L er n te x t z u m K a p it el D ig it a lt ec h n ik

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Elektronik/MikroprozessorenDigitaltechnik 1Lerntext

Prof. Dr. Kortstock3/2004

L er n te x t z u m K a p it el D ig it a lt ec h n ik

Hallo Studierende,der folgende Lerntext dient dazu, sich das Kapitel Flip-Flops im Selbststudiumaneignen zu können. Offene Fragen klären Sie zunächst in eigener Runde inKleingruppen und erarbeiten sich unverstandenenLernstoff gemeinsam.Anschließend können Sie mit mir in einer Übungsstunde das Kapitel vertiefenund ergänzen. Ich werde allerdings keinerlei Ergebnisse an die Tafel schreiben,sondern in einer Art Lernberatung von Gruppe zu Gruppe gehen und Ihre Fragenbeantworten oder Hinweise zur richtigen Lösung geben. Damit Sie den Stoffnicht nur nachvollziehen, sondern auch aktiv erarbeiten und anwenden können,stehen Ihnen Übungsaufgaben zur Verfügung. Siekönnendamit IhrenKenntnisstand selbst überprüfen und feststellen, ob Sie die Lernziele erreichthaben. Bitte führen Sie die Aufgaben durch. Deren Lösung ist für das Verständnisder nachfolgenden Ausführungen unbedingt notwendig. Um die Richtigkeit derErgebnisse überprüfen zu können, habe ich die Ergebnisse im Anhang beigelegt.

Ich wünsche Ihnen viel Spaß und einen Erfolg beim Durcharbeiten diesesTextes!

Prof. Dr. Kortstock3/2004 Abb. 8.4.1 RS-FF 8.4Funktionsgruppen8.4.1Flip-Flops

Fürdie Bearbeitung diesesKapitelssind Kenntnisse überdie grundlegendenGatterfunktionen UND, ODER und NICHT (AND, OR und NOT) und derenVerknüpfung mit Hilfe der BOOL'schen Algebra (vergl. dazu Regelungs- undSteuerungstechnik) notwendig. In diesem Kapitel lernen Sie die Funktionsweise vonFlip-Flops (bistabile Kippstufen) kennen und sollten nach dem Durcharbeiten desTextes ...•Unterschiede zwischen Taktzustands- und Taktflankentriggerung kennen.•die Reaktion von Flip-Flops auf Takt- und Steuersignale in Impulsdiagrarmmeeinzeichnen können.•den Unterschied zwischen einem einfachen und einem Master-Slave Flip-Flopkennen.•das Zusammenwirken von Flip-Flops mit anderen digitalen Komponentenbearbeiten können.

Ich werde die verschiedenen Ausführungen von Flip-Flops ausgehend vom einfachstenRS-Flip-Flop bis hin zum Master-Slave JK-Flip-Flop durch schrittweises hinzufügenvon Komponenten erläutern. Da jedes neue Flip-Flop damit auf die Eigenschaften dervorangegangenen Flip-Flops aufbaut, sind jeweils Übungsaufgaben zwischengeschaltet,die unbedingt gelöst werden sollten.Dabei werden wie im Praktikum nur TTL Bausteine eingesetzt. Damit gilt:

•offene Eingänge wirken wie ein "H"•Spannungen kleiner als 0,8V wirken als „L“•Spannungen größer als 2V und kleiner als die Versorgungsspannung (typ. 5V) wirken als „H“•Durch die Beschränkung auf positive Logik gilt: „H“ = 1 und „L“ = 0

Einfachste Ausführung eines Flip-Flops

Ein FF besteht in seiner einfachsten Ausführung auszwei rückgekoppelten Gattern. Es können sich zweistabile Zustände einstellen. Für den Fall, dass Q auf 1liegt stellt sich automatisch an , der Ausgang desQunteren NOR-Gatters, eine 0 einund umgekehrt.(Vergl. SiehierzuIngenieurinformatik I) Damitkönnen logische Zustände beliebig lange gespeichertwerden. Die Eigenschaften lassen sich sehr einfachdurch sogenannte Impulszeitdiagramme und Zustands-folgetabellen beschreiben.

In diesen Tabellen wird mit dem Index n der Zustand vor einer Änderung bzw. voreinem wirksamen Taktsignal, mit dem Index n+1 der Zustand nach der Änderung bzw.des wirksamen Taktsignals gekennzeichnet. Lernziele

WichtigeEigenschaften vonTTL-Bausteinen

EinfachsteAusführung einesRS-Flip-Flops

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Prof. Dr. Kortstock3/2004 n+1

Zustandsfolge-tabelle für eineinfaches RS-Flip-Flop n

Impulszeit-diagramm für eineinfaches RS-Flip-Flop Mit nur zwei Eingängen gibt es vier mögliche Eingangskombinationen (2²).

