H03 Schaltlogik

Motivation

In jedem physikalischen Labor werden heutzutage Daten digitalisiert und digital weiterverarbeitet. Digitale Schaltlogik bildet dabei eine wichtige Grundlage zur Erfassung und weiteren Verarbeitung von Daten. Im Praktikum erleben Sie digitale Datenaufzeichnung z.B. 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 digitalen Signalverarbeitung und 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 einer einfachen programmierbaren Logik, die 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 Verarbeitung von Daten, zum Beispiel für die Entscheidungsfindung ob ein bestimmtes Messereignis weiter ausgewertet oder verworfen werden soll, von höchster Wichtigkeit ist.

Lernziele

Wir listen im Folgenden auf, was wir von Ihnen erwarten, nachdem Sie diesen Versuch erfolgreich absolviert haben:

✅ Sie können aus bekannten elektrischen Bauelemente logische Gatter realisieren.
✅ Sie wissen, wie man komplizierte logische Schaltungen aus einfacheren Schaltungen aufbaut.
✅ Sie können logische Schaltungen am Computer konfigurieren und anschließend auf einen FPGA Chip hochladen.
✅ Sie wissen, wie ein FPGA Chip und programmierbare Logik aufgebaut sind.

Weiterführendes Angebot

Im Folgenden finden Sie einige weitere Hinweise und Anregungen, falls Sie aus diesem Versuch noch etwas mehr für sich mitnehmen möchten, als im Abschnitt Lernziele beschrieben:

🤓 Einen FPGA Chip programmieren zu können ist eine Fertigkeit, die sowohl in der Hardware-orientierten Physik, also auch in der Industrie sehr gefragt und hoch angesehen ist. Sie haben mit diesem Versuch die Möglichkeit sich eingehender mit dieser Technik zu beschäftigen.
🤓 Gleichzeitig führen wir Sie in die Grundlagen der digitalen Schaltlogik ein. Als Physiker:innen haben Sie, als Universalisten, das Privileg digitale Schaltvorgänge vom geschalteten Potential, über den Transistor am Schaltbrett, bis hin zum fertigen Speicherbaustein umfassend verstehen zu können.
🤓 Falls Sie sich in diesem Bereich weiter fortbilden möchten halten wir noch einige weitere interessante Beispiele grundlegender logischer Schaltungen für Sie vor, die Sie nicht nur außerhalb des Praktikums, sondern auch außerhalb der Vorlesungszeit bei uns ausprobieren können.

Versuchsaufbau

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

🔔 Am Arbeitsplatz finden Sie ein Steckbrett zum Aufbau logischer Gatter mit elektrischen Bauelementen sowie eine Platine mit FPGA Chip und einen Rechner zur Konfiguration des FPGAs. Zudem stehen Ihnen mehrere Kabel, Feinwerkzeug und ein Multimeter zu Verfügung.

Was diesen Versuch ausmacht

Gemeinsam mit den P1 Versuchen Elektrische Messtechnik, Oszilloskop, Signale in Leitungen und Transistor bildet dieser Versuch einen Block, mit dem Sie alle Grundlagen der Signalverarbeitung vom Drehspulinstrument als Zeiger-Messwerk, bis hin zum Analog-Digital-Wandler (ADC) umfassend, als Universalisten und Physiker verstehen und sich z.T. auch selbst daran ausprobieren können.

Bis 2026 planen wir hierzu die Überarbeitung des derzeit außer Dienst gestellten Versuchs Transistor und eine weitere Überarbeitung dieses Versuchs. Bereits im Wintersemester 2024/25 hat dieser Versuch eine deutliche Modernisierung in Form des FPGAs erhalten. FPGA-Programmierung ist ein äußerst attraktives Feld der modernen schnellen Verarbeitung digitaler Messwerte. Mehr als bei jedem anderen Hauptversuch steht bei diesem Versuch das Experimentieren und Ausprobieren im Vordergrund. Mit der erfolgreichen Implementierung jeder Schaltung ist das Ziel der entsprechenden Aufgabe bereits erreicht. Das Protokoll besteht v.a. aus der Dokumentation dessen, was Sie getan haben, um Ihre Schaltungen zu realisieren. Der weitere Auswertungsteil entfällt weitgehend.

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 durchführen könnten.