digitaltechnik - Reimann Online

Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 1 von 32
DIGITALTECHNIK
07 FLIP-FLOP’S
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 2 von 32
Inhalt
1
FLIP FLOP / KIPPSCHALTUNGEN ......................................................................................................... 3
1.1
1.2
1.3
2
NICHT-TAKTGESTEUERTE FLIPFLOPS ............................................................................................. 7
2.1
3
ZUSAMMENFASSUNG: FLIPFLOP-KLASSIFIZIERUNG ................................................................................. 4
VEREINBARUNGEN ................................................................................................................................... 4
STATISCHE / DYNAMISCHE EINGÄNGE...................................................................................................... 6
RS-FLIP-FLOP AUS NOR-VERKNÜPFUNGEN ............................................................................................ 7
TAKTZUSTANDGESTEUERTE FLIPFLOPS......................................................................................... 9
3.1
3.2
ZUSTANDSGESTEUERTES RS-FLIP-FLOP: ............................................................................................... 10
DAS D-FLIPFLOP (DATA LATCH) .............................................................................................................. 12
4
TAKTFLANKENGESTEUERTE FLIPFLOPS ...................................................................................... 14
5
EINFLANKENGESTEUERTE FLIPFLOPS .......................................................................................... 16
5.1
5.2
5.3
5.4
6
DAS RS-FLIPFLOP .................................................................................................................................. 16
DAS T-FLIPFLOP .................................................................................................................................... 18
DAS D-FLIPFLOP .................................................................................................................................... 20
DAS JK-FLIPFLOP .................................................................................................................................. 22
ZWEIFLANKENGESTEUERTE FLIPFLOPS....................................................................................... 24
6.1
6.2
DAS RS-MASTER-SLAVE-FLIPFLOP ....................................................................................................... 24
DAS JK-MASTER-SLAVE-FLIPFLOP ....................................................................................................... 25
7
CHARAKTERISTISCHE GLEICHUNG ................................................................................................ 27
8
MONOSTABILE KIPPSTUFEN .............................................................................................................. 28
8.1
8.2
9
MONOSTABILE KIPPSTUFEN MIT VERZÖGERUNGSZEIT .......................................................................... 29
VERZÖGERUNGSGLIEDER ....................................................................................................................... 30
HAZARDS (LAUFZEITEFFEKTE) ......................................................................................................... 31
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 3 von 32
1 Flip Flop / Kippschaltungen
Kippschaltungen sind meist stark rückgekoppelte Verstärkerschaltungen, lassen sich
aber auch mit logischen Gattern (NAND, NOR) realisieren. Die Gatter werden dabei als
Verstärker betrieben (im Umschaltbereich). Das Ausgangssignal ist von den Zuständen
der Eingangssignale und infolge der Rückkopplung auch von der Vorgeschichte
abhängig.
Es werden drei Gruppen von Kippschaltungen unterschieden:
Multivibrator
(Generator)
astabil
Erzeugen von Impulsfolgen.
Univibrator
(Monoflop)
monostabil
Ein Impuls schaltet aus dem
stabilen Ruhezustand in den
Verweilzustand. Nach Ablauf
der Verweilzeit selbsttätiges
Rückschalten in den
Ruhezustand.
Klassifizierung von Flipflops nach der Wirkungsweise des Taktes
Speicherbaustein
(Flipflop)
bistabil
Zwei stabile Zustände,
die von aussen
eingestellt werden
können.
Sie dienen zur
Speicherung eines
selbsttätiges wertes 0
bzw. 1.
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 4 von 32
1.1
Zusammenfassung: Flipflop-Klassifizierung
Takt
Steuerung
ungetaktet
ZustandsSteuerung
ungetaktet
FlankenSteuerung
getaktet
EinzustandsSteuerung
getaktet
2-ZustandsSteuerung
getaktet
EinflankenSteuerung
getaktet
Zweiflanken
Steuerung
1.2
RS
JK
D
E
T
1.1.1.1 E
Vereinbarungen
E
1
E
2
Q
1
Q
2
Anschlüsse für Speisungen werden grundsätzlich nicht gezeichnet.vAn den Beiden
Ausgängen eines Flipflops liegen normalerweise entgegengesetzte Zustände.
Zur Beschreibung der Arbeitsweise eines Flipflops werden die logischen Zustände 0 und
1 verwendet. Es dürfen auch Pegelangaben L und H benutzt werden. Wenn keine
besonderen Angaben gemacht werden, gelten stets die Zuordnungen der positiven Logik
(H = 1, L = 0).
Zustand E1 schaltet das Flipflop auf Q1 = 1. Diesen Vorgang nennt man Setzvorgang.
Hat das Flipflop bereits den Zustand Q1 = 1, so bewirkt die 1 am Eingang E1 nichts. Es
erfolgt dann keine Umschaltung des Flipflops.
