Post on 21-Jun-2019
transcript
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
ik/M
ikro
pro
zessoren
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
tron
ik/M
ikro
pro
zessoren
Digitaltechnik 3
Lerntext
Pro
f. Dr. K
ortsto
ck3
/20
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
tron
ik/M
ikro
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Digitaltechnik 4
Lerntext
Pro
f. Dr. K
ortsto
ck3
/20
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
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Digitaltechnik 5
Lerntext
Pro
f. Dr. K
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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
ps
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
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Pro
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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
Elek
tron
ik/M
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Pro
f. Dr. K
ortsto
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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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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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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.
Elek
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ik/M
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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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tron
ik/M
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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)
Elek
tron
ik/M
ikro
pro
zessoren
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Lerntext
Pro
f. Dr. K
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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
Elek
tron
ik/M
ikro
pro
zessoren
Digitaltechnik 13
Lerntext
Pro
f. Dr. K
ortsto
ck3
/20
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
Elek
tron
ik/M
ikro
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Digitaltechnik 14
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Pro
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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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ik/M
ikro
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Pro
f. Dr. K
ortsto
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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!
Elek
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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
Elek
tron
ik/M
ikro
pro
zessoren
Digitaltechnik 17
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Pro
f. Dr. K
ortsto
ck3
/20
04
Inn
erer Au
fba
u
eines ta
ktfla
nk
en-
gesteu
erten J
K-
Master-S
lave-
Flip
-Flo
ps
&
SR&
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
f. Dr. K
ortsto
ck3
/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
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Pro
f. Dr. K
ortsto
ck3
/20
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
pro
zessoren
Digitaltechnik 21
Lerntext
Pro
f. Dr. K
ortsto
ck3
/20
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
ik/M
ikro
pro
zessoren
Digitaltechnik 22
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f. Dr. K
ortsto
ck3
/20
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
ik/M
ikro
pro
zessoren
Digitaltechnik 23
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f. Dr. K
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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
Elek
tron
ik/M
ikro
pro
zessoren
Digitaltechnik 24
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Pro
f. Dr. K
ortsto
ck3
/20
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
tron
ik/M
ikro
pro
zessoren
Digitaltechnik 25
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Pro
f. Dr. K
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ck3
/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
ik/M
ikro
pro
zessoren
Digitaltechnik 26
Lerntext
Pro
f. Dr. K
ortsto
ck3
/20
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
ik/M
ikro
pro
zessoren
Digitaltechnik 27
Lerntext
Pro
f. Dr. K
ortsto
ck3
/20
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
tron
ik/M
ikro
pro
zessoren
Digitaltechnik 28
Lerntext
Pro
f. Dr. K
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
f. Dr. K
ortsto
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
ikro
pro
zessoren
Digitaltechnik 30
Lerntext
Pro
f. Dr. K
ortsto
ck3
/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
ortsto
ck3
/20
04
Au
fga
be 7
:
Au
fga
be 8
:
Elek
tron
ik/M
ikro
pro
zessoren
Digitaltechnik 34
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ck3
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04
Au
fga
be 9
: