Elek

tron

ik/M

ikro

pro

zessoren

Digitaltechnik 1

Lerntext

Pro

f. Dr. K

ortsto

ck3

/20

04

Lern

text zu

m K

ap

itel Dig

italtech

nik

Ha

llo S

tud

ierend

e,

der folgende Lerntext dient dazu, sich das K

apitel Flip-F

lops im S

elbststudiumaneignen zu können. O

ffene Fragen klären S

ie zunächst in eigener Runde in

Kleingruppen

und erarbeiten

sich unverstandenen

Lernstoff

gemeinsam

.A

nschließend können Sie m

it mir in einer Ü

bungsstunde das Kapitel vertiefen

und ergänzen. Ich werde allerdings keinerlei E

rgebnisse an die Tafel schreiben,

sondern in einer Art L

ernberatung von Gruppe zu G

ruppe gehen und Ihre Fragen

beantworten oder H

inweise zur richtigen L

ösung geben. Dam

it Sie den S

toffnicht nur nachvollziehen, sondern auch aktiv erarbeiten und anw

enden können,stehen

Ihnen Ü

bungsaufgaben zur

Verfügung.

Sie

können dam

it Ihren

Kenntnisstand selbst überprüfen und feststellen, ob S

ie die Lernziele erreicht

haben. Bitte führen S

ie die Aufgaben durch. D

eren Lösung ist für das V

erständnisder nachfolgenden A

usführungen unbedingt notwendig. U

m die R

ichtigkeit derE

rgebnisse überprüfen zu können, habe ich die Ergebnisse im

Anhang beigelegt.

Ich w

ün

sche Ih

nen

viel S

pa

ß u

nd

einen

Erfo

lg b

eim D

urch

arb

eiten d

ieses

Tex

tes!

cop

yrig

ht ©

Elek

tron

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Digitaltechnik 2

Lerntext

Pro

f. Dr. K

ortsto

ck3

/20

04

Abb. 8.4.1 R

S-F

F

8.4

Fu

nk

tion

sgru

pp

en8

.4.1

Flip

-Flo

ps

Für

die B

earbeitung dieses

Kapitels

sind K

enntnisse über

die grundlegenden

Gatterfunktionen U

ND

, OD

ER

und NIC

HT

(AN

D, O

R und N

OT

) und derenV

erknüpfung mit H

ilfe der BO

OL

'schen Algebra (vergl. dazu R

egelungs- undS

teuerungstechnik) notwendig. In diesem

Kapitel lernen S

ie die Funktionsw

eise vonF

lip-Flops (bistabile K

ippstufen) kennen und sollten nach dem D

urcharbeiten desT

extes ...•

Unterschiede zw

ischen Taktzustands- und T

aktflankentriggerung kennen.•

die Reaktion von F

lip-Flops auf T

akt- und Steuersignale in Im

pulsdiagrarmm

eeinzeichnen können.

•den U

nterschied zwischen einem

einfachen und einem M

aster-Slave F

lip-Flop

kennen.•

das Zusam

menw

irken von Flip-F

lops mit anderen digitalen K

omponenten

bearbeiten können.

Ich werde die verschiedenen A

usführungen von Flip-F

lops ausgehend vom einfachsten

RS

-Flip-F

lop bis hin zum M

aster-Slave JK

-Flip-F

lop durch schrittweises hinzufügen

von Kom

ponenten erläutern. Da jedes neue F

lip-Flop dam

it auf die Eigenschaften der

vorangegangenen Flip-F

lops aufbaut, sind jeweils Ü

bungsaufgaben zwischengeschaltet,

die unbedingt gelöst werden sollten.

Dabei w

erden wie im

Praktikum

nur TT

L B

austeine eingesetzt. Dam

it gilt:

•offene E

ingänge wirken w

ie ein "H"

•S

pannungen kleiner als 0,8V w

irken als „L“

•S

pannungen größer als 2V und kleiner als die V

ersorgungsspannung (typ. 5V

) wirken als „H

“•

Durch die B

eschränkung auf positive Logik gilt: „H

“ = 1 und „L

“ = 0

Ein

fach

ste Au

sfüh

run

g ein

es Flip

-Flo

ps

Ein F

F besteht in seiner einfachsten A

usführung auszw

ei rückgekoppelten Gattern. E

s können sich zwei

stabile Zustände einstellen. F

ür den Fall, dass Q

auf 1liegt stellt sich autom

atisch an , der A

usgang desQ

unteren N

OR

-Gatters,

eine 0

ein und

umgekehrt.

(Vergl.

Sie

hierzu Ingenieurinform

atik I)

Dam

itkönnen logische Z

ustände beliebig lange gespeichertw

erden. Die E

igenschaften lassen sich sehr einfachdurch sogenannte Im

pulszeitdiagramm

e und Zustands-

folgetabellen beschreiben.

In diesen Tabellen w

ird mit dem

Index n der Zustand vor einer Ä

nderung bzw. vor

einem w

irksamen T

aktsignal, mit dem

Index n+1 der Z

ustand nach der Änderung bzw

.des w

irksamen T

aktsignals gekennzeichnet.

Lern

ziele

Wich

tige

Eig

ensch

aften

vo

n

TT

L-B

au

steinen

Ein

fach

ste

Au

sfüh

run

g ein

es

RS

-Flip

-Flo

ps

Elek

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zessoren

Digitaltechnik 3

Lerntext

Pro

f. Dr. K

ortsto

ck3

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04

n+

1

Zu

stan

dsfo

lge-

tab

elle für ein

einfa

ches R

S-

Flip

-Flo

p

n

Imp

ulszeit-

dia

gra

mm

für ein

einfa

ches R

S-

Flip

-Flo

p

Mit nur zw

ei Eingängen gibt es vier m

ögliche Eingangskom

binationen (2²).

•S

ind beide Eingänge S

und R auf „0", so ist das F

F gesperrt. D

.h. der alte Zustand

bleibt erhalten.•

Mit dem

S (=

Setz)- E

ingang auf „1" wird das F

F gesetzt, d.h. der Q

-Ausgang geht

auf “1".•

Mit dem

R (=

Rücksetz)-E

ingang auf „1" wird das F

F rückgesetzt, d.h. der

Q-

Ausgang geht auf „0".

•D

er Zustand für S

und R =

„1" ist nicht definiert, daQ

und zueinander per

QD

efinition invers sein müssen. F

erner ist nicht klar welchen Z

ustand das FF

einnehmen w

ird, wenn gleichzeitig die beiden R

- und S-E

ingänge auf „1" gehen.

Som

it ergibt sich folgende Zustandsfolgetabelle:

SR

Qm

+1

Q

00

Qn

Q

01

01

10

10

11

0*0*

* nicht definiertT

ab. 8.4.1Z

ustandsfolgetabelle eines RS

-FF

Abb. 8.4.2

Impulszeitdiagram

m eines R

S-F

F

Vervollständigen S

ie das nachstehende Impulsdiagram

m

Elek

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Digitaltechnik 4

Lerntext

Pro

f. Dr. K

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04

Fra

gen

zum

einfa

chen

RS

-Flip

-Flo

p

(Lösung siehe A

nhang)

Fra

gen

:

•W

elcher Z

usa

mm

enhang b

esteht zw

ischen

dem

Q u

nd d

em A

usgang?Q

•W

aru

m d

ürfen

S- u

nd R

-Ein

gang n

icht b

eide 1

sein?

AUFGABE1

Elek

tron

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Digitaltechnik 5

Lerntext

Pro

f. Dr. K

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ck3

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04

Durch die V

erknüpfung des R- und

S-E

ingangs mit einem

Taktsignal C

(= clock) erhält m

an ein einfachestaktzustandsgesteuertes R

S-F

F.

Ist das Taktsignal auf „0", so sind

beide U

ND

-Gatter

(

) in

derA

nsteuerung gesperrt,

also sind

beide Ausgänge der U

ND

-Gatter auf

„0". Dam

it bleibt der Zustand des

Basis-F

F w

ie bisher (FF

-gesperrt).W

ährend der

Zeiträum

e, in

denendas T

aktsignal „1" ist, werden die R

-und

S-P

egel auf

die R

‘ und

S‘

Signale

durchgeschaltet und

dasB

asis-FF

kann

damit

entweder

gesetzt oder rückgesetzt werden.

Abb. 8.4.3 T

aktzustandsgesteuertes RS

-FF

Ein

fach

e tak

tzusta

nd

sgesteu

erte Flip

-Flo

ps

Die A

bhängigkeit des S- und R

-Einganges w

ird durch dievorangestellte Z

ahl (hier 1) hervorgehoben. Der zugehörige

Eingang w

ird durch eine nachgestellte Zahl gekennzeichnet.

Abb. 8.4.4

Impulsdiagram

m taktzustandsgesteuertes R

S-F

F

Ta

ktzu

stan

ds-

gesteu

erte

Au

sfüh

run

g ein

es

RS

-Flip

-Flo

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Sch

altzeich

en

na

ch D

IN

Imp

ulsz

eitd

iag

ra

m

meines

tak

tzusta

nd

s-

gesteu

erten

RS

-Flip

-Flo

ps

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Digitaltechnik 6

Lerntext

Pro

f. Dr. K

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04

Verv

ollstän

dig

en

Sie

das

nach

stehen

de

Imp

ulsd

iagram

m

für

eintaktzustandsgesteuertes R

S-F

F!

Fra

gen

:

•W

elchen

Vorteil h

at ein

taktzu

standsg

esteuertes F

lip-F

lop g

egen

über

einem

Basis R

S-F

lip-F

lop?

•W

ie kann d

er Zusta

nd ü

ber lä

ngere Z

eit geh

alten

werd

en?

•W

as p

assiert, w

enn b

eide E

ingänge a

uf „

1" g

ehen

, währen

d d

er Takt

ina

ktiv ist?

•W

as p

assiert, w

enn b

eide E

ingänge a

uf „

1" g

ehen

, währen

d d

er Takt

aktiv ist?

