Zeitabhängige binäre Schaltungen. Prof. Metzler 1

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1 Zeitabhängige binäre Schaltungen 1

2 Bistabile Kippstufe Flipflop Eine bistabile Kippschaltung hat zwei Eingänge und zumeist zwei Ausgänge. Mit einem Signal am Eingang E1 wird das Flipflop in den gesetzten Zustand gebracht, am Ausgang A1 liegt dann HIGH-Potential. Dieser Zustand des Flipflops und der Pegel am Ausgang bleiben so lange erhalten gespeichert bis ein Rücksetz-Signal am Eingang E2 die Schaltung zurückkippen lässt. Am Ausgang A1 liegt dann LOW-Potential. Auch diese binäre Information bleibt solange gespeichert, bis ein erneutes Setzsignal gegeben wird. Ein Flipflop arbeitet somit wie ein Speicher für 1 Bit und wird daher auch als Elementarspeicher bezeichnet. Der Ausgang A2 führt das negierte Signal von A1. E1 E2 A1 A2 2

3 Nicht-taktgesteuertes RS-Flipflop Die einfachste Art und Weise ein Flipflop mit logischen Verknüpfungen aufzubauen, besteht in der Zusammenschaltung zweier rückgekoppelter NOR- Gatter. Eine solche bistabile Kippschaltung, die auf jedes neue Eingangssignal reagiert, wird auch als RS-Latch (engl. Klinke, einrasten) oder Basis-Flipflop bezeichnet. NOR-Gatter mit Wahrheitstabelle 3

4 Nicht-taktgesteuertes RS-Flipflop Wird also an den Eingang E1 der unten abgebildeten Schaltung eine 1 gegeben, muss der Ausgang A1 auf 0 gehen. Hat E2 den Wert 0, gelangt eine 1 an A2. Im umgekehrten Fall wechseln die Ausgänge ihre Signalzustände. Wird der Eingang E1 auch auf 0 gelegt, bleibt der vorherige Zustand erhalten das letzte Ausgangssignal wird gespeichert. Haben beide Eingänge den Wert 1, müssen beide Ausgänge 0-Signal führen. Dieser Zustand ist per Definition verboten, weil die Ausgänge immer entgegengesetzte Signale führen sollen. 4

5 Nicht-taktgesteuertes RS-Flipflop Der Eingang E1 ist der Setzeingang und wird mit S bezeichnet, der Rücksetzeingang E2 mit R. Der Ausgang A2 ist der Haupt -Ausgang des Flipflops und wird mit Q1 bezeichnet, der invertierte Ausgang A1 mit Q2 oder Q. Die bistabile Kippschaltung wird RS-NOR-Flipflop genannt. NOR-Latch 5

6 Nicht-taktgesteuertes RS-Flipflop Werden zwei NAND-Gatter auf die gleiche Art zusammen geschaltet, erhält man ebenfalls ein Flipflop. Ein NAND-Gatter führt am Ausgang 1-Signal, wenn mindestens ein Eingang den Wert 0 hat. NAND-Latch 6

7 Nicht-taktgesteuertes RS-Flipflop Bei der obigen Abbildung dargestellten Flipflop wird A1 = 1 und A2 = 0, wenn E1 = 0 ist und E2 = 1. Dies ist der gesetzte Zustand der Schaltung. Der zurückgesetzte Zustand wird durch umgekehrte Eingangssignale erreicht. Aus E1 = E2 = 1 ergibt sich der Speicherfall und E1 = E2 = 0 ist irregulär, weil beide Ausgänge den Wert 1 haben. In der folgenden Abbildung ist die Wahrheitstabelle erweitert worden, um im Speicherfall die vorher vorhandenen Zustände der Schaltung kennzeichnen zu können; hier mit Q1 (m-1) und Q2 (m-1). Aus dem R S- NAND-Flipflop kann durch Vorschalten von zwei Invertern ein RS-Flipflop gemacht werden. 7

8 Nicht-taktgesteuertes RS-Flipflop 8

9 Taktzustandsgesteuertes RS-Flipflop Um aus einem nicht-taktgesteuerten RS-Flipflop ein taktzustandsgesteuertes zu machen, müssen UND-Gatter vor die beiden Eingänge geschaltet werden. Gelangt in der unten abgebildeten Schaltung ein 1-Signal an E1, kann dieses erst wirksam werden, wenn an den Steuereingang T ebenfalls ein 1-Signal gelegt wird. Das Setzen des Flipflops erfolgt also dann, wenn ein Taktsignal an T dies ermöglicht. 9

10 Taktzustandsgesteuertes RS-Flipflop Schaltzeichen des taktzustandsgesteuerten SR-Flipflops 10

11 Taktzustandsgesteuertes RS-Flipflop Die auf der nächsten Folie folgende Abbildung zeigt eine mögliche Form der Wahrheitstabelle des taktzustandsgesteuerten RS-Flipflops. Da sich in den Fällen 1 bis 5 nichts ändert, wird sie üblicherweise ohne Taktsignal angegeben. Stattdessen wird die Tabelle in zwei Bereiche aufgeteilt: einen für den Zeitpunkt t n vor einem bestimmten Taktimpuls und einen für den Zeitpunkt t n+1 nach dem Taktimpuls. Des weiteren kann in der ausführlichen Wahrheitstabelle die Spalte für Q2 wegfallen, da dieser Ausgang immer den entgegengesetzten Zustand von Q1 hat. 11

12 Taktzustandsgesteuertes RS-Flipflop 12

13 Impulsglieder Für die Taktflankensteuerung werden Impulsglieder benötigt. Diese Glieder haben einen statischen und einen dynamischen Eingang und arbeiten im Prinzip wie UND-Glieder. Das unten abgebildete Impulsglied liefert positive Flanken. Schaltzeichen und Zeitablauf-Diagramm eines Impulsgliedes für positive Flankensteuerung 13

14 Einflankengesteuerte SR-Flipflop Aus dem nicht-taktgesteuerten RS-Flipflop wurde durch Vorschalten von zwei UND-Gattern ein takzustandsgesteuertes. Werden die Gatter durch Impulsglieder ersetzt, entsteht ein taktflankengesteuertes RS-Flipflop, welches nur beim Übergang des Taktsignals von 0 nach 1 der ansteigenden Flanke bzw. von 1 nach 0 mit abfallender Flanke schaltet. Für das einflankengesteuerte Flipflop gilt die gleiche Wahrheitstabelle, wie für das taktzustandsgesteuerte. 14

15 Einflankengesteuerte SR-Flipflop Impulsdiagramme eines takzustandsgesteuerten (links) und einem einflankengesteuerten RS-Flipflop (rechts) 15

16 D-Flipflop D 16

17 J K - Flipflop J K Q 0 0 speichern umschalten (toggeln) 17

18 T - Flipflop t n t n+1 Q1 Q

19 NE

20 NE

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