Module für den EE2015

Der EE2015 mit seinen vier ICs und der Siebensegmentanzeige gehörte seinerzeit zu meinen liebsten Experimentierkästen. Er enthielt im einzelnen folgende Bausteine:

• SN7402: TTL-Baustein mit vier 2-fach-NOR-Gattern auf einer blau bedruckten Platine
• SN7405: TTL-Baustein mit sechs Inverter-Gattern mit Open Collector auf einer weiß bedruckten Platine
• SN7490: Dezimalzähler mit zwei Eingängen und vier Rücksetz-Eingängen und BCD-Ausgang auf einer rot bedruckten Platine
• SN7447: BCD-zu-Siebensegment-Decoder mit zusätzlichen Eingängen zur Unterdrückung der gesamten Anzeige sowie der Null und einem LED-Testmodus auf einer grün bedruckten Platine
• CQY81: Siebensegmentanzeige mit gemeinsamer Anode auf einer orange bedruckten Platine

Diese Bausteine sind heute in ihrer damaligen Form kaum noch zu bekommen; die EE2015 werden aber auf ebay noch zu Höchstpreisen gehandelt. Nachdem ich gerne noch einmal die eine oder andere Schaltung betriebsbereit sehen wollte, lag damit ein Eigen-Nachbau nahe.

Wie bereits erwähnt, sind jedoch die Chips kaum noch zu  bekommen. Außerdem fand ich ein paar Dinge am EE2015 seinerzeit schon Platzverschwendung: beispielsweise die 7 Vorwiderstände für die Siebensegmentanzeige – die hätten gut auf der Platine Platz gehabt, und so war in den 80ern ach eine meiner ersten Platine eine CQY-81-Version mit integrierten Vorwiderständen. Später kam noch ein komplettes Zählmodul bis 99 hinzu.

Also beschloss ich, statt der Originale einfach Simulationen zu bauen auf Basis kleiner Mikrocontroller. Im besten Falle würden diese sich dann genau wie die Originale verhalten, und man könnte die alten Schaltungen einfach nachbauen. Da ich zudem inzwischen mehr ABC- als EE2000-Schaltpulte besaß, beschloss ich, die Module ein wenig zu verkleinern, damit sie komplett auf eine einzige Bauplatte passten.

Es zeigte sich beim Nachbau, dass der ATTiny2313 mit insgesamt 20 Pins und nutzbaren 15 Ein- und Ausgängen genügend Potenzial besaß, die Simulationen zu übernehmen. Es wurde eine Universalplatine entworfen, die sowohl für die 14-poligen SN7402/05/90 als auch für den 16-poligen SN7447 geeignet war und außer dem Mikrocontroller nur einen Abblockkondensator, einen Widerstand für die RESET-Leitung  und einen Programmierstecker enthalten sollte. Die Zuordnung der Pins zu Ein- und Ausgängen konnte softwareseitig gelöst werden.

Siebensegmentanzeige

Eine CQY81 ist heute nicht mehr erhältlich, dafür aber größere Siebensegmentanzeigen. Hier wurde eine mit 13mm Bauhöhe benutzt. Die Platine beinhaltet zudem bereits alle Vorwiderstände, so dass sie in einem 5V-Umfeld direkt angeschlossen werden kann.

SN7447 – BCD-zu-Siebensegment-Decoder

Dieser Baustein kombiniert im Original eine Menge unterschiedlicher Gatter, um für jede gewünschte Zahl die nötigen LED’s der Siebensegmentanzeige (SSA) zu aktivieren. In Software ist das alles natürlich viel einfacher. Die sieben Ausgänge werden einfach gemäß der angelegten Eingangssignale ein- bzw. ausgeschaltet. Da der Mikrocontroller nichts anderes zu tun hat, werden die Eingänge einfach in der Hauptschleife immer wieder abgefragt und die Ausgänge entsprechend gesetzt. Es gibt drei Spezialeingänge:

