6. Sequentielle Schaltungen: 6.1. Grundsätzliche Aussage zu Flipflop Unterschiede zwischen kombinatorischen und sequentiellen Schaltungen: Kombinatorische Schaltungen: - Ausgänge sind nur vom Zustand der Eingangsgrößen abhängig d.h. A0f - Gleiche Eingangsbelegungen führen immer zu gleichen Ausgangswerten. - Signalwege sind zyklenfrei Sequentielle Schaltungen: - Ausgangsgrößen sind vom aktuellen und vom vorherigen Zustand der Eingangsgrößen abhängig d.h. A=f(E,Z) - Signale von früheren Eingangsbelegungen sind gespeichert und werden logisch neu verknüpft - Zyklische Signalwege sind möglich! Flipflops gehören zu den sequentiellen Schaltungen Einteilung der Kippschaltungen (Schaltwerke) (=Flipflops) astabile Kippschaltung - 2 Arbeitspunkte (z.b. 0 und 1) keiner davon ist stabil - Beide Arbeitspunkte wechseln autonom, d.h. ohne Steuersignal Beispiel: Rechteckgenerator monostabile Kippschaltung - 2 Arbeitspunkte (einer davon währen einer Haltezeit instabil) - Übergang vom stabilen zum instabilen Arbeitspunkt über Steuersignal - Rückkehr zum stabilen Arbeitspunkt erfolgt selbstständig Beispiel: Treppenhauslicht bistabile Kippschaltung - 2 Stabile Arbeitspunkte - Übergang zwischen den Arbeitspunkten nur mit Steuersignalen möglich Beispiel: Flipflop 6.2. S/R-Flipflop (Basisschaltung) - NAND-Darstellung -NOR-Darstellung siehe Literatur 6.2. S/R-Flipflop (Schaltbelegungstabelle):
S R Q 1 Q 1 /Q 0 0 0 0 1 SPEICHERN 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 RÜCKSETZEN 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 SETZEN 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 VERBOTEN 1 1 1 1 1 6.2. S/R-Flipflop (Funktionstabelle): S R Q 1 Q 0 d 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 d 0 1 1 6.2. S/R-Flipflop (Zustandsübergangstabelle): Q 1 Q S R 0 0 0 d 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 d 0 Aus dieser Zuordnungstabelle ergibt sich folgender Automatengraf: Automatengraf: Eigenschaften des Automatengrafen: Vollständigkeit und Widerspruchsfreiheit des Automaten o Widerspruchsfreiheit: Schnittmenge zweier wegführender Kanten muss 0 sein: Zustand Z 0 : /S*S/R = 0 Zustand Z 1 : /R * R/S = 0 Widerspruchsfrei! o Vollständigkeit: Vereinigungsmenge aller wegführenden Kanten muss 1 sein. Zustand Z 0 : /S +S/R =/= 1 Zustand Z 1 : /R + R/S =/= 1 Nicht vollständig, da die Belegung R=S=1 nicht definiert ist!
Vereinfachter Automatengraf Wird der verbotene zustand (S=R=1) schaltungstechnisch ausgeschlossen, kann der Automatengraf etwas vereinfacht werden. Das Flipflop ist sehr anfällig für Signalstörungen auf S und R, d.h. das Flipflop wird bei einer Störung auf den Signalleitungen S und R sofort gesetzt oder zurückgesetzt. In den folgenden Ausführungen sollen die störenden Eigenschaften des S/R- Flipflops schaltungstechnisch verbessert werden, z.b. durch Einführung einer Zeitbasis (Takt)
6.3. Getaktetes S/R-Flipflop: Schaltbelegungstabelle C S R Q 1 Q 1 /Q 0 d d 0 0 1 Q 0 d d 1 1 0 Q 1 wie ungetaktet 1 - Der verbotene Zustand bleibt immer noch erhalten - Da alle Komponenten einen gemeinsamen Takt haben ist das getaktete RS-Flipflop ein synchrones System - Da das Flipflop nur bei C01 schaltet, verringert sich die Störanfälligkeit des Flipflops Nachdem die Einführung einer Zeitbasis (Takt) die Störanfälligkeit reduziert hat soll 6.4. Master-Slave-Flipflop: Vorbemerkungen: Einteilungen der digitalen Systeme asynchrones System - Information wird durch Schalten einzelner Stufen übertragen o Alle Bauelemente sind ständig schaltfähig, d.h. sie können zu beliebigen Zeitpunkten Informationen verarbeiten Beispiel: I/O-Port eines μ-prozessors synchrones System - Schaltung wird von einem oder mehreren Takten gesteuert - Das Schalten zwischen verschiedenen Zuständen wird innerhalb der Schaltung abgestimmt (synchronisiert)bauelemente sind nur zu bestimmten Zeiten schaltfähig, d.h. sie können nur zu bestimmten Zeitpunkten Informationen verarbeiten Beispiel: Zähler mit gemeinsamer Taktversorgung der Flipflops
Prinzipschaltbild des Master-Slave-Flipflop - Da das Signal erst mit negiertem Takt zum Ausgang gelangt, spricht man beim Master-Slave-Flipflop von einer Zwischenspeicherung - Es handel sich hierbei um ein asynchrones System S/R-Master-Slave-Flipflop (getaktet) mit Schaltsymbol - Auch hierbei muss der verbotene Zustand berücksichtigt werden und muss äußerlich vermieden werden Die Eingangsbelegung S=R=1 ist immer noch nicht erlaubt! Das Master-Slave-Prinzip löst also nicht das Problem des verbotenen zustanden, ist aber die Voraussetzung Lösung: J/K-Master-Slave-Flipflop Die Rückkopplung der Ausgangssignale über Kreuz auf die Eingänge macht aus einem S/R-Master-Slave- Flipflop ein J/K-Master-Slave- Flipflop. Das Flipflop ist auch wenig anfällig für Signalstörungen auf J und K. Die Eingangsbelegung J(S)=K(R)=1 ist jetzt erlaubt!
J/K-Flipflop (Zustandsübergangstabelle) Q 1 Q J K 0 0 0 d 0 1 1 d 1 0 d 1 1 1 d 0 Auch aus dieser Zustandsübergangstabelle kann ein Automatengraf entwickeln werden. ( siehe Literatur) J/K-Master-Slave-Flipflop wird zum T- Flipflop Durch die Verbindung von J und K mit einer Leitung wird aus dem J/K-Master-Slave- Flipflop ein neues Flipflop (T-Flipflop = Toggle-Flipflop) Dieses Flipflop ist sehr gut für den Aufbau von synchronen, kaskadierbaren Zählern geeignet. T-Flipflop (Zustandsübergangstabelle) Q 1 Q T 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0
Aus dieser Zustandsübergangstabelle kann ebenfalls ein Automatengraf entwickelt werden