DIGITALTECHNIK 07 FLIP-FLOP S

Seie 1 von 32 DIGITALTECHNIK 07 FLIP-FLOP S

Inhal Seie 2 von 32 1 FLIP FLOP / KIPPSCHALTUNGEN... 3 1.1 ZUSAMMENFASSUNG: FLIPFLOP-KLASSIFIZIERUNG... 4 1.2 VEREINBARUNGEN... 4 1.3 STATISCHE / DYNAMISCHE EINGÄNGE... 6 2 NICHT-TAKTGESTEUERTE FLIPFLOPS... 7 2.1 RS-FLIP-FLOP AUS NOR-VERKNÜPFUNGEN... 7 3 TAKTZUSTANDGESTEUERTE FLIPFLOPS... 9 3.1 ZUSTANDSGESTEUERTES RS-FLIP-FLOP:... 10 3.2 DAS D-FLIPFLOP (DATA LATCH)... 12 4 TAKTFLANKENGESTEUERTE FLIPFLOPS... 14 5 EINFLANKENGESTEUERTE FLIPFLOPS... 16 5.1 DAS RS-FLIPFLOP... 16 5.2 DAS T-FLIPFLOP... 18 5.3 DAS D-FLIPFLOP... 20 5.4 DAS JK-FLIPFLOP... 22 6 ZWEIFLANKENGESTEUERTE FLIPFLOPS... 24 6.1 DAS RS-MASTER-SLAVE-FLIPFLOP... 24 6.2 DAS JK-MASTER-SLAVE-FLIPFLOP... 25 7 CHARAKTERISTISCHE GLEICHUNG... 27 8 MONOSTABILE KIPPSTUFEN... 28 8.1 MONOSTABILE KIPPSTUFEN MIT VERZÖGERUNGSZEIT... 29 8.2 VERZÖGERUNGSGLIEDER... 30 9 HAZARDS (LAUFZEITEFFEKTE)... 31

Seie 3 von 32 1 Flip Flop / Kippschalungen Kippschalungen sind meis sark rückgekoppele Versärkerschalungen, lassen sich aber auch mi logischen Gaern (NAND, NOR) realisieren. Die Gaer werden dabei als Versärker berieben (im Umschalbereich). Das Ausgangssignal is von den Zusänden der Eingangssignale und infolge der Rückkopplung auch von der Vorgeschiche abhängig. Es werden drei Gruppen von Kippschalungen unerschieden: Mulivibraor Univibraor Speicherbausein (Generaor) (Monoflop) (Flipflop) asabil monosabil bisabil Erzeugen von Impulsfolgen. Ein Impuls schale aus dem sabilen Ruhezusand in den Verweilzusand. Nach Ablauf der Verweilzei selbsäiges Rückschalen in den Ruhezusand. Zwei sabile Zusände, die von aussen eingesell werden können. Sie dienen zur Speicherung eines selbsäiges weres 0 bzw. 1. Klassifizierung von Flipflops nach der Wirkungsweise des Takes

Seie 4 von 32 1.1 Zusammenfassung: Flipflop-Klassifizierung Tak Seuerung RS JK D E T ungeake Zusands- Seuerung ungeake Flanken- Seuerung geake geake Einzusands- Seuerung 2-Zusands- Seuerung 1.1.1.1 E geake Einflanken- Seuerung geake Zweiflanken Seuerung 1.2 Vereinbarungen E 1 E 2 Q 1 Q 2 Anschlüsse für Speisungen werden grundsäzlich nich gezeichne.van den Beiden Ausgängen eines Flipflops liegen normalerweise engegengeseze Zusände. Zur Beschreibung der Arbeisweise eines Flipflops werden die logischen Zusände 0 und 1 verwende. Es dürfen auch Pegelangaben L und H benuz werden. Wenn keine besonderen Angaben gemach werden, gelen ses die Zuordnungen der posiiven Logik (H = 1, L = 0). Zusand E1 schale das Flipflop auf Q1 = 1. Diesen Vorgang nenn man Sezvorgang. Ha das Flipflop bereis den Zusand Q1 = 1, so bewirk die 1 am Eingang E1 nichs. Es erfolg dann keine Umschalung des Flipflops. Zusand E2 schale das Flipflop auf Q2 = 1. Diesen Vorgang nenn man Rücksezvorgang. Ha das Flipflop bereis den Zusand Q2 = 1, so bewirk die 1 am Eingang E2 nichs

Seie 5 von 32 Zusände 0 haben normalerweise keine seuernde Wirkung. Der Zusand Q1 kennzeichne den Speicherzusand des Flipflops. Is Q1 = 1, so ha das Flipflop den Wer 1 gespeicher. Selbsversändlich kann man auch Flipflops bauen, die durch 0-Zusände geseuer werden. Diese Flipflops haben besondere, durch Negaionskreis gekennzeichnee Eingänge und werden nur in geringem Umfang eingesez. E 1 E 2 Q 1 Q 2 Man verwende häufig Flipflops mi einer fesgelegen Grundsellung. Nach anlegen einer Speisespannung sell sich dieses Flipflop ses auf den Zusand Q1 = 0, Q2 = 1 ein. Dieser Schalzusand wird Ruhezusand, Ruhelage oder Rücksezzusand genann. Der Ausgang, der bei Ruhelage den Wer = 1 ha, wurde früher durch einen dicken Balken gekennzeichne. E 1 E 2 I = 0 Q 1 Q 2 Der Zusand Q1 = 1 und Q2 = 0 wird Arbeiszusand oder Sezzusand genann. Man kann Flipflops so bauen, dass sie nach Einschalen der Versorgungsspannung den Zusand Q1 = 1 annehmen. E 1 E 2 I = 1 Q 1 Q 2 Neuerdings gib es Flipflops, die nach Einschalen der Versorgungsspannung den Zusand haben, den sie beim Ausschalen der Versorgungsspannung haen. Sie verlieren also bei Spannungsverlus die gespeichere Informaion nich. Bei Flipflops dieser Ar is im Schalzeichen NV einzuragen (non volaile) E 1 E 2 N V Q 1 Q 2

Seie 6 von 32 1.3 Saische / dynamische Eingänge Saische Eingänge sprechen auf Eingangszusände an. E Q Es gib nun zwei Aren dynamischer Eingänge. Die eine Ar sprich an, wenn der Eingangszusand von 0 auf 1 änder. Ein solcher Eingang heiss dynamischer Eingang für die posiive (anseigende) Flanke. Symbol: E Q Ein dynamischer Eingang der zweien Ar sprich an, wenn der Eingangszusand sich von 1 auf 0 änder. Es wird dynamischer Eingang für die negaive (abfallende) Flanke genann. Symbol: E Q

Seie 7 von 32 2 Nich-akgeseuere Flipflops 2.1 RS-Flip-Flop aus NOR-Verknüpfungen Ein Flip-Flop wird aus zwei NOR-Vernüpfungen zusammengeschale. Bei diesem Flip-Flop dürfen die Ausgangspegel A 1 und A 2 keine gleichen Pegel führen, auch wenn es echnisch möglich wäre. Schalzeichen Im Schalzeichen werden die Eingänge mi S(sezen) und R(rücksezen) bezeichne. Q 2 is zu Q 1 negier. Wahrheisabelle S R Q 1 Q 2 Zusand 1 0 1 0 Sezen 0 0 x x Speichern 0 1 0 1 Rücksezen 1 1 x x Unbesimm Sezen: Bei H-Pegel am S-Eingang wird der Ausgang Q 1 auf H-Pegel gesez. Speichern: Führ der S-Eingang L-Pegel so bleib der Ausgang Q 1 unveränder. Rücksezen: Wird der R-Eingang mi H-Pegel beschale, wird der Ausgang Q 1 auf L-Pegel gesez. Unbesimm: Werden beide Eingänge auf H-Pegel gesez, führen die Ausgänge zufällige Pegel.

Anwendung: z.b. Prellfreier Schaler Beispiel: Prellfreier Schaler Seie 8 von 32 Taser und Schaler haben den Nacheil, dass sie durch ihren mechanischen Aufbau prellen. Werden sie beäig, wird durch das Kippen eine Kraf auf den Konak ausgelös, die ihn im Submillimeerbereich schließen und öffnen läss. Das Prellen enseh genau an diesem Konak, zu dem der Schaler beweg wird. Da in der aber einwandfreie Zusände geforder sind (Zähler, Speicher) muss ein Zurückfallen des Signals verhinder werden. Das Problem wird z. B. durch ein einfaches RS-Flip-Flop gelös. In diesem Fall handel es sich um ein RS-Flip-Flop aus NOR-Logikbauseinen(also auch separa aufbaubar). Wegen der hohen Schalgeschwindigkei des RS-Flip-Flops bleib es beim ersen Konak sehen und speicher diesen Logischen Wer, bis der andere Eingang beschale wird. Die Pulldown-Widersände verhindern unbeschalee Eingänge, während des Prellvorgangs.

Seie 9 von 32 3 Takzusandgeseuere Flipflops Beim nichakgeseueren Flipflop änder sich der Ausgangszusand einige Nanosekunden nach der Änderung des Eingangszusandes. Das is in vielen Fällen unerwünsch. Man möche die Änderung des Ausgangszusandes durch einen besonderen Befehl auslösen. Um dies zu erreichen, ha man akzusandsgeseuere Flipflops enwickel. Diese Flipflops werden auch Auffang-Flipflops genann, da sie vorwiegend zum Auffangen von Informaionen verwende werden. Diese zusäzliche Zeiseuerung wird als Tak (engl. clock) bezeichne, das ensprechende Signal als Taksignal. In seiner Funkionaliä ensprich dieser Takeingang der oben geforderen Lach-Funkion des einfachen Lach-FF. Das derar geseuere Flipflop wird als "geakees Flipflop" (engl. gaed lach) bezeichne. Das RS-Flipflop Zur Umwandlung des Basis-RS-Flipflops in ein akgeseueres Flipflop is die Implemenierung eines Takeinganges nowendig, der z.b. folgende Bedingung erfüll: Tak = "1": die RS-Eingänge werden sofor ausgewere, Tak = "0": die Auswerung der RS-Eingänge unerbleib. Ausgehend vom RS-Grundbausein kann diese Logik durch einfaches Vorschalen von zwei UND-Gaern realisier werden: Grundaufbau & >1 & >1 Symbol

Seie 10 von 32 3.1 Zusandsgeseueres RS-Flip-Flop: Ein Flip-Flop, dessen Sez- und Rücksezeingang nur wirksam werden, wenn am Takeingang ein Signal anlieg. Dem Flip-Flop wird ein Takeingang C1 hinzugefüg. Wahrheisabelle C R S Q1 Q2

Zeiablaufdiagramm Seie 11 von 32

Seie 12 von 32 3.2 Das D-Flipflop (daa lach) Auch durch die Takpegel-Seuerung is beim RS-Flipflop der "verboene" Zusand (R=S="1") nich beseiig worden. Eine geringfügige Änderung des geakeen RS- Flipflops kann allerdings zur Vermeidung dieses Zusandes führen. In dieser abgewandelen Form des RS-FF wird der R-Eingang durch das inveriere S-Signal definier, es exisier also nur noch ein einziges logisches Eingangssignal, das in diesem Fall dann als "D" (von Daum bzw. von engl. daa oder delay) bezeichne wird. Grundaufbau & & Das D-Flip-Flop beseh aus einem RS-Flip-Flop bei dem der Rücksezeingang zum Sezeingang negier is. Dadurch wird verhinder, daß der unbesimme Zusand einri. Wenn ein D-Flip-Flop RS-Eingänge ha, so läss es sich über diese Eingänge akunabhängig seuern. Symbol Ein solches Elemen sell das Grundelemen für saische Schreib-Lese-Speicher dar. Der einzige Eingang wird als Daen-Eingang bezeichne. Die Speicherung wird nur mi dem Takeingang geseuer. Das D-Flip-Flop gib es als akzusandsgeseueres(siehe Schalzeichen) und akflankengeseueres Flip-Flop.