AUFGABE2

Fra

gen

zum

tak

tzusta

nd

s-

gesteu

erten

RS

-Flip

-Flo

p

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Digitaltechnik 7

Lerntext

Pro

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/20

04

Tak

tzusta

nd

sgesteu

ertes Data

Flip

-Flo

p

Durch das H

inzufügen eines weiteren G

atters () (A

bb. 8.4.5) kann das einfacheR

S-F

F zu einem

D-F

F (D

ata-Latch) erw

eitert werden, das nur in bestim

mten,

durch ein Taktsignal vorgegebenen, Z

eiträumen gesetzt oder rückgesetzt w

erdenkann. M

an spricht in diesem F

all von einem taktzustandsgesteuerten D

-FF

s. Die

Kom

bination das R‘ und S

‘ gleichzeitig auf „1" sind, ist durch den Inverter

nun nicht mehr m

öglich, da entweder nur A

ND

-Gatter

oder A

ND

-Gatter

auf „1" gehen kann.

Abb. 8.4.5

Taktzustandsgesteuertes D

-Flip-F

lop

Abb. 8.4.6

Impulsdiagram

m für taktzustandsgesteuertes D

-Flip-F

lop(S

‘ und R‘ sind die S

ignalpegel im Inneres des F

F)

Ta

ktz

us

ta

nd

s-

gesteu

ertes

Data

Flip

-Flo

ps

Imp

ulszeit-

dia

gra

mm

eines

tak

tzusta

nd

s-

gesteu

erten D

ata

-

Flip

-Flo

ps

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Digitaltechnik 8

Lerntext

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/20

04

Fra

gen

zum

tak

tzusta

nd

s-

gesteu

erten

D-F

lip-F

lop

Vervollständigen

Sie

das nachstehende

Impulsdiagram

m

für ein

taktzustandsgesteuertes D-F

F!

Fra

gen

:

•W

elchen

Vorteil h

at ein

D-F

lip-F

lop g

egen

über ein

em R

S-F

lip-F

lop?

•W

ozu

werd

en D

-Flip

-Flo

ps ein

gesetzt?

AUFGABE3

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Digitaltechnik 9

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04

Ta

ktzu

stan

ds-

gesteu

ertes

D-F

lip-F

lop

mit

Prio

ritäts-

eingän

gen

Sch

altzeich

en

eines

tak

tzusta

nd

s-

gesteu

ertes

D-F

lip-F

lop

mit

Prio

ritäts-

eingän

gen

Imp

ulszeit-

dia

gra

mm

eines

tak

tzusta

nd

s-

gesteu

erten D

ata

-

Flip

-Flo

ps m

it

Prio

ritäts-

eingän

gen

Abb. 8.4.7

Tak

tzustan

dsg

esteuertes D

-Flip

-Flo

pm

it Prioritätseingängen

Abb. 8.4.8

Schaltzeichen

Tak

tzusta

nd

sgesteu

ertes D-F

lip-F

lop

mit P

rioritä

tseingän

gen

Um

die FF

s in eine definierte Startlage zu bringen, oder um

einen Reset

durchzuführen, werden norm

alerweise zusätzliche R

- und S-E

ingänge an dasB

asis-FF

angefügt, die nicht mit dem

Takt verknüpft sind, also im

mer

unmittelbar w

irken. Daher w

erden sie auch als Prioritätseingänge bezeichnet.

Dies w

ird auch durch die Kennzeichnung m

it R und S

allein ohne eine weitere

Zahl im

Schaltzeichen (A

bb. 8.4.8) ausgedrückt! D

urch die Besonderheit, dass bei T

TL

ein offener Eingang w

ie eine logische„1" w

irkt, führt man diese E

ingänge jeweils über einen Inverter, dam

it dieF

unktionsweise des F

F auch bei nicht angeschlossenen R

- bzw. S

-E

ingängen (offene Eingänge) gew

ährleistet ist. Daraus

ergibt sich, dass mit einer logischen „0" der

Prioritätseingang aktiv w

ird. Dies w

ird imS

chaltzeichen durch die Invertierung (Kreis vor dem

Eingang) bzw

. Durch einen N

egationsstrich über demE

ingangssignalbezeichner R oder S

ausgedrückt. Um

einen undefinierten Zustand zu verm

eiden, der beimD

urchschalten des D-S

ignals entstehen könnte, werden

diese R- und S

-Signale zusätzlich noch auf die beiden

AN

D-G

attter gegeben, um diese zu sperren.

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Digitaltechnik 10

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04

Fra

gen

zum

tak

t-

zusta

nd

sgesteu

erten

D-F

lip-F

lop

mit

Prio

ritätsein

gän

gen

Abb. 8.4.9

Impulsdiagram

m eines taktzustandsgesteuerten D

-Flip-F

lopm

it Prioritätseingängen

Vervollständigen S

ie das nachstehende Impulsdiagram

m für ein

taktzustandsgesteuertes D-F

F m

it Prioritätseingängen!

Fra

gen

:

•W

aru

m w

erden

die R

- und S

-Ein

gänge a

ls Prio

ritätsein

gänge

bezeich

net?

•W

ozu

werd

en R

- und S

-Ein

gänge g

enutzt?