•Sind beide Eingänge S und R auf „0", so ist das FF gesperrt. D.h. der alte Zustandbleibt erhalten.•Mit dem S (=Setz)- Eingang auf „1" wird das FF gesetzt, d.h. derQ -Ausgang gehtauf “1".•Mit dem R (=Rücksetz)-Eingang auf „1" wird das FF rückgesetzt, d.h. der Q-Ausgang geht auf „0".•Der Zustand für S und R = „1" ist nicht definiert, daQ und zueinander perQDefinition invers sein müssen. Ferner ist nicht klar welchen Zustand das FFeinnehmen wird, wenn gleichzeitig die beiden R- und S-Eingänge auf „1" gehen.

Somit ergibt sich folgende Zustandsfolgetabelle:

SRQm+1Q 00QnQ

0101

1010

110*0** nicht definiertTab. 8.4.1Zustandsfolgetabelle eines RS-FF

Abb. 8.4.2Impulszeitdiagramm eines RS-FF

Vervollständigen Sie das nachstehende Impulsdiagramm Elektronik/MikroprozessorenDigitaltechnik 4Lerntext

Prof. Dr. Kortstock3/2004 Fragen zumeinfachenRS-Flip-Flop (Lösung siehe Anhang)

Fragen:•Welcher Zusammenhang besteht zwischen dem Q und dem Ausgang?Q•Warum dürfen S- und R-Eingang nicht beide 1 sein? AUFGABE1

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Elektronik/MikroprozessorenDigitaltechnik 5Lerntext Prof. Dr. Kortstock3/2004 Durch die Verknüpfung des R- undS-Eingangs mit einem Taktsignal C(= clock) erhält man ein einfachestaktzustandsgesteuertes RS-FF.Ist das Taktsignal auf „0", so sindbeide UND-Gatter() inderAnsteuerunggesperrt,also sindbeide Ausgänge der UND-Gatter auf„0". Damit bleibt der Zustand desBasis-FF wie bisher (FF-gesperrt).Währendder Zeiträume, indenendas Taktsignal „1" ist, werden die R-undS-Pegel auf die R‘ und S‘Signaledurchgeschaltet und dasBasis-FFkanndamit entwedergesetzt oder rückgesetzt werden. Abb. 8.4.3 Taktzustandsgesteuertes RS-FF Einfache taktzustandsgesteuerte Flip-Flops

Die Abhängigkeit des S- und R-Einganges wird durch dievorangestellte Zahl (hier 1) hervorgehoben. Der zugehörigeEingang wird durch eine nachgestellte Zahl gekennzeichnet.

Abb. 8.4.4Impulsdiagramm taktzustandsgesteuertes RS-FF Taktzustands-gesteuerteAusführung einesRS-Flip-Flops

Schaltzeichennach DIN

Impulszeitdiagrammeinestaktzustands-gesteuertenRS-Flip-Flops Elektronik/MikroprozessorenDigitaltechnik 6Lerntext

Prof. Dr. Kortstock3/2004 VervollständigenSiedasnachstehende Impulsdiagrammfür eintaktzustandsgesteuertes RS-FF!

Fragen:

•Welchen Vorteil hat ein taktzustandsgesteuertes Flip-Flop gegenübereinem Basis RS-Flip-Flop?•Wie kann der Zustand über längere Zeit gehalten werden?•Was passiert, wenn beide Eingänge auf „1" gehen, während der Taktinaktiv ist?•Was passiert, wenn beide Eingänge auf „1" gehen, während der Taktaktiv ist? AUFGABE2

Fragen zumtaktzustands-gesteuertenRS-Flip-Flop

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Prof. Dr. Kortstock3/2004 Taktzustandsgesteuertes Data Flip-Flop

Durch das Hinzufügen eines weiteren Gatters () (Abb. 8.4.5) kann das einfacheRS-FF zu einem D-FF (Data-Latch) erweitert werden, das nur in bestimmten,durch ein Taktsignal vorgegebenen, Zeiträumen gesetzt oder rückgesetzt werdenkann. Man spricht in diesem Fall von einem taktzustandsgesteuerten D-FFs. DieKombination das R‘ und S‘ gleichzeitig auf „1" sind, ist durch den Inverternun nicht mehr möglich, da entweder nur AND-Gatter oder AND-Gatterauf „1" gehen kann.

Abb. 8.4.5Taktzustandsgesteuertes D-Flip-Flop

Abb. 8.4.6Impulsdiagramm für taktzustandsgesteuertes D-Flip-Flop(S‘ und R‘ sind die Signalpegel im Inneres des FF) Taktzustands-gesteuertesData Flip-Flops

Impulszeit-diagramm einestaktzustands-gesteuerten Data-Flip-Flops Elektronik/MikroprozessorenDigitaltechnik 8Lerntext

Prof. Dr. Kortstock3/2004 Fragen zumtaktzustands-gesteuertenD-Flip-Flop VervollständigenSiedas nachstehende Impulsdiagrammfür eintaktzustandsgesteuertes D-FF!

Fragen:•Welchen Vorteil hat ein D-Flip-Flop gegenüber einem RS-Flip-Flop?•Wozu werden D-Flip-Flops eingesetzt? AUFGABE3