Seie 13 von 32 Wahrheisabelle E T Q 1 Funkion 0 0 n Speichern 0 1 0 Rücksezen 1 0 n Speichern 1 1 1 Sezen Immer wenn am Takeingang eine Null anlieg, wird egal welchen Pegel der Daeneingang ha, der vorhergehende Pegel am Ausgang gespeicher. Lieg am Takeingang ein High-Pegel, und ein Low-Pegel am Daeneingang, so wird das Flip-Flop zurückgesez. Lieg am Takeingang ein High-Pegel, und ein High-Pegel am Daeneingang, so wird das Flip-Flop gesez. Zeiablaufdiagramm

Seie 14 von 32 4 Takflankengeseuere Flipflops Mi der Takflankenseuerung erreich man ein sehr genaues gleichzeiiges Schalen vieler Flipflops. Selbs bei grösseren Ferigungsoleranzen ergeben sich fas keine Abweichungen vom Soll-Schalzeipunk. Mi Takflankenseuerung werden Flipflops synchron geschale. Ein weierer Voreil der Takflankenseuerung is die Verminderung der Söranfälligkei. Sörsignale an den Eingängen können nur dann Sörungen verursachen, wenn sie in dem sehr kurzen Zeiraum des Schalens gerade anliegen. Vor und nach diesem Zeiraum haben Sörsignale keinen Einfluss. Durch Takflankenseuerung wird eine grössere Sörsicherhei erreich. Impulsglieder Für die Takflankenseuerung werden Impulsglieder benöig. Diese Glieder haben einen saischen und einen dynamischen Eingang und arbeien im Prinzip wie UND-Glieder. Variane für eine Impulserzeugung: Symbol A T & Z Innerer Aufbau A 1 Z T

Zeiablaufdiagramm Seie 15 von 32 A T Z

Seie 16 von 32 5 Einflankengeseuere Flipflops 5.1 Das RS-Flipflop Aus dem nich-akgeseueren RS-Flipflop wurde durch Vorschalen von zwei UND- Gliedern vor die Eingänge ein akzusandgeseueres RS-Flipflop. Ersez man diese beiden UND-Glieder durch Impulsglieder, erhäl man ein akflankengeseueres RS- Flipflop. Symbol: Inerner Aufbau: Wahrheisabelle:

Zeiablaufdiagramm: Seie 17 von 32

Seie 18 von 32 5.2 Das T-Flipflop Sehr häufig benöig man ein Flipflop, das bei jeder seuernden Takflanke in den anderen Zusand kipp. Als seuernde Takflanke soll zunächs einmal die anseigende Takflanke (0 1) angenommen werden. Seh das Flipflop auf Q1 = 1, so soll es bei der kommenden anseigenden Takflanke auf Q1 = 0 schalen, bei der nächsen anseigenden Takflanke dann auf Q1 = 1 usw. Ein solches Flipflop wird Trigger-Flipflop oder kurz T-Flipflop genann. Es kann aus dem einflankengeseueren RS-Flipflop abgeleie werden. Symbol: Inerner Aufbau: Wahrheisabelle:

Zeiablaufdiagramm: Seie 19 von 32

Seie 20 von 32 5.3 Das D-Flipflop Das einflankengeseuere D-Flipflop is sehr ähnlich aufgebau wie das akzusandgeseuere D-Flipflop. Sie unerscheiden sich nur in der Seuerung. Bei den einflankengeseueren D-Flipflops gib es solche, die bei anseigender Flanke des Taksignals schalen, und solche die bei abfallender Flanke des Taksignals schalen. Symbol: Inerner Aufbau: Wahrheisabelle:

Zeiablaufdiagramm: Seie 21 von 32

Seie 22 von 32 5.4 Das JK-Flipflop Das JK-Flipflop is ein universelles Flipflop. Es ha den Speicherfall, Sefall und den Resefall wie das RS-Flipflop. Jedoch gib es keinen verboenen Fall, sondern wird gleich wie beim T-Flopflop bei J =1 und K =1, in den Toggelzusand gebrach. Symbol: Inerner Aufbau: Wahrheisabelle:

Zeiablaufdiagramm: Seie 23 von 32

Seie 24 von 32 6 Zweiflankengeseuere Flipflops 6.1 Das RS-Maser-Slave-Flipflop Die zweiflankengeseueren Flipflops nehmen bei der anseigenden Takflanke das Eingangssignal auf. Dieses wird zwischengespeicher und erschein zunächs noch nich am Ausgang. Ers wenn die Takflanke wieder abfäll, wird das Signal zum Ausgang durchgeschale und is dann dor verfügbar. Man benöig für dieses Verfahren zwei Speicher, also zwei zusammengeschalee Flipflops. Das Flipflop, das die von aussen kommende Informaion aufnimm, wird Maser- Flipflop genann. Das zweie Flipflop, das die Informaion vom Maser übernimm, heiss Slave-Flipflop. Das Maser-Flipflop schale mi anseigender Takflanke und das Slave-Flipflop mi abfallender Takflanke. Flipflops dieser Ar werden Maser-Slave-Flipflop genann. Symbol: Inerner Aufbau:

Seie 25 von 32 6.2 Das JK-Maser-Slave-Flipflop Das JK-Flipflop is ein universelles Flipflop. Es ha den Speicherfall, Sefall und den Resefall wie das RS-Flipflop. Jedoch gib es keinen verboenen Fall, sondern wird gleich wie beim T-Flopflop bei J =1 und K =1, in den Toggelzusand gebrach. Symbol: Inerner Aufbau: Wahrheisabelle:

Zeiablaufdiagramm: Seie 26 von 32

Seie 27 von 32 7 Charakerisische Gleichung Die Arbeisweise von Flipflops wurde bisher in Woren erläuer und mi Wahrheisabellen und Zeiablauf-Diagrammen beschrieben. Schalungen, in denen Flipflops enhalen sind, sollen jedoch auch berechenbar sein. Es is erwünsch, Flipflops mi Hilfe der Schalalgebra zu erfassen. Da die Wahrheisabellen von Flipflops bekann sind, sollen aus diesen schalalgebraische Gleichungen abgeleie werden. Diese Gleichungen heissen charakerisische Gleichungen. Für jede Flipflop-Ar lassen sich zugehörige charakerisische Gleichungen ableien. Sie enhalen neben den Eingangsvariablen und der Ausgangsvariablen zwei Zeiangaben, die Zeipunke n und n+1. Beispiel für ein akflankengeseueres JK-Flipflop.

Seie 28 von 32 8 Monosabile Kippsufen Monosabile Kippsufen haben zwei Schalzusände. Der eine wird sabiler Zusand, der andere nichsabiler Zusand genann. Im sabilen Zusand führ der Ausgang Q der Sufe ein 0-Signal. Der sabile sell sich nach Anlegen der Speisespannung ein. Er bleib so lange erhalen, bis durch ein Seuersignal am Eingang die Kippsufe in den nichsabilen Zusand gekipp wird. Im nichsabilen Zusand führ der Ausgang Q der Sufe ein 1-Signal. Die Dauer des nichsabilen Zusandes wird durch exern anzuschliessende Baueile besimm. Meis verwende man einen Kondensaor C T und einen Widersand R T. Die Verweildauer Q im nichsabilen Zusand ergib sich durch die Gleichung: Q = 0.69 * R T * C T Eine Änderung des Eingangssignals während der Zei Q bleib ohne Wirkung auf den Schalzusand der monosabilen Kippsufe. =5μs, R=333kΩ / C=47pF Symbole: Signal-Laufzeidiagramme: Zusandsseuerung Seuerung: anseigende Flanke Seuerung: abfallende Flanke