AUFGABE4

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Digitaltechnik 11

Lerntext

Pro

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04

Sch

altzeich

en

tak

tflan

ken

-

gesteu

ertes

D-F

lip-F

lop

s

mit P

rioritä

ts-

eingän

gen

Abb. 8.4.9 D

-FF

Abb. 8.4.10 D

-FF

Tak

tflan

ken

gesteu

erte Flip

-Flo

ps

Bei taktzustandsgesteuerten F

Fs kann es dazu kom

men, dass w

ährend einesT

aktsignals noch eine Änderung w

irksam w

erden kann. Dies kann zu P

roblemen

führen, da damit auch kurze S

törsignale eventuell noch wirksam

werden können.

In modernen S

chaltungen werden deshalb heute dynam

ische FF

s eingesetzt, dienur w

ährend einer Taktflanke ihren A

usgangszustandän

dern

k

ön

nen

. M

an

bezeich

net

diese

alsflankengetriggerte F

Fs. D

ies wird durch ein D

reieck amT

akteingang dargestellt.

Die

wirksam

e F

lanke ist

dabei bei

einem

nichtausgefüllten D

reieck der Übergang von 0 auf 1 (positive

Taktflanke) (vergl. A

ufgabe 5).

Bei einem

ausgefüllten Dreieck bzw

. bei einem Invertierungssym

bol (Kreis) vor

dem D

reieck ist die wirksam

e Flanke der Ü

bergang von 1 auf 0 (negativeT

aktflanke) (vergl. Aufgabe 6)

Der genaue innere A

ufbau soll hier nicht näher betrachtet werden. V

ielmehr soll

mit den S

chaltsymbolen und den Z

ustandsfolgetabellen im W

eiteren gearbeitetw

erden. Die K

reise an den R- und S

-Prioritätseingängen (A

bb. 8.4.9 und 8.4.10)zeigen, dass die L

ow-S

ignale aktiv sind.A

nstelle der Kreise findet m

an häufig auch die Kennzeichnung m

it bzw

. .

SR

(vergl. Abb. 8.4.8)

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Digitaltechnik 12

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04

Zu

stan

dsfo

lge-

tab

elle für ein

D-F

lip-F

lop

Imp

ulszeit-

dia

gra

mm

eines

tak

tflan

ken

-

gesteu

erten D

ata

-

Flip

-Flo

ps m

it

Prio

ritäts-

eingän

gen

Für beide T

ypen gilt folgende Zustandsfolgetabelle:

DT

Qn

+1

Bem

erku

ng

00

Qn

FF

gesperrt

01

0F

F rückgesetzt

10

Qn

FF

gesperrt

11

1F

F gesetzt

Qn

= S

ignal am Q

Ausgang v

or dem

aktiven Taktsignal

Qn+

1=

Signal am

Q A

usgang nach

dem aktiven T

aktsignal

Tab. 8.4.2

Zustandsfolgetabelle D

-FF

Abb. 8.4.11

Impulsdiagram

m eines positiv taktflankengesteuerten D

-Flip-F

lopsm

it Prioritätseingängen

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Digitaltechnik 13

Lerntext

Pro

f. Dr. K

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04

Ergänzen S

ie im nachfolgenden Z

eitdiagramm

denS

ignalverlauf Q für ein positiv flankengetriggertes D

-F

lip-Flop.

Die P

rioritätseingänge S und R

sind „aktiv 0".

(Lösung siehe A

nhang)

AUFGABE5

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Digitaltechnik 14

Lerntext

Pro

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04

Fra

gen

zum

tak

tflan

ken

-

gesteu

erten

D-F

lip-F

lop

Ergänzen S

ie im nachfolgenden Z

eitdiagramm

den Signal-

verlauf Q für ein nun negativ flankengetriggertes D

-Flip-

Flop.

Die P

rioritätseingänge sind „aktiv Low

”

(Lösung siehe A

nhang)

Fra

gen

:

•W

ora

n erken

nt m

an, m

it welch

er Fla

nke d

as F

lip-F

lop g

eschaltet w

ird?

•W

elchen

Vorteil h

at ein

taktfla

nken

gesteu

ertes D-F

lip-F

lop g

egen

über

einem

taktzu

standsg

esteuerten

D-F

lip-F

lop?

AUFGABE6

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Digitaltechnik 15

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Pro

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04

Bisher w

urden nur Schaltnetze behan-

delt, bei

denen E

ingangssignale zu

Ausgangssignalen verknüpft w

erden.W

erden auch Ausgangssignale auf den

Eingang zurückgeführt, so spricht m

anvon S

chaltwerken. D

ort ist es unbe-dingt notw

endig, die Ein- und A

us-gangssignale voneinander zeitlich zuentkoppeln,

um

ein S

chwingen

derS

chaltung zu vermeiden.

Un

terscheid

un

g

Sch

altn

etz un

d

Sch

altw

erk

Inn

erer Au

fba

u

un

d S

chaltzeich

en

eines ta

ktfla

nk

en-

gesteu

erten D

ata

-

Master-S

lave

Flip

-Flo

ps m

it

Prio

ritäts-

eingän

gen

Tak

tflan

ken

gesteu

erte Master-S

lave F

lip-F

lop

s

Abb.: 8.4.10 S

chaltwerk

Dazu erw

eitert man das einfache D

-FF

um ein w

eiteres FF

. Man erhält dann ein

so genanntes Master-S

lave FF

(siehe Abb. 8.4.11). Im

Schaltzeichen w

ird diesdurch

die besondere

Kennzeichnung

der A

usgänge dargestellt.

