Praktikum Digitaltechnik

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1 dig Datum : A) Vorbereitungsaufgaben 1) Was unterscheidet sequentielle und kombinatorische Schaltungen? Kombinatorische ~ Sequentielle ~ Ausgänge sind nur vom Zustand der Eingangsgrößen abhängig d.h. A=f(E) Gleiche Eingangsbelegungen führen immer zu gleichen Ausgangswerten Signalwege sind zyklenfrei Ausgangsgrößen sind vom aktuellen und vom vorherigen Zustand der Eingangsgrößen abhängig d.h. A=f(E,Z) Signale von früheren Eingangsbelegungen sind gespeichert und werden logisch neu verknüpft Zyklische Signalwege sind möglich 2) Was leisten prinzipiell Flip-Flops? Nennen Sie Anwendungen! Ein Flipflop ist eine elektronische Schaltung, die zwei stabile Zustände einnehmen und diese speichern kann. Das Flipflop ist eine einfache elektronische Schaltung, welche eine Datenmenge von einem Bit über eine lange Zeit speichern kann. Es ist fundamentaler Bestandteil vieler elektronischer Schaltungen (sequentieller Schaltkreise) von der Quarzuhr bis zum Mikroprozessor. Daneben ist es in vieltausend- bis milliardenfacher Ausführung in Computerspeicherchips (statischen Speicherbausteinen) enthalten. Anwendungen: Quarzuhr Mikroprozessor Aufzugsteuerung digitale Zählschaltungen statische RAMs 1

2 dig Datum : ) Was unterscheidet ungetaktete und getaktete Flipflops? getaktete FF s [synchron] ungetaktete FF s [asynchron] Schaltung wird von einem oder mehreren Information wird durch schalten Takten gesteuert einzelner Stufen übertragen Das Schalten zw. zersch. Zuständen wird Alle Bauelemente sind ständig innerh. D. Schaltg. abgestimmt schaltfähig, d.h. sie können zu beliebigen Zeitpunkten Informationen verarbeiten Bauelemente sind nur zu best. Zeiten schaltfähig BEISPIEL: Zähler mit gemeinsamer Taktversorgung der FF s BEISPIEL: I/O-Port eines μ- Prozessors 2

3 dig Datum : ) Fertigen Sie eine übersichtliche Tabelle an, in der Sie die folgenden fünf Flip- Flop-Typen umfassend beschreiben und charakterisieren: RS, D, DV, T, JK! a) RS-Flipflop: Ein RS-Flipflop ist die einfachste Art eines Flipflops. Grundelement dieser Schaltungen ist ein Flipflop ohne Taktsteuerung. Mit geeigneter Zusatzbeschaltung können daraus sowohl taktpegelgesteuerte RS- Flipflops (asynchrone Schaltungen) als auch taktflankengesteuerte RS-Flipflops generiert werden. Diese RS-Flipflops dienen als Grundschaltungen zum Aufbau komplexerer Flipflops. Ein RS-Flipflop verfügt über zwei Eingänge, die üblicherweise mit R (Reset) und S (Set) bezeichnet werden, ggf. ist ein dritter, typischerweise mit C (Clock) bezeichneter Eingang vorhanden, an den ein Taktsignal angelegt werden kann. Mit einem Signal am Setz -Eingang (d.h. S = 1 und gleichzeitig R = 0) wird der Ausgang Q des Flipflops auf 1 gesetzt. Aktiviert man hingegen den Rücksetz -Eingang (also R = 1 und gleichzeitig S = 0), so wird das Flipflop zurückgesetzt: Am Ausgang Q liegt dann eine logische 0 an. Liegt anschließend an beiden Eingängen eine 0 an, so verharrt das Flipflop in dem zuvor eingestellten Zustand. Besondere Aufmerksamkeit muss dem Eingangszustand gewidmet werden, bei dem logische 0 an. Liegt anschließend an beiden Eingängen eine 0 an, so verharrt das Flipflop in dem zuvor eingestellten Zustand. Besondere Aufmerksamkeit muss dem Eingangszustand gewidmet werden, bei dem sowohl R- als auch S-Eingang aktiv sind (R = S = 1 beim RS-Flipflop aus NOR- Gattern bzw. beim RS-Flipflop aus NAND-Gattern). Dabei nimmt das zustandgesteuerte Flipflop einen dritten Zustand an, bei dem beide Ausgänge gleichen Pegel führen und der nicht gespeichert werden kann. Schaltsymbole siehe Aufgabe 3). b) D-Flipflop: Eine in komplexeren integrierten Schaltungen wie Field Programmable Gate Array (FPGAs) und ASICs anzutreffende taktflankengesteuerte Klasse von Flipflops sind die D-Flipflops. Diese besitzen einen Daten- (D) und einen Clock-Eingang (C, oft dargestellt als ">", siehe Grafik). Oft ist noch ein sogenannter Clock-Enable-Eingang (CE) vorhanden, mit dem der Takteingang in seiner Funktion freigeschaltet werden kann. Als Ausgang kommt Q und nur selten der dazu invertierte Ausgang vor. Aus diesem elementaren Flipflop lassen sich durch externe Beschaltung alle weiteren taktflankengesteuerten Typen von Flipflops und komplexere Schaltungen wie Synchronzähler, Taktteiler oder auch Schieberegister realisieren. Das D-Flipflop speichert bei freigeschaltetem Takteingang und aktiver Taktflanke den logischen Zustand des Eingangs und gibt seinen Wert in Folge auf Q aus. Liegt keine aktive Taktflanke an oder ist der Clock-Enable-Eingang deaktiviert, erfolgt keine Übernahme des Eingangswertes. c) T-Flipflop: Ein T-Flipflop kann durch ein D-Flipflop gebildet werden, wenn dessen Ausgang Q invertiert auf den Eingang D zurückgeführt wird. Damit entsteht ein T-Flipflop. T steht dabei für englisch toggle - Hin- und herschalten. Vor allem bei diskreten Digitalschaltungen wird zur Realisierung eines T-Flipflops manchmal auch das oben beschriebene JK- Flipflop verwendet. Dabei müssen beide Eingänge des JK-FF auf logisch "1" gelegt werden. Ein T-Flipflop funktioniert ähnlich wie ein Druckkugelschreiber oder ein Stromstoßrelais (Stromstoßschalter). Wegen der oben schon erwähnten Eigenschaft des mit halber Frequenz des Taktsignals wechselnden Ausgangspegels dienen diese Flipflops vor allem als Frequenzteiler und als Grundelement in digitalen Zählern. Man verwendet sie auch, um ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von exakt 1:1 zu gewinnen. 3

4 dig Datum : d) JK-Flipflop (Jump/Kill): Eine weitere Klasse von Flipflops, die primär in diskreten digitalen Schaltungen Anwendung findet, sind die JK-Flipflops. Der Eingang C kann für steigende Flanken (Wechsel von 0 auf 1) oder für fallende Flanken (Wechsel von 1 auf 0) ausgelegt werden. Der Zustand J = K = 1 ist erlaubt. In diesem Fall wechselt der Ausgangspegel mit jeder wirksamen Flanke des Taktsignals, was dem Verhalten eines Toggle-Flipflops entspricht. Für J = K = 0 bleibt der Zustand erhalten. Bei JK-Flipflops muss als wesentliche Einschränkung beachtet werden, dass sich bei aktivem Taktzustand (C = 1) die Zustände der beiden Eingänge J und K nicht mehr ändern dürfen. Es liegt also kein rein taktflankengesteuertes Flipflop vor. Dieser Nachteil ist auch der primäre Grund, warum JK-Flipflops in komplexen Digitalschaltungen nur noch selten verwendet werden und primär durch einflankengetriggerte D-Flipflops ersetzt werden, die diesen Nachteil nicht aufweisen. 4

5 dig Datum : B) Durchführungsaufgaben: 1) Bauen und analysieren Sie die Funktion der Schaltungen nach den Bildern 1... Geben Sie jeweils den FF-Typ, die Schaltbelegungstabelle, die Schaltfunktion und das Impulsdiagramm an! Ordnen Sie den Ein- und Ausgängen Funktionsbezeichnungen zu, z. B. B2: Reset.

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