• LT schaltet alle Segmente ein, wenn auf L (Masse) gelegt
• RBI unterdrückt die gesamte Anzeige, wenn auf L (Masse) gelegt
• RB0 unterdrückt die Null, wenn auf L (Masse) gelegt

Bei der Programmierung muss zudem beachtet werden, dass die Ausgänge die Kathoden der SSA ansteuern und daher Massepotenzial führen müssen, wenn die LEDs leuchten sollen. Die Eingänge sind über die internen Pull-up-Widerstände mit H-Potenzial verbunden, so dass für die drei Spezialeingänge das gewünschte Verhalten erreicht werden kann und sie nicht verbunden sein müssen, wenn sie inaktiv sind.

Die vier Eingänge erlauben auch die Übermittlung zusätzlicher Werte (Hex-Code A bis F), die beim Original zur Darstellung seltsamer Zeichen führten. In dieser Variante zeigen sie korrekt die Angaben „A“, „b“, „C“, „d“, „E“ und „F“ (b und d sind Kleinbuchstaben, um eine Verwechslung mit 8 und 0 auszuschließen).

SN7490 – Dezimalzähler

Dieser Baustein besitzt vier Flip-Flops, von denen drei hintereinander geschaltet sind und das vierte frei von den anderen genutzt werden kann. Um einen echten Dezimalzähler zu bilden, muss es daher vor die anderen drei Flip-Flops geschaltet werden, indem sein Ausgang mit dem zweiten Zählereingang verbunden wird. Über je zwei Eingänge kann erreicht werden, dass das Signal auf 0 der 9 gesetzt wird, wenn sie auf L (Masse-) Potenzial gelegt werden.

Das Verhalten wird durch zwei interne Zähler (0..1 und (0..7) nachgebildet, die sich ungekoppelt gemäß der Beschaltung der Eingänge verhalten. Nur durch die externe Kopplung wird also ein Zähler von 0..9 erreicht.

Die Eingänge sind über die internen Pull-up-Widerstände mit H-Potenzial verbunden, so dass die Zähler- und Reset-Eingänge auf L-Potenzial gelegt werden müssen, damit sie arbeiten.

SN7405 – 6-fach Inverter

Dieser Baustein besitzt eine Spezialität – die Ausgänge sind in Open-Collector-Technik gebaut. An jedem Ausgang sitzt also nur ein NPN-Transistor, der bei L-Potenzial durchgeschaltet. Das H-Potenzial muss durch einen externen Widerstand erzeugt werden; das Gatter selbst ist in diesem Fall hochohmig und liefert keinen Ausgangsstrom.

Mit einem Mikrocontroller lässt sich ein solches Verhalten nachbilden, indem man den Ausgang bei L-Potenzial zu einem Eingang umschaltet, wenn H-Potenzial ausgegeben werden muss. Aufgrund der CMOS-Bauweise der Mikrocontroller sind die Pins dann sehr hochohmig und lassen sich ohne Probleme parallel schalten – eine Schaltungsart, die beim EE2015 gerne und immer wieder genutzt wird, um aus den Invertern UND- oder NAND-Gatter zu bilden.

Die Eingänge sind über die internen Pull-up-Widerstände mit H-Potenzial verbunden, so dass sie auf L-Potenzial gelegt werden müssen, damit sie arbeiten.

SN7402 – 4-fach NOR-Gatter

Der SN7402 ist ein typischer Standardbaustein der TTL-Serie mit Totem-Pole-Ausgang, der sowohl L- als auch H-Potenzial bereitstellen kann. Für die Nachbildung mit einem Mikrocontroller ist das eine leichte Aufgabe, und so besitzt dieser Baustein keinerlei Spezialitäten. Wiederum sind die Eingänge über die internen Pull-up-Widerstände mit H-Potenzial verbunden, so dass sie auf L-Potenzial gelegt werden müssen, damit sie arbeiten.