Die

Funktionsw

eise dieses Master-S

lave-Prinzipes soll für ein flanken getriggertes F

Fgezeigt w

erden, bei dem der innere A

ufbau noch zu erkennen ist. Dazu w

erden dieZ

eitverläufe der Zw

ischenvariablen Q’ und des S

ignals T’ erm

ittelt.

Abb. 8.4.11

positiv flankengetriggertes Data-M

aster-Slave-F

lip-Flop

Der T

akt C liegt direkt am

Master-F

F an. D

amit erfolgt ein E

inlesen mit der

positiven Taktflanke in das M

aster FF

. Am

Slave-F

F liegt aber der invertierte

Takt

C’

an. D

ie dort

wirksam

e positive

Taktflanke

ist bezogen

auf das

Eingangssignal C

, eigentlich die Rückflanke. D

amit ergibt sich die geforderte

zeitliche Entkopplung der E

ingangs- und Ausgangssignale. D

ie Information w

irdüber den Q

’-Ausgang des M

aster-FF

an das Slave-F

F übergeben. D

as Signal an Q

entspricht exakt dem S

ignal Q’, allerdings um

eine Taktflanke verschoben!

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Digitaltechnik 16

Lerntext

Pro

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04

Imp

ulszeit-

dia

gra

mm

eines

tak

tflan

ken

-

gesteu

erten D

ata

-

Master-S

lave

Flip

-Flo

ps

Fra

gen

zum

tak

tflan

ken

-

gesteu

erten

D-M

aster-

Sla

ve-F

lip-F

lop

Abb.: 8.4.12

Impulsdiagram

m

eines positiv

flankengetriggerten D-M

aster-S

lave-Flip-F

lop

Ergänzen S

ie im nachfolgenden Z

eitdiagramm

den Signalverlauf Q

für ein positivflankengetriggertes

D-M

aster-Slave-F

lip-Flop

nach A

bb. 8.4.11.

Die

Prioritätseingänge sind nicht beschaltet, also inaktiv.

(Lö

sun

g sieh

e An

ha

ng

)

Fra

gen

:

•W

ozu

verwen

det m

an M

aster-S

lave-F

lip-F

lops?

•W

odurch

wird

die zeitlich

e Entko

pplu

ng zw

ischen

Ein

gang u

nd A

usg

ang

des F

lip-F

lops erreich

t?

AUFGABE7

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Digitaltechnik 17

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04

Inn

erer Au

fba

u

eines ta

ktfla

nk

en-

gesteu

erten J

K-

Master-S

lave-

Flip

-Flo

ps

&

QQ

SR&

QQ

SR

1

K JC

Q“

Ma

ster”“

Sla

ve”

Abb.: 8.4.13

Innerer Aufbau eines JK

-MS

-FF

Abb. 8.4.14 JK

-FF

Das J

K-F

lip-F

lop

Ein universell verw

endbares FF

stellt das JK-F

F dar. W

ir betrachten im F

olgendendie flankengesteuerte A

usführung, die aus den bisher genannten Gründen am

häufigsten eingesetzt wird. D

a es sich beim JK

-FF

meist auch um

ein Master-

Slave-F

F handelt, w

ird mit der aktiven F

lanke das am E

ingang anliegende Signal

in das Master-F

F übernom

men, aber erst m

it der eigentlich inaktiven Flanke an

den A

usgang durchgeschaltet.

Zunächst

sollen eventuell

vorhandeneP

rioritätseingänge nicht betrachtet werden. D

ie Funktionsw

eise lässt sich anhandder G

rundschaltung nach Abb. 8.4.13 erläutern:

Durch die R

ückkopplung der Ausgangssignale auf

die Ein-gangsgatter (

und

) wird die F

unktiondes F

Fs nicht nur bestim

mt durch die J- und K

-E

ingänge, sondern ist auch ab-hängig von demZ

ustand, den das FF

vor dem aktiven T

aktsignalfür das M

aster FF

gerate hat. Abb. 8.4.14 zeigt das

Schaltsym

bol.

Elek

tron

ik/M

ikro

pro

zessoren

Digitaltechnik 18

Lerntext

Pro

f. Dr. K

ortsto

ck3

/20

04

Zu

stan

dsfo

lge-

tab

elle fü

r ein

JK

-Flip

-Flo

p

Die beiden A

ND

-Gatter (

und

) am E

ingang sindgesperrt. D

amit sind die beide E

ingangssignale Rund S

des Master F

F 0, d.h. (vergl. T

ab. 8.4.1) derA

usgangszustand des

FF

ändert

sich nicht

(FF

gesperrt oder FF

speichert).

Ist zum Z

eitpunkt des wirksam

en Taktsignals das F

Fbereits gesetzt, so kann der K

-Eingang am

AN

D-

Gatter

()

wirksam

w

erden. D

as F

F

wird

zurückgesetzt. Für den F

all, dass das FF

bereitsrückgesetzt w

ar, sind beide AN

D-G

atter gesperrtund das F

F bleibt im

rückgesetzten Zustand.