Seie 29 von 32 8.1 Monosabile Kippsufen mi Verzögerungszei Monosabile Kippsufen können so gebau sein, dass sie mi einer Verzögerung ansprechen. Die Verzögerungszei kann im Schalzeichen angegeben werden. Symbole: Signal- Laufzeidiagramm: Nachriggerbare monosabile Kippsufen Bei nachriggerbaren monosabilen Kippsufen kann die Verweildauer Q im nichsabilen Zusand durch weiere Seuerimpulse verlänger werden. Symbole: Signal- Laufzeidiagramm:

Seie 30 von 32 8.2 Verzögerungsglieder Verzögerungsglieder haben die Aufgabe, Signale zu verzögern. Symbole: Signal- Laufzeidiagramme: Die Verzögerungszei 1 gib an, um welche Zei anseigende Signalflanken verzöger werden. Die Verzögerungszei 2 gib an, um welche Zei abfallende Signalflanken verzöger werden.

Seie 31 von 32 9 Hazards (Laufzeieffeke) Problemsellung Bislang wurden lediglich ideale Bauseine ohne jegliche Verknüpfungs-/Verarbeiungszei berache. Die bisherigen Ziele waren vor allem die heoreische Minimierung von Schalfunkionen hinsichlich Kosen- und Bauseinredukion. In der Realiä reffen wir jedoch auf Bauseine, die sehr wohl eine gewisse Zei für die Verarbeiung von Signalen benöigen. Diese Verarbeiungszei is von Bausein zu Bausein verschieden, ja sogar ein und derselbe Bausein kann uner verschiedenen Umwelbedingungen (Temperaur, Feuchigkei ec.) ein völlig verschiedenes Laufzeiverhalen zeigen. Hinzu komm, dass normalerweise die Signalflanken einer digialen Schalung nich recheckig verlaufen, sondern es eine gewisse Zei in Anspruch nimm, bis sich ein Signalpegel eingesell ha. Auch diese Zeien sind keinesfalls deerminisisch. Es gib also zeilich verseze Signalübergänge beim Übergang vom Eingangssignal zum Ausgangssignal. Beim Wechsel des Eingangssignals wird als dynamischer Signalübergang ein Wechsel des Ausgangssignals, als saischer Signalübergang ein gleichbleibendes Ausgangssignal bezeichne. Beispiel: verseze Signalübergänge Gegeben sei ein einfacher AND-Bausein, der diesmal jedoch eine Verarbeiungszei (>0) besiz (angedeue durch das Verzögerungsglied δ ): Der vereinfache Signalverlauf - ohne Laufzei der Signaländerung - sieh dann folgendermaßen aus:

Hazards Seie 32 von 32 Hazard, Hazard-Fehler: Ein Hazard is eine Fehlermöglichkei einer digialen Schalung aufgrund von Laufzeifehlern. Ein Hazard-Fehler is die mehrmalige Veränderung eines Ausgangssignals bei einem Übergang. Hazards werden wie folg unerschieden: Srukur-Hazard liegen in der Srukur der Schalung begründe sind behebbar durch andere Schalnez-Realisierung. Funkions-Hazard liegen in der logischen Funkion selbs begründe sind nich durch andere Schalnez-Realisierungen behebbar. Achung Insbesondere bei asynchronen Schalnezen is demzufolge immer eine Laufzeianalyse erforderlich, um Hazards vorzubeugen oder diese (wenn möglich) zu beseiigen.