Wie Jurij Kranenborg auf seinen Seiten bereits dargestellt hat, sind an einigen Stellen des Philips-EE2015-Handbuchs fehlerhafte Beschaltungen des SN7402 gezeigt. Er wird dort direkt an die Ausgangs-LED angeschlossen. Das kann zu Beschädigungen der LED und des Gatters führen, weil der fließende Strom bei H-Potenzial nicht etwa durch den angeschlossenen Widerstand, sondern nur durch den internen Transistor. Die Mikrocontroller ließen sich notfalls so programmieren, dass sie sich wie Open-Collector-Ausgänge verhalten (siehe oben). Es ist aber in jedem Fall besser, diese Art der Beschaltung  zu vermeiden.

Aufbau

Die vier Platinen für die Mikrocontroller sind identisch. Durch Drahtbrücken kann festgelegt werden, ob das zu simulierende IC 14 oder 16 Pins (entsprechend 2×6 oder 2×7 Pins zusätzlich zu Plus und Minus) besitzt. Ansonsten enthalten sie nur einen Pullup-Widerstand für die Reset-Leitung und den Abblockkondensator. Die Pins der D-Gruppe sind links, die der B-Gruppe rechts nach außen geführt.

Die Platinen wurden verkleinert, damit sie alle gemeinsam auf einer einzigen Grundplatte (ABC-Schaltpult) Platz haben. Das neue Rastermaß ist nun 5×3; im Original waren es noch 8×3. Damit können die Verbindungen natürlich nicht mehr per Spiralfeder hergestellt werden. Statt dessen bin ich auf Lötstifte ausgewichen, die ich in vielen anderen Projekten bereits eingesetzt habe.

Die vier Platinen sollten möglichst dem Aussehen der Originale gleichen. Da ich nicht über das Wissen und die Technik des Siebdrucks verfüge, habe ich mich für die Farblaser-Variante entschieden. Die fünf Platinenaufdrucke wurden am PC erstellt und auf selbstklebendes Papier gedruckt. Um dem ganzen Stabilität zu verleihen, wurde das Papier danach mit einer transparent-matten Folie versiegelt.

Bei den Originalplatinen werden die Beschriftung und die Anschlusspins von der Bedruckung ausgespart, so dass das braune Platinenmaterial den Hintergrund bildet. In meiner Variante habe ich die Bedruckung einfach durch braune Füllfarbe simuliert. Das Ergebnis ist verblüffend – es kommt dem Original näher als alles, was ich bisher versucht habe. Insbesondere ist der Kontrast beim SN7490 zwischen Schrift und roter Farbe genauso schlecht wie beim Original…

Betrieb

Wie die Originale werden die Mikrocontroller mit TTL-Pegel, also +5 Volt betrieben. Und wie beim EE2015 ist auch hier von der Benutzung einer Flachbatterie abzuraten, sofern sie nicht ganz frisch ist. Der Stromverbrauch der Mikrocontroller ist allerdings deutlich geringer als der der Original-TTL-Bausteine, auch wenn bei der Programmierung auf spezielle Stromsparmaßnahmen verzichtet wurde. Als Spannungsversorgung setze ich dabei auf einen 7805-Spannungsregler, der auf eine Universalplatine montiert wurde.

Fazit

Das ganze funktionierte auf Anhieb. Die Schaltung 5.6 (Elektronischer Würfel) musste an keiner Stelle modifiziert werden – die gesamte Beschaltung ist so, wie sie im Handbuch des EE2015 abgedruckt ist.

Es sollte aber nicht verschwiegen werden, dass solche Simulationen die Mikrocontroller nicht im entferntesten ausreizen. Alle Schaltungen des EE2015 (inklusive derer, die Analogtechnik mit einbeziehen) lassen sich mit einem einzigen Mikrocontroller nachbilden, ohne dass der dabei ins Schwitzen käme. Die hier gezeigten Nachbauten sind daher eher ein Proof of Concept – wenn man wirklich noch einmal einen EE2015 besitzen möchte, aber an die Original-ICs nicht mehr herankommt.

 

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