Ist zum Z

eitpunkt des wirksam

en Taktsignals das F

Fbereits zurückgesetzt, so kann der J-E

ingang amA

ND

-Gatter

()

wirksam

w

erden. D

as F

F

wird

gesetzt. Für den F

all, dass das FF

bereits gesetzt war,

sind beide AN

D-G

atter gesperrt und das FF

bleibt imgesetzten Z

ustand.

Eine B

esonderheit des JK-F

F ergibt sich für diesen

Fall. D

as FF

wird m

it jeder wirksam

en Taktflanke in

den anderen Zustand w

echseln. War es gesetzt, w

irdes rückgesetzt und um

gekehrt. Man sagt, das F

F„toggelt”.

Es lassen sich vier m

ögliche Kom

binationen der beiden Eingänge J und K

unterscheiden:

JK

Qn

Qn

+1

00

00

00

11

01

00

01

10

10

01

10

11

11

01

11

10

Alle beschriebenen F

unktionen eines JK-F

F lassen sich in einer verkürzten

Zustandsfolgetabelle (T

ab. 8.4.3) zusamm

enfassen.

JK

Qn

+1

Bem

erku

ng

00

Qn

FF

gesperrt

01

0F

F rückgesetzt

10

1F

F gesetzt

11

nQ

FF

toggelt

Qn

= S

ignal vor dem

aktiven Taktsignal

Qn+

1=

Signal n

ach

dem aktiven T

aktsignal

Tab. 8.4.3

Zustandsfolgetabelle JK

-FF

Elek

tron

ik/M

ikro

pro

zessoren

Digitaltechnik 19

Lerntext

Pro

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/20

04

Abb. 8.4.15

Impulsdiagram

m für ein positiv flankengesteuertes JK

-Master-

Slave-F

F ohne P

rioritätseingänge

Ergänzen S

ie im nachfolgenden Z

eitdiagramm

den Signalverlauf Q

für ein positivflankengetriggertes JK

-Master-S

lave-Flip F

lop nach Abb. 8.4.14.

(Lö

sun

g sieh

e An

ha

ng

)

Imp

ulszeit-

dia

gra

mm

eines

tak

tflan

ken

-

gesteu

erten J

K-

Master-S

lave

Flip

-Flo

ps

AUFGABE8

Elek

tron

ik/M

ikro

pro

zessoren

Digitaltechnik 20

Lerntext

Pro

f. Dr. K

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04

Abb. 8.4.17 JK

-FF

Abb. 8.4.16

Innerer Aufbau eines JK

-MS

-FF

mit P

rioritätseingängen

Handelsübliche

JK-M

S-F

lip-Flops

haben noch

zwei taktunabhängige S

etz- und Rücksetzeingänge

S

und R

(A

bb. 8.4.17),

die m

it logisch

Null

aktiviert w

erden (vergl.

Abb.

8.4.6). D

ieseE

ingänge haben wie bei den bisher besprochenen

Flip-F

lops absolute Priorität.

Abb. 8.4.18

Impulsdiagram

m für ein positiv flankengesteuertes JK

-Master-

Slave-F

F m

it Prioritätseingängen

Inn

erer Au

fba

u

eines

tak

tflan

ken

-

gesteu

erten J

K-

Master-S

lave

Flip

-Flo

ps m

it

Prio

ritäts-

eingän

gen

Imp

ulszeit-

dia

gra

mm

eines

tak

tflan

ken

-

gesteu

erten J

K-

Master-S

lave

Flip

-Flo

ps m

it

Prio

ritäts-

eingän

gen

Elek

tron

ik/M

ikro

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zessoren

Digitaltechnik 21

Lerntext

Pro

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04

Abb. 8.4.19 JK

-FF

als D-F

F

Ergänzen S

ie im nachfolgenden Z

eitdiagramm

den Signalverlauf Q

für ein positivflankengetriggertes JK

-Master-S

lave-Flip F

lop nach Abb. 8.4.17.

(L

ös

un

g

sie

he

An

ha

ng

)

Durch eine geeignete B

eschaltung am J-

und K-E

ingang kann jeder andere Typ von

FF

, z.B. das D

-FF

, nachgebildet werden.

(Abb. 8.4.19)

Durch

die universelle

Verw

endbarkeit dieses

Typs

werden

heute fast

ausschließlich noch JK-F

Fs eingesetzt, da sie durch die hohen S

tückzahlen bei derP

roduktion sehr preisgünstig sind. Im P

raktikum V

ersuch Digitaltechnik w

erdennur JK

-FF

eingesetzt.

Fra

gen

:

•W

aru

m

werd

en

heu

te fa

st aussch

ließlich

JK

-Master-S

lave

Flip

-Flo

p

eingesetzt?

•G

ibt es b

ei einem

JK-F

lip-F

lop u

ndefin

ierte Ein

gangszu

stände?

AUFGABE9

Fra

gen

zum

tak

tflan

ken

-

gesteu

erten

JK

-Master-

Sla

ve-F

lip-F

lop

Elek

tron

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zessoren

Digitaltechnik 22

Lerntext

Pro

f. Dr. K

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04

Abb. 8.4.20

JK-F

F als F

requenzteiler

Abb. 8.4.21

JK-F

F T

iming

8.4

.2A

nw

end

un

gsb

eispiele m

it Flip

-Flo

ps

8.4

.2.1

Freq

uen

zteiler

Der

einfachste F

requenzteiler (A

bb.8.4.20)

besteht aus

einem

JK-F

F,

dessen Eingänge J und K

beide auflogisch 1 (T

TL

: Versorgungsspannung

5 V) gelegt sind.

In dieser Beschaltung w

echselt das FF

mit jeder w

irksamen T

aktflanke seinenZ

ustand. A

us dem

Im

pulsdiagramm

(Abb. 8.4.21) sieht m

an, dass sich dieA

nzahl der

Ausgangssignale

halbierth

at.

Ma

n

spric

ht

vo

n

ein

em

Teilungsverhältnis

von 1:2.

Durch

Beschaltung m

it weiteren JK

-FF

erhältm

an Frequenzteiler, die im

Verhältnis

1:2n teilen können.

Fra

gen

:

•Skizzieren

Sie ein

en F

requen

zteiler, der u

m d

en F

akto

r 8 teilt!

Besch

altu

ng

als

Freq

uen

zteiler

Imp

ulsd

iagra

mm

für F

requ

enzteiler

Fra

gen

zum

Freq

uen

zteiler

Elek

tron

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zessoren

Digitaltechnik 23

Lerntext

Pro

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04

Abb. 8.4.21

4-Bit-B

inärzähler

Abb. 8.4.22

Impulszeitdiagram

m eines 4 B

it-Binärzählers

8.4

.2.2

4-B

it-Bin

ärzä

hler

Der aus Ingenieurinform

atik her bekannte Binärkode kann sehr einfach zum

Zählen

verwendet

werden.

Dazu

müssen

JK-F

Fs

wie

in A

bbildung 8.4.21

geschaltet werden. D

ie vier Ausgänge (A

, B, C

, D) der vier F

Fs entsprechen den 4

Bits, w

obei das 1. FF

am häufigsten schaltet. D

amit stellt der A

usgang A das L

SB

(leastsignificant

bit) dar.D

as 4. FF

repräsentiert das MS

B (m

ostsignificant

bit).

Mit den 4 B

its sind insgesamt 16 unterschiedliche Z

ustände, also Zahlen von 0 bis

15 darstellbar. (Siehe A

bb. 8.4.22) Zur besseren K

ennzeichnung wurde hier C

inT

(=

Takt)

umgenannt,

um

Verw

echslungen m

it dem

D

atenausgang C

zu

vermeiden

Gru

nd

scha

ltun

g

Bin

ärzä

hler

Imp

ulsd

iagra

mm

Bin

ärzä

hler

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tron

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Digitaltechnik 24

Lerntext

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04

Abb. 8.4.23

Dezim

alzähler

23

22

21

20

Gew

ichtung

DC

BA

Zuordnung

00

00

0

00

01

1

00

10

2

00

11

3

01

00

4

01

01

5

01

10

6

01

11

7

10

00

8

10

01

9

10

10

10

10

11

11

11

00

12

11

01

13

11

10

14

11

11

15

Tab. 8.4.4

Zustandstabelle eines B

inärzählers

8.4

.2.3

Dezim

alzä

hler

Ergänzt m

an den Zähler aus 8.4.2.2 durch eine D

ekodierschaltung, so kannsichergestellt w

erden, dass beim E

rreichen der Zahl 10 der Z

ähler über denP

rioritätsrücksetzeingang auf den Zustand 0 (A

BC

D =

0000) zurückgesetzt wird.

Zu

stan

dsta

belle

Bin

ärzä

hler

Gru

nd

sch

altu

ng

Dezim

alzä

hler

Elek

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zessoren

Digitaltechnik 25

Lerntext

Pro

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/20

04

Abb. 8.4.24

Impulszeitdiagram

m eines D

ezimalzählers

Mit E

rreichen des Zählerzustandes 10 sind erstm

als die beiden Ausgänge B

undD

auf logisch Eins. Ü

ber das NA

ND

-Gatter w

erden damit alle R

ücksetzeingängeR

(Prioritätseingänge) der vier JK

-FF

aktiviert, wodurch alle A

usgänge AB

CD

auf logisch Null gesetzt w

erden. Dam

it beginnt der Zähler w

ieder von vorne zuzählen.

Beobachtet

man

das A

usgangssignal von

B

mit

einem

schnellenO

szilloskop, so

erkennt m

an einen

schmalen

Nadelim

puls (Im

pulsbreiteentspricht einer G

atterlaufzeit 10-9 s).

Fra

gen

:

•W

ie viele Flip

-Flo

ps b

rauch

t man, u

m 6

3 zä

hlen

zu kö

nnen

?

•Skizzieren

Sie d

azu

die S

chaltu

ng!

•D

urch

welch

e Ma

ßn

ah

me ka

nn

der Z

äh

ler beim

Erreich

en d

er 50

au

f 0

zurü

ckgestellt w

erden

?

