Angewandte Physik II: Elektronik
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- Angela Hauer
- vor 7 Jahren
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1 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Angewandte Physik II: Elektronik 9. Schaltwerke. Monostabile Kippschaltung: Univibrator 2. Astabile Kippschaltung: Multivibrator 3. Bistabile Kippschaltung: Schmitt-Trigger Flip-Flop
2 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Schaltwerke Ausgänge sind abhängig von Eingängen und internen oder gespeicherten Schaltzuständen Einfachste Formen: Kippschaltungen, d.h. mitgekoppelte Digitalschaltungen Monostabil: Zustand stabil, Zustand 2 nur für begrenzte Zeit: Univibrator, Zeitschalter, Monoflop Astabil: kein stabiler Ausgangszustand, ständiges Schalten: Multivibrator Bistabil: Zustandsänderung nur, wenn Eingangssignal Schalten auslöst: Schmitt-Trigger (permanenter Eingangspegel), Flip-Flop (Eingangsschaltpuls)
3 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Kippschaltungen Grundprinzip: 2 gleiche Transistoren mit Mitkopplung Mitkopplungsglieder K, K2 definieren Funktion x, Ue y, Ua
4 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Monostabile Kippschaltung: Univibrator Ziel: y= für x= (stabil), Ausgangspuls y= definierter Länge τ, getriggert durch Eingangspegelwechsel x= x NOR x 2 y RC-Glied definiert Pulslänge τ=ln2 RC: Interne Variable z NOR-Gatter + Inverter in logischer Schaltung x x z y z t R C y τ t t
5 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Astabile Kippschaltung: Multivibrator Rückkopplung des Ausgangspulses über C auf Eingang triggert Pulsende: ständiger, periodischer Pegelwechsel RC-Glied definiert Pulslänge und Auszeit τ=rc: Var. V 2 Inverter V<V S : x=, y= C wird über R geladen, V steigt V>V S : Inverter schalten: x=, y=, V springt auf V>>V S C wird über R entladen, V sinkt V<V S :.
6 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Bistabile Kippschaltungen: Schmitt-Trigger-Schaltung Funktion: Eingangssignal U E bestimmt U A =U A,max oder U A,Min (=konst.) und löst bei Über-/Unterschreiten von Schwellenwerten Sprünge aus (Vgl.: Komparator und Diskriminator mit OPV) Mitkopplung über Spannungsteiler R 2, R destabilisiert U A U A schaltet schnell zwischen Sättigungswerten mit Hysterese U E Bsp.: Nichtinvertierender Schmitt-Trigger, U S =U - = U E,ein = -R /R 2 U A,min U E,aus = -R /R 2 U A,max U E = R /R 2 (U A, max -U A,min )
7 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Bistabile Kippschaltungen: Flip-Flop Funktion: 2 Logische Pulse auf Eingängen SET und RESET definieren den Ausgang Q für gesamte Folgezeit: Speicher-Funktion Symmetrische Darstellung eines RS-Flip-Flop aus 2 Invertern: S=H, R=L: T leitet, U BE2 sinkt U BE, I B steigt, T sättigt T 2 sperrt Q=H S=L, R=L: Zustand Q bleibt gespeichert T bleibt über R leitend, auch wenn S=L, bis R=H gesetzt wird R=H, S=L: umgekehrt zu oben Q=H, Q=L S=H, R=H: nicht erlaubt, da Q undefiniert wird für S L, R L
8 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Realisierung mit Gattern Bistabile Kippschaltung: RS-Flip-Flop R=Reset, S=Set, Q=Ausgang, Q=invert. Ausgang Wertetabelle: Beschr. mit NOR-Gattern: Beschr. mit NAND: S R Q Q Q Q () () Inversion v. S,R; or and S= setzt Q=, R= setzt Q= S=R=: Zustand bleibt erhalten: Q - S=R= ist logisch verboten, da Setzen von S=R= undefinierten Zustand ergibt
9 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Statisch getaktetes RS-Flip-Flop Zusätzlicher Takteingang C=/ zur De-/Aktivierung der Steuereingänge S, R Realisierung durch 2 weitere NAND-Gatter: Weitere Typen von bistabilen Kippschaltungen: RS-Flip-Flop Zustandsspeicher mit Set und Reset D-Flip-Flop Einzelbitspeicher: Speichern von D Master-Slave-Flip-Flop Flip-Flop mit Zwischenspeicher JK-Flip-Flop Getaktetes Flip-Flop
10 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Statisch getaktetes D-Flip-Flop (D-Latch) Speicherung der logischen Variable D mit Flip-Flop Setze: R = D; S = D; C D Q Q Q Q Q Q Takteingang (Clock) C=: Speicherinhalt bleibt C=: Einschreiben von D (Bit): D=: S=,R=, Q= D=: S=, R=, Q= Schaltsymbol:
11 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Flip-Flop Für Anwendungen wie Zähler, Schieberegister ist notwendig: Eingang ist inaktiv, bevor Ausgänge gesetzt werden Flip-Flops mit Zwischenspeicherung: Master-Slave (MS-)Flip-Flop: besteht aus 2 Flip-Flops C = :Master wird geladen, Slave ist gesperrt C = :Master gesperrt, Daten Q werden auf Slave übertragen JK-Flip-Flop: hat durch Rückkopplung von Q,Q auch definierten Zustand bei R=S=, K=J=: Inversion Q n =Q n-
12 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Flip-Flop Nachteile bisheriger Flip-Flops: Zeitverlust von ½ Takt da C= : Einlesen des Eingangs, C= : Setzen des Ausgangs; Einflanken-getriggertes D-Flip-Flop mit Zwischenspeicher (2 Flip-Flops) speichert D bei Wechsel C= und inaktiviert Eingang Zusätzl. vorrang. S, R -Flanken JK-Flip-Flop D-Flip-Flop
13 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Anwendung von Flip-Flops: Freuquenzteiler Einflankengetr. D-Flip-Flop mit externer Rückkopplung von Q Bei pos. Flancke von C wird Q invertiert: Q hat halbe Frequenz Toggle-, T-Flip-Flop: = JK-Flip-Flop mit Eingang J=K: (mit interner Rückkopplung) T=: Q bleibt unverändert T=: Q wird invertiert Q wird bei abfallender Flanke gesetzt
14 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Anwendung von Flip-Flops: Dualzähler n=4 T-Flip-Flops mit T=: z..z 3 stellen als Dualzahl...5 im Clk-Takt dar
15 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 26 Anwendungen von Flip-Flops: Schieberegister Schreibt eine serielle Bit-Folge D i in parallele Dualzahl Q -Q 4 mit einflankengetr. D-Flip-Flops: CLK Q Q 2 Q 3 Q 4 D 2 D 2 D 3 D 3 D 2 D 4 D 4 D 3 D 2 D 5 D 5 D 4 D 3 D 2 6 D 6 D 5 D 4 D 3 7 D 7 D 6 D 5 D 4
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