Gebruik van computers in de natuurkunde komen we op school niet heel veel tegen. Er zijn korte onderwerpen over dynamisch modelleren en over technische automatisering. In drie artikelen laten we je wat meer zien over logische schakelingen. Het eerste ging over digitale electronica in het algemeen. Dit artikel gaat over het systeembord.
Het systeembord
Op veel middelbare scholen wordt een systeembord gebruikt om duidelijk te maken hoe onderdelen van computersystemen werken. Wat die onderdelen doen, kun je laten zien door er proeven mee te doen. Zo'n systeembord ziet er in het begin wel wat ingewikkeld uit, maar je zult merken, dat het eigenlijk best simpel is. Het bestaat uit een groot aantal losse onderdelen. Door die te verbinden met snoeren, leer je stap voor stap wat die onderdelen “doen”.
Invoer Verwerking Uitvoer
Als je wilt gaan experimenten met het systeembord vraag dan aan je leraar of aan de TOA of je er een mag gebruiken. Je kunt hen ook om hulp vragen als je vastloopt.
Hieronder zie je dat het bord is verdeeld in drie delen: Invoer, Verwerking en Uitvoer.
De Invoer zorgt op de een of andere manier voor een signaal (een elektrische spanning), waar we verder mee gaan werken. In het onderdeel Verwerking wordt iets gedaan met dat signaal (soms worden er ook verschillende signalen gecombineerd tot iets nieuws) en het resultaat kunnen we laten zien (of horen) bij de Uitvoer.
We gebruiken het systeembord om allerlei schakelingen te maken. Dat doen we door verschillende onderdelen te verbinden met snoeren. Om het geheel te laten werken moet het systeembord wel aangesloten zijn op het lichtnet. We beginnen zo eenvoudig mogelijk, maar de schakelingen worden steeds ingewikkelder.
We hebben steeds alleen de onderdelen gegeven, die een rol spelen in de schakeling. Het is van belang om steeds te begrijpen wat er aan de hand is. Om dat te kunnen volgen is het handig om aantekeningen te maken bij de verschillende oefeningen.
Drukschakelaar en led (of zoemer)
Wat een drukschakelaar doet, kunnen we laten zien door de uitgang te verbinden met een led.
Wat gebeurt er als je de drukschakelaar in drukt? En als je weer los laat? Schrijf je antwoord op. Probeer ook eens een verbinding te maken van een drukschakelaar met de zoemer. Wat zie je dan?
Aan de slag met EN-poorten
We sluiten twee drukschakelaars (A en B) aan op de ingangen van een EN-poort en de uitgang van de EN-poort verbinden we met de zoemer.
Er zijn vier verschillende mogelijkheden, die we in een tabel laten zien. Door te spelen met de twee drukschakelaars kun je de tabel compleet maken. Ga je gang.
In de wereld van de elektronica wordt een speciale manier gebruikt om dingen met twee mogelijkheden weer te geven. We gebruiken daarvoor (speciale) nullen en enen. Bij een drukschakelaar schrijven we een Ø als die niet is ingedrukt en een 1 als die wel is ingedrukt. Bij een led of een zoemer gaat dat net zo : “uit” is Ø, “aan” is 1.
De tabel ziet er dan zó uit (vul weer aan).
Zo'n tabel met alleen nullen en enen heeft een speciale naam: waarheidstabel.
We hebben hier dus de waarheidstabel van een EN-POORT. Een EN-poort kent ook een eigen symbool: &. Dat vind je ook terug op het systeembord.
En dan zijn er ook nog OF-poorten
We kunnen de signalen van twee drukschakelaars ook aansluiten op de ingangen van een OF-poort. Het resultaat sluiten we aan op een led.
We kunnen het gedrag van deze schakeling meteen opschrijven in een waarheidstabel, de tabel met nullen en enen. Ga je gang.
Hier hebben we nu de waarheidstabel van een OF-poort.
Een invertor is ook een poort
Bij de verwerkers vinden we ook een blokje met de aanduiding “invertor”, die heeft maar één ingang. De eigenschappen van een invertor kunnen we verkennen door een drukschakelaar aan te sluiten op de ingang en de uitgang van de invertor verbinden we met een led.
Het resultaat vatten we samen in de waarheidstabel van de invertor.
We maken combinaties van poorten: NEN- en NOF poort
Maak de volgende schakeling, waarin de werking van een EN-poort wordt gevolgd door die van de invertor.
We hebben dan een NEN-poort, waarvan de waarheidstabel kan worden bepaald door te kijken wat de zoemer doet bij de verschillende combinaties voor de ingangssignalen.
Op dezelfde manier zetten we een invertor achter een OF-poort en we doen dezelfde proeven. We vinden zo de waarheidstabel van de NOF-poort.
De geheugencel
Een computer heeft een groot geheugen. Zo'n geheugen bestaat uit een groot aantal plekken (cellen), waar een binair getal (Ø of 1) staat. Zo'n getal moet ook veranderd kunnen worden. We gaan uitzoeken hoe een geheugencel werkt. Bouw de volgende schakeling.
Wat gebeurt er als we schakelaar A in drukken? En als we drukschakelaar nog een keer indrukken? En wat als we schakelaar B indrukken? Heb je een idee waarom we dit een “geheugencel” noemen ?
Pulsen tellen
We bouwen deze schakeling.
We kunnen deze schakeling gebruiken om te laten zien hoe een computer telt met nullen en enen. Om de teller op nul te zetten drukken we op de “reset” knop.
Door de drukschakelaar in te drukken veranderen we de stand van de teller. Die kunnen we op twee manieren aflezen. In de eerste kolom staat de waarde decimaal en in de volgende kolommen staat dezelfde waarde met nullen en enen, de binaire waarde. Probeer steeds te voorspellen hoe de waarden zullen veranderen als we de schakelaar weer indrukken. Als dat lukt, heb je begrepen hoe een computer telt !
Een knipperlicht
Bouw de volgende schakeling.
Kijk wat er gebeurt als je een van de drukschakelaars in drukt of aan de knop van de pulsgenerator draait.
Je hebt nu een tijdje gespeeld met de mogelijkheden van het systeembord. Kun je onder woorden brengen wat je hebt geleerd?
Heb je nog vragen, opmerkingen en/of suggesties?
Sieberen Idzenga
met dank aan Sonja Kessemans en Marc van Horssen, MaartensCollege - HAREN
