Elektronik Praktikum / Digitaler Teil Name: Jens Wiechula, Philipp Fischer Leitung: Prof. Dr. U. Lynen Protokoll: Philipp Fischer Versuch: 3 Datum: 24.06.01 RS-Flip Flop, D-Flip Flop, J-K-Flip Flop, Zählschaltungen 1. RS - Flip Flop Die Verknüpfungstabelle des RS-Flip Flops ergab: R S Q /Q 0 0 halten halten 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 (toggeln) 0 (toggeln) Im unbeschalteten Zustand (R = 0, S = 0) funktioniert die Schaltung wie ein Speicher: am Ausgang liegt das Ergebnis der letzten Beschaltung an und kann zu jeder Zeit abgefragt werden. Dies entspricht dem Zustand halten. Liegen an den Eingängen unterschiedliche Signale an, so verhält sich Q wie S und /Q gibt den Eingang R wieder. Das Ergebnis toggeln ist liefert keinen definierten logischen Zustand am Ausgang. Um die Situation nachvollziehen zu können, gibt man sich an B (Flip- Flop B in Abbildung 1) einen Ausgang, zum Beispiel /Q := 0 vor. R und S sind 1. Dann liegt an Q 1 0 0 Abbildung 1 RS-Flip Flop an. Dieser Wert wird auf den zweiten Eingang von S gegeben, der dann mit der selben Rechnung am Ausgang B für /Q := 0 liefert. Lag hingegen /Q := 1 an, gibt Block A auf den zweiten Eingang von Block B eine 0. Am Ausgang B erscheint /Q := 0 und wird auf den Eingang von Block A gegeben, so wie am Anfang des Beispiels beschrieben. /Q und Q liegen auf 0. Diese Resultate entsprechen auch den Ergebnissen unserer Messungen. Man nennt diesen Zustand verboten, da Q und /Q gleiche Werte annehmen und sie damit nicht mehr komplementär sind. Die Problematik dieser Beschaltung liegt darin, das eine Aussage nur getroffen werden kann, wenn man die anliegenden Zustände /Q und Q kennt. Im Gegensatz zur Koinzidenz wo eine 0 am Eingang pauschal eine 0 am Ausgang liefert, kann man so beim NOR nicht verfahren. Diese Erkenntnis erklärt auch den Namen der Schaltung. RS steht für Reset und Set, also Zurücksetzen und Setzen eines Bits. Daß man in der Praxis im Prinzip nur an einem Vorgang und nicht an beiden gleichzeitig interessiert ist läßt sich leicht nachvollziehen. Und bei keiner Beschaltung wird der
Zustand gehalten, was für einen Speicher auch naheliegend ist. Die gleiche Schaltung mit NANDs: Werden nun NANDs in der Schaltung statt den NORs verwendet, ändert sich die Wahrheitstabelle nur geringfügig. Gleich bleibt das Ergebnis für ungleiche Eingänge R und S. Liegen jedoch beide Eingänge auf Masse, werden die Ausgänge auf 1 geschaltet, der Effekt eines Speichers bleibt aus. Interessant ist die Betrachtung des Falls R = 1 und S = 1, denn dieser ist logisch nicht-trivial, das Ergebnis hängt nicht nur von den Eingängen ab. Für den Fall daß am Ausgang unterschiedliche Signale lagen wie es der Normalfall ist, hält die Schaltung den Zustand wie ein Speicher, also wie die Schaltung mit NORs im Fall halten. Lagen jedoch gleiche Ausgänge an, so springen die Ausgänge rein theoretisch zwischen (Q = 0 /Q = 0) und (Q = 1 /Q = 1) hin und her. Da aber im Praktikum die Schaltgenauigkeit gewiß nicht im Bereich von Nanosekunden liegt, gibt es also immer ein NAND, das zuerst beschaltet wird und die Ausgänge somit vor dem Erreichen von (R = 1 S = 1) in unterschiedliche Zustände geraten, welche dann auch meßbar also gehaltenes Signal anliegen. Anwendung: Die Anwendung von Flip Flops ist wohl denkbar breit, mit Sicherheit sind das größte Feld der Anwendungen elektronische Speicher. Der uns bekannte J-K Flip Flop eignet sich dazu besonders auch in der Master-Slave Schaltung, die sich sehr leicht mit einer Clock bedienen läßt. 2. D - Flip Flop Die Wahrheitstabelle des D - Flip Flops mit (R = 0 S = 0) lautet: D C Q /Q 0 0 halten halten 1 0 halten halten 0 1 0 1 1 1 1 0 Zunächst die Betrachtung des Falls (R = 0 S = 0): In den Fällen mit C = 0 gibt die Eingangsstufe (entspricht (I) in Abbildung 2) zwei mal 1 auf die Zuleitungen zur Ausgangsstufe (II). Das führt dazu, daß der Zustand von Q und /Q nicht direkt resultiert, ein einziger Gedankenschritt weiter erklärt jedoch sofort die Funktion dieser Beschaltung: /Q gibt seinen Wert auf Block A, Q auf B. Da der Ausgang von A und B jeweils invertiert ist, bleibt der Zustand erhalten. Ist C auf 1 gesetzt, kann mit D das Speicherbit (je nach Definition entsprechend Q oder /Q) auf Abbildung 2 D - Flip Flop
