9 Flipflops (FF) Basis-FF. (Auffang-FF, Latch) praxis verstehen chancen erkennen zukunft gestalten 9-1

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1 9 Flipflops (FF) Digitale chaltungen Unterteilung der Flipflops: Es gibt bistabile, monostabile und astabile Kippstufen. Bistabile FF s werden als Flipflops bezeichnet. FF s weisen zwei stabile Zustände auf und können somit ein Bit speichern. Prinzipiell können FF s in drei Gruppen unterteilt werden: Bezeichnung Basis-FF Einspeicher-FF (Auffang-FF, Latch) Zweispeicher-FF Taktsteuerung - ja ja Zwischenspeicher - - ja Basis-FF s sind die Grundbausteine aller FF s. Im Gegensatz zu Einspeicher-FF s können Zweispeicher-FF s am Eingang bereits einen neuen logischen Wert übernehmen, obwohl am Ausgang noch der alte Wert anliegt. peicher-ff s sind entweder taktzustands- oder taktflankengesteuert. Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-

2 9. Basis-Flipflops Digitale chaltungen Als Basis-FF s werden -Flipflops eingesetzt. ie besitzen einen Eingang zum etzen (et) und einen Eingang zum ücksetzen (eset) des Ausgangszustandes. a) chaltung b) Wahrheitstabelle/ Zustandsfolgetabelle 2 = 2 + (X) (X) 2 + peichern + = Löschen + = etzen + = irregulär Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-2

3 9. Basis-Flipflops Digitale chaltungen Entwurf eines -FF s mit NAND-Gliedern: a) ymbol b) Zustandsfolgetabelle c) Zustandsdiagramm = = = = = = = = = = = = = = + x x peichern Löschen etzen irregulär Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-3

4 9. Basis-Flipflops d) harakteristische Gleichung Digitale chaltungen + : + = ( X X ) mit der Nebenbedingung = + x x Die Nebenbedingung schließt den irregulären Fall aus! Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-4

5 9. Basis-Flipflops Digitale chaltungen e) chaltung und ymbol + = ( = & & ) f) Impulsdiagramm Anfangsbedingung setzen löschen speichern speichern Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-5

6 9. Basis-Flipflops Anwendungsbeispiel: Entprellschaltung + U B Digitale chaltungen Das Prellen der Kontakte entsteht durch die Federkraft der Kontakte, die bei dem Aufeinandertreffen federn und somit den Kontakt mehrmals schließen und wieder öffnen können. Dies führt zu zusätzlichen Impulsen, die unerwünscht sind. Mit der Entprellschaltung wird das Prellen der Kontakte unterdrückt, weil bereits das erste etzen () bzw. Kurzform der Zustandsfolgetabelle: ücksetzen () den Zustandswechsel auslöst. Nach mehrmaligen etzen () bzw. ücksetzen () findet keine erneute Zustandsänderung statt. + U B + X Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-6

7 9. Basis-Flipflops Digitale chaltungen Verhinderung des irregulären Zustands: Dem -FF wird ein chaltnetz vorgeschaltet, so dass der irreguläre Zustand verhindert wird. etzvorgang chaltnetz * * ücksetzvorgang olche FF s werden als -FF mit etz- bzw. ücksetzvorgang (Löschvorgang) bezeichnet. Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-7

8 9. Basis-Flipflops Digitale chaltungen Entwurf des chaltnetzes zur Verhinderung des irregulären Zustandes: a) Wahrheitstabelle/ Minimierung * * etzvorgang! Aus der Wahrheitstabelle folgt: * * = = = b) chaltung * * Analog dazu gibt es auch noch -Flipflops mit ignalerhalt. Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-8

9 9.2 Flipflops mit Taktsteuerung Digitale chaltungen FF s mit Taktsteuerung unterscheiden sich nach folgenden Eingangstypen: Takteingänge Vorbereitungseingänge (Übernahme mit dem Takt) Direkteingänge (unabhängig vom Takt) Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-9

10 9.2. Taktzustandsgesteuerte Einspeicher-FF s Digitale chaltungen ) Taktzustandsgesteuertes -FF Hierbei werden die Vorbereitungseingänge über einen Takteingang freigegeben (c: clock). & & 2 ist aktiv low!, : Vorbereitungseingänge 2 passiver Taktzustand = t Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-

11 9.2. Taktzustandsgesteuerte Einspeicher-FF s 2) -FF mit Direkteingängen Digitale chaltungen Direkteingänge wirken unabhängig vom Takt! D & & * & & * 2 D D 2 D Wenn an einem der beiden direkten Eingänge logisch anliegt, so ist kein getakteter Betrieb möglich. Nur wenn beide direkten Eingänge auf logisch liegen, ist der getaktete Betrieb möglich. Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-

12 9.2. Taktzustandsgesteuerte Einspeicher-FF s Digitale chaltungen Grundsätzlich gilt: Die ignale an den Vorbereitungseingängen dürfen sich nur während des passiven Taktzustandes ändern. Die ignale an den Vorbereitungseingängen werden während des aktiven Zustandes übernommen. Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-2

13 9.2. Taktzustandsgesteuerte Einspeicher-FF s Digitale chaltungen 3) D-FF (Daten-FF) Ein D-FF übernimmt im aktiven Taktzustand den am Dateneingang anliegenden Wert. Zustandsfolgetabelle: harakteristische D D aktiver Taktzustand aktiver Taktzustand D + Gleichung: + =D D D Impulsdiagramm: D t Anfangszustand = Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-3

14 9.2. Taktzustandsgesteuerte Einspeicher-FF s Anwendungsbeispiele: Digitale chaltungen a) Auffang-FF E E n- chaltnetz D D D D A A m- Die Ausgänge des chaltnetzes werden durch die D-FF s aufgefangen und für eine durch den Takt bestimmte Dauer am Ausgang A bereitgehalten. Hierdurch können Laufzeitunterschiede, verursacht durch das chaltnetz, ausgeglichen werden. Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-4

15 9.2. Taktzustandsgesteuerte Einspeicher-FF s Digitale chaltungen b) ückkopplungsschleife E E n- chaltnetz D ückkopplungsschleifen dieser Art bewirken, dass der Ausgang während des aktiven Taktzustandes mit einer durch die Laufzeit bestimmten Frequenz schwingt. D A A c) Mehrstufige Anordnungen Bei mehrstufigen Anordnungen (erienschaltung der D-FF s) sollte kein Ausgang auf einen Vorbereitungseingang eines mit gleichem Takt gesteuerten FF s gelegt werden. Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-5

16 9.2.2 Taktzustandsgesteuerte Zweispeicher - FF s Digitale chaltungen Dieser FF-Typ kann die Daten an den Vorbereitungseingängen bereits übernehmen, obwohl am Ausgang noch die alte gespeicherte Information anliegt. ie werden auch Zwischenspeicher-FF oder Master-lave-FF s genannt. ) -Zweispeicher-FF s Master * * lave Verzögerter (retardierter) Ausgang Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-6

17 9.2.2 Taktzustandsgesteuerte Zweispeicher - FF s Impulsdiagramm eines -Zweispeicher-FF s: Digitale chaltungen * * passiver Taktzustand Verzögerter (retardierter) Ausgang löschen speichern setzen löschen setzen Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-7

18 9.2.2 Taktzustandsgesteuerte Zweispeicher - FF s 2) D-Zweispeicher-FF s Digitale chaltungen D Master D Impulsdiagramm: * * lave D D D : ücksetzeingang wirkt unabhängig vom Takt D * Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-8

19 9.2.2 Taktzustandsgesteuerte Zweispeicher - FF s Digitale chaltungen Fortsetzung des Beispiels zum Geldwechselautomaten: Mit einem Einspeicher- FF kann der Automat nicht realisiert werden, da dies zu Irritationen während des aktiven Zustandes des clock- ignals führen würde. Lösung ist nur mit einem Zweispeicher-FF möglich. Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-9

20 9.2.2 Taktzustandsgesteuerte Zweispeicher - FF s Digitale chaltungen 3) JK-Zweispeicher-FF s Das JK-FF hat fast das gleiche Übergangsverhalten wie das -FF (J=, K=). Es tritt allerdings kein irregulärer Zustand für J = K = auf. Mit J=K= wechselt mit jeder aktiven Taktperiode das Ausgangssignal. ymbol: J K J K Verzögerter (retardierter) Ausgang Kurzform Zustandsfolgetabelle: J K + peichern Löschen etzen Wechseln Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-2

21 9.2.2 Taktzustandsgesteuerte Zweispeicher - FF s Digitale chaltungen harakteristische Gleichung: Impulsdiagramm: + : + J K J = ( J ) ( K ) K m setzen löschen speichern wechseln Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-2

22 9.2.2 Taktzustandsgesteuerte Zweispeicher - FF s Digitale chaltungen Anwendungsbeispiel: Frequenzteiler :2 J K Auf diese Weise können Frequenzteiler im Verhältnis :2,4,8 usw. gebildet werden. Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-22

23 9.2.3 Taktflankengesteuerte FF s Digitale chaltungen Bei den zustandsgesteuerten FF s müssen die ignale an den Vorbereitungseingängen während der gesamten Phase des aktiven Zustandes des Taktsignals stabil sein. Bei den taktflankengesteuerten FF s werden die Vorbereitungseingänge mit der /-oder /-Flanke des Taktsignals ausgewertet (aktive Flanke). Alle FF-Typen sind auch als taktflankengesteuerte FF s realisierbar. Das Übergangsverhalten ist mit dem der zustandsgesteuerten FF s identisch. Kennzeichnung dynamischer Eingänge: / - Flanke aktive Flanke = aktive Flanke = /-Flanke /-Flanke /-Flanke / - Flanke Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-23

24 9.2.3 Taktflankengesteuerte FF s Digitale chaltungen Impulsdiagramm zum flankengesteuerten JK-Flipflop: Die ignale an den Vorbereitungseingängen müssen nur in einem kurzen Zeitintervall um die aktive Flanke stabil sein. Dieses Zeitintervall bestimmt sich durch die Vorbereitungszeit (setup time t s ) und die Haltezeit (hold time t h ). Das Ausgangssignal ändert sich nach der Verzögerungszeit (propagation delay time t PLH ). Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-24

25 9.3 Zusammenstellung der FF-Typen Zustandsfolge- und ynthesetabelle: Digitale chaltungen Zustandsfolgetabelle (Kurzform) charakteristische Gleichung + -FF = ( = + X ) J + JK-FF K + = ( J ) ( K ) D D-FF + + = D + + J K + D ynthesetabelle (Kurzform) X X X X X X Büchau/reutzburg Digitale chaltungen Kapitel 9 9 understanding reality facing challenges creating future 9-25

2.5.1 Das Basis-Flipflop

2.5.1 Das Basis-Flipflop 2.5 Die Flipflops 137 2.5.1 Das Basis-Flipflop Basis-Flipflops sind nicht taktgesteuerte FF. ie sollen die Funktionen etzen, Löschen und peichern aufweisen. 1 - etzeing. (et) - Löscheing. (eset) 2 etzen:

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