen weiter zu den Ausgängen an Pin 4 und Pin 5.
Beim Betrachten der Tabelle erkennt man, dass bei jeder möglichen Würfelanzeige die Ausgänge an Pin 4 und Pin 5 entweder wechselseitig oder aber auch gleichzeitig einen Low-Pegel aufweisen. Dadurch wird der Reset-Eingang vom Start des Zählvorgangs an, auf einen Low-Pegel gehalten. Somit läuft der Zähler kontinuierlich weiter und es werden alle sechs Würfelzahlen angezeigt. Erst wenn in der Tabellenzeile 7 Pin 4 und Pin 5 gleichzeitig einen H-Pegel aufweisen, steigt die Spannung am Reset-Eingang kurz an und der Zähler beginnt sofort wieder bei Zeile 1.
Aufgrund der unterschiedlichen Pegel an den drei Ausgängen ergeben sich verschiedene Stromwege, die wir nachfolgend etwas genauer aufgezeigt haben.
Stromwege bei der Würfelzahl 5
Stromwege bei der Würfelzahl 3
Stromwege bei der Würfelzahl 6
Stromweg bei der Würfelzahl 1
Stromwege bei der Würfelzahl 4
Stromweg bei der Würfelzahl 2
Funktionsbeschreibung
Beim Anschließen der Batterie sind alle Ausgänge des Binärzählers auf L geschaltet. Entsprechend der oben aufgelisteten Tabelle wird am Würfel eine Fünf angezeigt. An dieser Anzeige ändert sich nichts, da der Oszillatoreingang über den Taster SW1 gegen Masse geschaltet ist.
Wird der Taster betätigt, liegt das Signal des Oszillators an Pin 11 an und der Teiler (Binary Divider) im Binärzähler kann arbeiten. Entsprechend der oben aufgeführten Tabelle wechselt der Binärzähler nun in einer Endlosschleife die Würfelanzeige. Allerdings ist die Oszillatorfrequenz so hoch, dass ein Umschalten der Anzeige mit bloßem Auge nicht erkennbar ist. Vielmehr leuchten alle sieben Leuchtdioden dauerhaft.
Wenn der Taster losgelassen wird, liegt Pin 11 über den Tasterkontakt wieder an Masse und der Binärzähler bleibt stehen. Die beim schnellen Durchlauf zuletzt erreichte Würfelzahl wird jetzt dauerhaft dargestellt.
Im beigefügten Beispiel-Video haben wir zu Testzwecken einfach einen weiteren Kondensator parallel zu C1 geschaltet und so die Kapazität um 200 nF vergrößert. Dadurch wird der Oszillator deutlich langsamer und man kann schön die Umschaltung zwischen den einzelnen Anzeigen des Würfels erkennen. Allerdings ist diese langsame Version des elektronischen Würfels für das Spielen von „Mensch ärgere Dich nicht“ gänzlich ungeeignet. Denn nun lässt sich ja jede gewünschte Zahl kinderleicht würfeln.