1 oder 0 gesetzt werden. Naheliegend ist es nun, auf Leitung C die Clock zu legen, so daß Schaltvorgänge über D nur bei vorhandener Clock funktionieren. Die Funktion der Eingänge R und S: Die Eingänge R und S werden durch ein NAND invertiert. Da sie gemeinsam mit den anderen Leitungen in Stufe (II) führen, kann Q bzw. /Q einfach durch (S = 1) bzw. (R = 1) auf 1 gesetzt werden. Setzt man entweder S oder R auf 1, wirkt sich die erzwungene 1 auf dem einen Ausgang nicht auf den anderen aus. 3. Zählschaltungen Asynchronzähler: 4 Um einen asynchronen Zähler modulo 16 mit J-K Flip Flops aufbauen zu können, werden 4 (2 = 16) der J-K Schaltungen benötigt. Die Schaltskizze zu diesem Zähler: Der Asynchronzähler funktioniert wie ein Frequenzuntersetzer: Der erste J-K Flip Flop spricht auf die zugeführten Zählimpulse an, jeder Impuls invertiert den Zustand von Q, so daß Q die halbe Frequenz der Clock ausgibt. In einem Asynchronen Zähler durchläuft das Eingangssignal nacheinander alle Stufen, so daß es eine gewisse Zeit dauert, bis die letzte Stufe den korrekten Ausgang liefern kann. Im Gegensatz dazu steht der synchrone Zähler. Hierbei ist jede Stufe mit der Clock verbunden, die Schaltvorgänge geschehen dadurch zeitgleich (= synchron). Schon nach der Laufzeit einer Stufe liegt das Ergebnis am Ausgang bereit. Zähldekade: Der Sinn der Zähldekade ist es von 1001 (dezimal 9) nach 0000 (dezimal 0) umzuspringen und gegebenenfalls einen Übertrag zu liefern. Deshalb fragt man Stufe 4 und Stufe 2 ab; sind beide auf 1, so entspricht das dezimal 10. Ganz exakt ist der Zähler dadurch nicht, da er erst von 9 auf 10 springt um dann einige Nanosekunden später über die Reset-Funktion alle Stufen auf 0 zu setzen. Praktisch verbindet man also die Reset-Eingänge der J-K Flip Flops mit Q4 Z Q 3 um den direkten Sprung von 10 auf 0 zu erreichen.
Abbildung 4 Oszillogramme: Zähler modulo 16 und Dekade im Vergleich Das Entwerfen einer Dekodierschaltung für die Dekade läuft schematisch so ab, daß für jeden Zustand 0, 1, 2,... jedes einzelne Bit überprüft wird und in eine Koinzidenz gegeben. Beispielsweise wird der Zähler auf den Zustand 7 überprüft, indem (niedere Stufe = niederwertiges Bit) mit LED 7 Q 1 š Q 2 š Q 3 š Q 4 der Zustand einer Anzeige (LED) berechnet wird. Leuchtet die LED, handelt es sich tatsächlich um die zu überprüfende Zahl. Im einzelnen kann noch überlegt werden, ob nicht überflüssige Abfragen vorhanden sind und wegfallen können. Ringzähler: Der Ringzähler entstand in unserer Realisierung aus einem rechtsschiebenden Register, dem die Ausgänge Q und /Q über kreuz auf die Eingänge gegeben wurden: Abbildung 5 Schaltskizze eines 5-Bit-Ringzählers Dadurch gibt mit Q 5 = 0 der Ausgang /Q 5 = 1 seinen Wert solange auf J bis diese 1 zur letzten Stufe durchgeschoben wurde und Q 5 = 1 wird und entsprechend /Q 5 = 0 auf J den Wert 0 gibt, so daß Nullen durchgeschoben werden. Bei der Durchführung unterlief uns ein kleiner Fehler, so daß wir einen bestimmten Preset in den Zuständen hatten. Die Schaltung lief ordnungsgemäß durch und schob den Preset von links nach rechts immer wieder durch. Der Ringzähler funktioniert also auch mit anderen, beliebigen Bit-ketten. Verglichen mit der äußerst komplizierten Schaltung des asynchronen Zählers, bei der jede einzelne Folge von Zuständen genau überprüft werden muß und sich praktisch für jede Stufe eine andere
Funktion ergibt, ist der Ringzähler sehr symmetrisch und kann ohne größeren Aufwand um beliebige Bits erweitert werden. Nachteil des Ringzählers ist die Ausnutzung der Möglichkeiten: während der asynchrone Zähler mit 5 Stufen über 32 verschiedene Zustände verfügt, sind es beim Ringzähler nur 10. 3. Literatur: Anweisungen zum Elektronikpraktikum