Digitaltechnik I Grundschaltungen

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Digitaltechnik I Grundschaltungen Seite 4 - 24 - 4.6.2 Monostabile Kippstufen Als klassische Schaltung ist die monostabile Kippstufe oder kurz Monoflop sehr eng mit dem Flipflop verwandt. Wird anstelle einer galvanischen Kopplung der beiden Gatter ein Rückführungszweig als RC-Glied ausgebildet, so entsteht eine Schaltung, die einen (monostabilen) dauerhaften Grundzustand sowie einen zeitweiligen, d.h. metastabilen Zustand besitzt. Durch passende Auslegung der Zeitkonstante läßt sich die Impulszeit in weiten Grenzen veränden. Bild 4.24 zeigt das allgemeine Schaltsymbol. E Bild 4.24 Schaltsymbol monostabile Kippstufe (Monoflop) 4.6.3 Astabile Kippstufen (Multivibratoren) Eine astabile Kippstufe entsteht dann, wenn beide Rückführungsleitungen eines Flipflops durch RC-Glieder ersetzt werden. Die so aufgebaute Digitalschaltung arbeitet instabil, d.h. sie liefert ein reckteckförmiges Signal bestimmter Frequenz. Daher werden diese Schaltungen auch als Multivibratoren bezeichnet. Bild 4.25 läßt das Schaltsymbol erkennen. G 1 Bild 4.25 Schaltsymbol astabile Kippstufe (Multivibrator) Ein Vorteil von astabilen Kippstufen ist darin zu sehen, daß sowohl Frequenz als auch Tastverhältnis des Ausgangssignales durch passende Wahl externer Bauelemente verändert werden können. 4.6.4 Funktion und Aufbau technischer Flipflops Die in Abschnitt 4.6.1 behandelten Basis-Flipflops bieten zwar die Möglichkeit, die Informationsmenge 1 Bit zu speichern, sind jedoch für den praktischen Einsatz als digitalelektronisches Bauelement nur sehr beschränkt tauglich. Aus diesem Grunde wurde eine Reihe weitgehend standardisierter Flipflops entwickelt, die für unterschiedliche technischen Anwendungen vorgesehen sind. Die logische Schaltung dieser Flipflops entsteht durch entsprechende Erweiterungen der Basis-Flipflops. 4.6.4.1 Merkmale technischer Flipflops Alle komplexeren Digitalschaltungen, die im Gegensatz zu den Schaltnetzen (kombinatorische Logik) auch intern gespeicherte Zustände besitzen (sequentielle Logik oder Schaltwerke), benötigen zur Verarbeitung dieser internen Zustände ein Taktsignal. Damit ein genauer Prof. Dr. -Ing. G. Biethan Fassung 1.21 vom 31.03.2003 Q1 Q2 Q
Digitaltechnik I Grundschaltungen Seite 4 - 25 - zeitlicher Bezug der Flipflop-Steuersignale gegeben ist, verfügen die meisten technischen Flipflops über die Möglichkeit einer Taktsteuerung mit Hilfe zusätzlicher Takteingänge. Damit weiterhin auch eine taktunabhängige Vorbesetzung des Flipflops mit log. '0' oder log. '1' möglich ist, sind häufig zusätzlich statische, d.h. taktunabhängige Informationseingänge vorgesehen. Ein weiteres Merkmal technischer Flipflops bildet das Erscheinen der zugehörigen Ausgangssignale Q1 bzw. Q2 nach einem Signalwechsel an den Informationseingängen. Erfolgt der neue Ausgangszustand praktisch unmittelbar nach der technisch bedingten Signalverzögerungszeit t pd , so spricht man von (daten-)transparenten Flipflops. Derartige Flipflops enthalten den Speicher für 1 Bit Information. Sie werden daher auch als Ein-Speicher-Flipflop bezeichnet. Sie lassen sich überall dort einsetzen (z.B. als Datenregister ≙ data latch), wo gleichzeitig jeweils nur 1 Bit pro Flipflop zu verarbeiten ist. In vielen Anwendungsfällen ist es allerdings erforderlich, mit einer FF-Schaltung eine neue Information zu übernehmen (z.B. Schieberegister =^ shift register), ohne daß die bisher gespeicherte Information verloren geht. Derartige Flipflops werden als nicht-transparent oder ausgangsverzögert (Zwei-Speicher- Flipflop) bezeichnet, da das neue Informationsbit verzögert an den Ausgängen Q1 bzw. Q2 erscheint. Als drittes Unterscheidungsmerkmal ist die Art der Steuerung des Flipflops durch einen bzw. zwei Informationseingänge zu berücksichtigen. Nachfolgend die bekanntesten Formen technischer Flipflops: • RS-Flipflop (2 Informationseingänge), Hauptanwendung: Schieberegister, Ringzähler • JK-Flipflop (2 Informationseingänge), universelle Anwendungsmöglichkeiten • D-Flipflop (1 Informationseingang),Hauptanwendung: Daten- und Schieberegister • T-Flipflop (1 Informationseingang), Anwendung: Frequenzteiler Metastabilität bei technischen Flipflops Diese Problematik besitzt bei technischen Flipflops eine hohe praktische Bedeutung. Erfolgt beispielsweise an einem ungetakteten RS-Fliplop eine Änderung der Eingangssignale durch verhältnismäßig langsame elektrische Impulse, so ist es möglich, daß ein kurzzeitiger bedingt stabiler (metastabiler) Zustand an einem der Ausgänge auftritt. Eine andere Ursache für Metastabilität von technischen Flipflops liegt in der Verletzung von Zeitbedingungen der Signale an den Informationseingängen in Bezug auf das Taktsignal. Als Folge der temporär undefinierten Ausgangssignale können in einer Schaltung sehr kritische Fehler auftreten. 4.6.4.2 Standardformen ungetakteter Flipflops (Latches) In diesem Abschnitt sollen die Standardformen technischer Flipflops behandelt werden. Diese unterscheiden sich durch die Anzahl und logische Bedeutung der Steuereingänge. Die zunächst vorgestellten ungetakteten Flipflops werden auch als Latches bezeichnet. Das ungetaktete RS-Flipflop Die Realisierung des RS-Flipflops entspricht dem NOR-Basis-FF, welches mit Abschnitt 4.6.1 eingeführt wurde. Bild 4.26 zeigt für das RS-Flipflop die logische Grundschaltung und das Schaltsymbol nach DIN/IEC. Prof. Dr. -Ing. G. Biethan Fassung 1.21 vom 31.03.2003
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