Imp

ulsd

iag

ra

mm

Dezim

alzä

hler

Fra

gen

zum

Zäh

ler

Elek

tron

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Digitaltechnik 26

Lerntext

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04

Abb. 8.4.25

Schieberegister als seriell-parallel-W

andler

8.4

.2.4

Sch

iebereg

ister

Durch

die Z

usamm

enschaltung m

ehrerer M

aster-Slave-F

lip-Flops

kann ein

Schieberegister aufgebaut w

erden, bei dem die Inform

ation von einem F

F zum

nächsten w

eitergegeben w

ird. D

iese S

chieberegister können

sowohl

zumW

andeln von seriell nach parallel oder auch parallel nach seriell anliegenderInform

ation genutzt werden.

Die an S

E (S

erieller Eingang) anliegende Inform

ation (D1 , D

2 , D3 , D

4 , D5 , D

6 , ...)w

ird synchron mit dem

Takt T

in das Schieberegister hineingeschoben. N

ach demersten T

akt liegt an Q4 die Inform

ation D1 an. M

it dem nächsten T

akt wird D

1 andas 2. F

F w

eitergereicht und die Information D

2 in das 1. FF

eingelesen. Dies ist

durch die zeitliche Entkopplung beim

Master-S

lave Prinzip m

öglich. Nach 4

Taktsignalen (vergl. T

ab. 8.4.5) kann dann die Information an den A

usgängen Q1

- Q4 parallel ausgelesen w

erden.

Takt

Q4

Q3

Q2

Q1

1D

1

2D

2D

1

3D

3D

2D

1

4D

4D

3D

2D

1

5D

5D

4D

3D

2

6D

6D

5D

4D

3

usw.

usw.

Tab. 8.4.5

Schem

a eines Schieberegisters als 4-B

it seriell parallel Wandler

Gru

nd

sch

altu

ng

Sch

iebereg

ister

Elek

tron

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zessoren

Digitaltechnik 27

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Pro

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04

Abb. 8.4.26

Schieberegister als parallel-seriell-W

andler

Durch N

utzung der Setz- und R

ücksetzeingänge kann auch eine parallel serielleU

mw

andlung erfolgen.

Mit dem

Signal S

(Set) und R

(Reset) w

erden in die FF

s parallel die anliegendenInform

ationen E

1 -

E4

eingelesen. D

azu w

erden zuerst

alle F

Fs

mit

demR

esetsignal auf

0 gesetzt,

um

danach m

it dem

F

reigabesignal S

die

Informationen, die an den E

ingängen E1 bis E

4 anliegen, zum S

etzen derentsprechenden F

Fs zu nutzen. D

anach kann die Information seriell am

Ausgang

SA

(vergl. Schieberegister A

bb. 8.4.25) nach rechts herausgeschoben werden.

Als A

bschluss dieser Lerneinheit folgen 2 P

rüfungsaufgaben aus dem F

achE

lektronik, deren Lösung in den angesetzten Ü

bungsstunden mit dem

Dozenten

durchgesprochen werden können.

Gru

nd

scha

ltun

g

eines

Sch

iebereg

isters

als p

ara

llel-seriell

Wa

nd

ler

Elek

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Digitaltechnik 28

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Pro

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ortsto

ck3

/20

04

Prü

fun

gsa

ufg

ab

e

au

s WS

20

03

/04

Vervollständigen

Sie

fürd

ie

Sc

ha

ltun

g

die

Zeitdiagram

me!

Bei den F

F handelt es sich

um positiv flankengetriggerte

Master

Slave

Flip

Flops

mi

tP

rioritätseingängen(Aktiv

low).

Elek

tron

ik/M

ikro

pro

zessoren

Digitaltechnik 29

Lerntext

Pro

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ck3

/20

04

Prü

fun

gsa

ufg

ab

e au

s dem

WS

20

00

/01

Vervollständigen S

ie für die untenstehende Schaltung die Z

eitdiagramm

e! Die A

bkürzung PO

R steht

für “power on reset”. B

ei den FF

s handelt es sich um positiv flankengetriggerte M

aster Slave F

lipF

lops mit P

rioritätseingängen.

Elek

tron

ik/M

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Digitaltechnik 30

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/20

04

An

han

g: L

ösu

ngen

Au

fga

be 1

:

Au

fga

be 2

:

Elek

tron

ik/M

ikro

pro

zessoren

Digitaltechnik 31

Lerntext

Pro

f. Dr. K

ortsto

ck3

/20

04

Au

fga

be 3

:

Au

fga

be 4

:

Elek

tron

ik/M

ikro

pro

zessoren

Digitaltechnik 32

Lerntext

Pro

f. Dr. K

ortsto

ck3

/20

04

Au

fga

be 5

:

Au

fga

be 6

:

Elek

tron

ik/M

ikro

pro

zessoren

Digitaltechnik 33

Lerntext

Pro

f. Dr. K

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04

Au

fga

be 7

:

Au

fga

be 8

:

Elek

tron

ik/M

ikro

pro

zessoren

Digitaltechnik 34

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Pro

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04

Au

fga

be 9

: