Flip Flops allgemein - Digitale Signalspeicher

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1 INFORMATION: Flip Flops allgemein - Digitale Signalspeicher Jede elektronische Schaltung, die zwei stabile elektrische Zustände hat und durch entsprechende Eingangssignale von einem Zustand in einen anderen geschaltet werden kann, nennt man Flip-Flop oder auch bistabile Kippstufe. Das Flip-Flop hier darf nicht mit den modischen Badeschlappen verwechselt werden. Die verschiedenen Flip-Flop-Arten werden unterschiedlich angesteuert, sie haben unterschiedlich wirkende Eingänge und ändern ihren Zustand nur bei bestimmten festgelegten Bedingungen. Ein einfaches Flip-Flop hat zwei Eingänge und zwei Ausgänge. Taktabhängige Flip-Flops haben noch einen entsprechenden Takteingang C. Flip-Flops ohne Takteingang sind vollständig taktunabhängig. Ihre Setz- und Rücksetzeingänge lassen sich jederzeit ansprechen. Die Zahl der möglichen Flip-Flop-Schaltungen ist sehr groß. Es werden nur die wichtigsten Flip-Flops berücksichtigt. Die Eingänge steuern die Flip-Flops. Diese Steuerung ist abhängig von der Verknüpfungsschaltung, die dem Eingang folgt. Die Abhängigkeit wird durch die Kennzeichnung des Eingangs ausgedrückt. Dem Buchstaben folgt eine 1, wenn der Eingang dominierend ist. RS-Flip-Flop / SR-Flip-Flop Das RS-Flip-Flop ist eine Bistabile Kippstufe, die zwei stabile Zustände besitzt. Sie sind bistabile Elemente und der Grundbaustein für alle Flip-Flops in der Digitaltechnik. Man kann dieses Flip-Flop aus zwei NOR oder zwei NAND aufbauen. Beim RS-Flip-Flop mit NOR-Gliedern spricht man von einem 1-aktiven Flip- Flop. Beim RS-Flip-Flop mit NAND-Gliedern spricht man vom 0-aktiven Flip-Flop. Diese Art von Flip-Flop wird in der Digital-technik häufig hinter Schaltern oder Tastern geschaltet um den mechanischen Schaltvorgang prellfrei auswerten zu können. RS-Flip-Flop aus NOR-Verknüpfungen Ein Flip-Flop wird aus zwei NOR-Verknüpfungen zusammengeschaltet. Bei diesem Flip-Flop dürfen die Ausgangspegel A1 und A2 keine gleichen Pegel führen, auch wenn es technisch möglich wäre. Setzen: Bei H-Pegel am S-Eingang wird der Ausgang Q 1 auf H-Pegel gesetzt. Speichern: Führt der S-Eingang L-Pegel so bleibt der Ausgang Q 1 unverändert. Rücksetzen: Wird der R-Eingang mit H-Pegel beschaltet, wird der Ausgang Q 1 auf L-Pegel gesetzt. Unbestimmt: Werden beide Eingänge auf H-Pegel gesetzt, führen die Ausgänge zufällige Pegel. Dieser Zustand ist verboten RS-Flip-Flop aus NAND-Verknüpfungen Werden die NOR-Verknüpfungen durch NAND-Verknüpfungen ersetzt, so erhält man ein RS-Flip-Flop mit negierten Eingängen. Dieses wird durch L-Pegel am S- Eingang gesetzt und am R-Eingang rückgesetzt. Der Speicherzustand wird durch H-Pegel an beiden Eingängen hergestellt. Der unbestimmte Zustand wird durch L- Pegel an beiden Eingängen bewirkt.

2 Klassifizierung von Flipflops anhand ihrer Reaktion auf Taktsignale Nicht taktgesteuerte Flipflops Der Zustand des oben eingeführten ungetakteten RS-Flipflop wird direkt durch die Pegel der Eingangssignale S oder R bestimmt. Solche Flipflops nennt man asynchrone pegelgesteuerte (engl. level triggered) Flipflops. Es gibt aber auch die Möglichkeit, dass ein Flipflop seinen Zustand nur während eines Pegelwechsels der Eingangssignale ändert und der Pegel des Eingangssignals selbst keinen weiteren Einfluss hat. Solche Flipflops nennt man asynchrone flankengesteuerte (edge triggered) Flipflops. Zur praktischen Realisierung wurden früher Differenzierglieder verwendet. Heute werden die Flanken meist mit Hilfe von Laufzeitunterschieden in kurze Nadelimpulse verwandelt oder sie werden direkt durch flüchtige interne Zustände ausgewertet. Taktgesteuerte Flipflops Da die Eingangssignale nur in bestimmten Zeitabschnitten stabil anliegen, ist es oft gewünscht, dass ein Flipflop nur zu bestimmten Zeiten auf die Eingangssignale reagiert. Dieses Verhalten kann durch Verwendung eines Taktsignals realisiert werden, das die Steuereingänge des Flipflops zu bestimmten Zeiten freischaltet. Das Berücksichtigen eines Taktsignals ermöglicht auch Synchronität mit anderen Schaltungsteilen und die Bildung von Synchronen Schaltkreisen. Hier gilt es zu unterscheiden, auf welche Weise ein Flipflop Taktsignale berücksichtigt. Das folgende Bild zeigt diesbezüglich, wie verschiedene Flipflop-Typen voneinander abhängen.

3 Taktzustands- und taktflankengesteuerte Flipflops Impulsverläufe eines zustandsgesteuerten und eines vorderflankengesteuerten RS-Flipflops im Vergleich Die Impulsdiagramme für die einzelnen Flip Flops in der folgenden Tabelle sind unterhalb der Tabelle gelistet. Exklusiv Oder (Antivalenz) Äquivalenz NAND NOR AND OR NOT Original Echt-Gras FF

4 Ungetaktetes RS FF aus NOR S R Q 1 Q 2 Zustand Setzen 0 0 x x Speichern Rücksetzen Ein Flip-Flop wird aus zwei NOR- Verknüpfungen zusammengeschaltet. Werden beide Eingänge auf H-Pegel gesetzt, führen die Ausgänge zufällige Pegel. Dieser Zustand ist verboten. Ungetaktetes RS FF aus NAND RS Flip Flop (taktzustandsgesteuert) 1 1 x x undefiniert S R Q 1 Q 2 Zustand Setzen 1 1 x x Speichern Rücksetzen 0 0 x x undefiniert Werden die NOR-Verknüpfungen durch NAND-Verknüpfungen ersetzt, so erhält man ein RS-Flip-Flop mit negierten Eingängen. Dieses wird durch L-Pegel am S- Eingang gesetzt und am R-Eingang rückgesetzt. Der Speicherzustand wird durch H-Pegel an beiden Eingängen hergestellt. Der unbestimmte Zustand wird durch L- Pegel an beiden Eingängen bewirkt. Ein Flip-Flop, dessen Setz- und Rücksetzeingang nur wirksam werden, wenn am Takteingang ein Signal anliegt. Die NANDs D1 und D2 dienen als Torschaltung. Achtung: C1 steuert, 1S und 1R werden gesteuert.

5 D Flip Flop (zustandsgesteuert) E T Q 1 Funktion 0 0 n Speichern Rücksetzen 1 0 n Speichern Setzen Das D-Flip-Flop kann keine irregulären Eingangszustände haben, R und S Eingänge führen immer gegensätzliche Zustände. Immer wenn am Takteingang eine Null anliegt, wird der vorhergehende Pegel am Ausgang gespeichert, egal welchen Pegel der Dateneingang hat. Liegt am Takteingang ein High-Pegel und ein Low-Pegel am Dateneingang, so wird das Flip-Flop zurückgesetzt. Liegt am Takteingang ein High-Pegel und ein High-Pegel am Dateneingang, so wird das Flip- Flop gesetzt. Taktflankengesteuertes JK FF C K J Q 1 Q 2 Funktion 0 > n n Speichern 0 > Setzen 0 > Rücksetzen 0 > X X Toggeln Achtung: einfacher als im Skript. Das JK-Flip-Flop hat eine Steuerung auf der Taktflanke, also dem Übergang an C von 0 nach 1 oder umgekehrt von 1 nach 0. Die Ausgängen Q1 und Q2 werden in Abhängigkeit der Ansteuerung der Eingänge J und K gesteuert. Es toggelt bei J=1, K=1.

6 JK MS FF mit retardiertem Ausgang T-Flip-Flop (flankengesteuert) <- Variante oben mit 3 JK FFs realisiert. <- Variante unten mit zwei RS FF in NAND-Bauweise als Master-Slave realisiert. Das JK-Flipflop (Master Slave) funktioniert ähnlich wie das JK- Flipflop. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der Zustand an den Eingängen bei einer steigenden Taktflanke eingelesen und bei einer fallenden Taktflanke ausgegeben werden. Das JK-Master-SlaveFlip-Flop kombiniert das JK-FF mit dem MS- FF. Es ist aufgebaut aus zwei JK- Kippgliedern mit zusätzlicher Beschaltung. Während der Impulsdauer wird der Zustand der Eingänge von J und K ins Master übernommen. Bei der Impulspause wird der Zustand vom Master ins Slave übernommen, und liegt somit an den Ausgängen Q und Q* an Kommt später dran.

7 Schaltsymbolbenennung: Nur C Taktzustandssteuerung, > Taktflankensteuererung, verzögerter Ausgang mittels fallender Flanke Impulsdiagramme: Anschauen, nachvollziehen, üben. NICHT für JK und JK MS! RS FF (NAND) taktzustandsgesteuertes RS FF (NOR) D FF (ähnelt dem RS FF, hier ohne Taktsteuerung) D Q Q

8 1tz JK FF mit verschiedenen Taktsteuerungen einzustandsgesteuertes FF -> Die Eingangszustände sind nur wirksam, während des Taktimpulses. 1tf einflankengesteuertes FF -> Die Eingangszustände sind nur wirksam, während einer bestimmten Änderung des Taktes (Taktflanke). Die Flanke, bei der die Steuereingänge ausgewertet werden wird auch als aktive Flanke bezeichnet. Diese Flipflops sind gegen Störimpulse geschützt, sofern diese nicht gleichzeitig mit der Taktflanke eintreffen. 2tz zweizustandsgesteuertes FF -> Die Eingangszustände werden während des einen Taktsignals aufgenommen und erst beim nächsten Taktsignal ausgegeben. Die Ausgänge werden hier retardierte Ausgänge (lat. retardare = verzögern) genannt, da die Eingangszustände um die Dauer des Taktimpulses verzögert werden. Sie werden durch die zwei Linien in Eckform dargestellt. Solche Flipflops werden durch die Master-Slave-Schaltung von zwei einzustandgesteuerten Flipflops realisiert. 2 tf zweiflankengesteuertes FF -> Die Eingangszustände werden während der einen Taktflanke aufgenommen und erst bei der nächsten Taktflanke ausgegeben. Die Ausgänge werden hier retardierte Ausgänge genannt, da hier die Eingangszustände verzögert werden. Sie werden durch die zwei Linien in Eckform dargestellt. Solche Flipflops werden durch die Master-Slave-Schaltung von zwei einflankengesteuerten Flipflops realisiert. Impulsdiagramm zum Vergleich der verschiedenen Taktsteuerungen an einem JK-Flipflop

9 Vorderflankengesteuertes JK FF JK MS FF 1. zweiflankengest. JK MS FF2. Aus dem Impulsdiagramm wird deutlich, dass die Änderung am Ausgang um den Taktflankenwechsel verzögert geschieht. Die Verzögerung beträgt eine Impulsbreite des Taktes, da das Ausgabe JK-FF (Slave) mit der invertierten Flanke des Eingabe Flip-Flops (Master) angesteuert wird. Am Beispiel eines flankengetriggerten JK-MS-Flipflops soll das Impulsdiagramm Aufschluß über die Funktion geben. Es wird also mit der positiven Taktflanke in den Master eingelesen und mit der negativen Taktflanke ausgegeben. und nochmal Übung macht den Meister

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