Zustand E2 schaltet das Flipflop auf Q2 = 1. Diesen Vorgang nennt man
Rücksetzvorgang. Hat das Flipflop bereits den Zustand Q2 = 1, so bewirkt die 1 am
Eingang E2 nichts
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 5 von 32
Zustände 0 haben normalerweise keine steuernde Wirkung.
Der Zustand Q1 kennzeichnet den Speicherzustand des Flipflops. Ist Q1 = 1, so hat das
Flipflop den Wert 1 gespeichert.
Selbstverständlich kann man auch Flipflops bauen, die durch 0-Zustände gesteuert
werden. Diese Flipflops haben besondere, durch Negationskreis gekennzeichnete
Eingänge und werden nur in geringem Umfang eingesetzt.
E
1
Q
1
Q
2
E
2
Man verwendet häufig Flipflops mit einer festgelegten Grundstellung. Nach anlegen einer
Speisespannung stellt sich dieses Flipflop stets auf den Zustand Q1 = 0 , Q2 = 1 ein.
Dieser Schaltzustand wird Ruhezustand, Ruhelage oder Rücksetzzustand genannt. Der
Ausgang, der bei Ruhelage den Wert = 1 hat, wurde früher durch einen dicken Balken
gekennzeichnet.
E
1
E
2
I
=
0
Q
1
Q
2
Der Zustand Q1 = 1 und Q2 = 0 wird Arbeitszustand oder Setzzustand genannt. Man
kann Flipflops so bauen, dass sie nach Einschalten der Versorgungsspannung den
Zustand Q1 = 1 annehmen.
E
1
E
2
I
=
1
Q
1
Q
2
Neuerdings gibt es Flipflops, die nach Einschalten der Versorgungsspannung den
Zustand haben, den sie beim Ausschalten der Versorgungsspannung hatten. Sie
verlieren also bei Spannungsverlust die gespeicherte Information nicht. Bei Flipflops
dieser Art ist im Schaltzeichen NV einzutragen (non volatile)
E
1
E
2
N
V
Q
1
Q
2
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 6 von 32
1.3
Statische / dynamische Eingänge
Statische Eingänge sprechen auf Eingangszustände an.
E
t
Q
t
Es gibt nun zwei Arten dynamischer Eingänge. Die eine Art spricht an, wenn der
Eingangszustand von 0 auf 1 ändert. Ein solcher Eingang heisst dynamischer Eingang für
die positive (ansteigende) Flanke.
Symbol:
E
t
Q
t
Ein dynamischer Eingang der zweiten Art spricht an, wenn der Eingangszustand sich von
1 auf 0 ändert. Es wird dynamischer Eingang für die negative (abfallende) Flanke
genannt.
Symbol:
E
t
Q
t
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 7 von 32
2 Nicht-taktgesteuerte Flipflops
2.1
RS-Flip-Flop aus NOR-Verknüpfungen
Ein Flip-Flop wird aus zwei NOR-Vernüpfungen zusammengeschaltet.
Bei diesem Flip-Flop dürfen die Ausgangspegel A1 und A2 keine gleichen Pegel führen,
auch wenn es technisch möglich wäre.
Schaltzeichen
Im Schaltzeichen werden die Eingänge mit S(setzen) und R(rücksetzen) bezeichnet. Q 2
ist zu Q1 negiert.
Wahrheitstabelle
S R Q1 Q2 Zustand
1
0
1
0
Setzen
0
0
x
x
Speichern
0
1
0
1
Rücksetzen
1
1
x
x
Unbestimmt
Setzen:
Bei H-Pegel am S-Eingang wird der Ausgang Q1 auf H-Pegel gesetzt.
Speichern: Führt der S-Eingang L-Pegel so bleibt der Ausgang Q1 unverändert.
Rücksetzen:
Wird der R-Eingang mit H-Pegel beschaltet, wird der Ausgang Q1 auf L-Pegel gesetzt.
Unbestimmt: Werden beide Eingänge auf H-Pegel gesetzt, führen die Ausgänge zufällige
Pegel.
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 8 von 32
Anwendung: z.B. Prellfreier Schalter
Beispiel:
Prellfreier Schalter
Taster und Schalter haben den Nachteil, dass sie durch ihren mechanischen Aufbau
prellen. Werden sie betätigt, wird durch das Kippen eine Kraft auf den Kontakt ausgelöst,
die ihn im Submillimeterbereich schließen und öffnen lässt.
Das Prellen entsteht genau an diesem Kontakt, zu dem der Schalter bewegt wird.
Da in der Digitaltechnik aber einwandfreie Zustände gefordert sind (Zähler, Speicher)
muss ein Zurückfallen des Signals verhindert werden.
Das Problem wird z. B. durch ein einfaches RS-Flip-Flop gelöst. In diesem Fall handelt es
sich um ein RS-Flip-Flop aus NOR-Logikbausteinen(also auch separat aufbaubar).
Wegen der hohen Schaltgeschwindigkeit des RS-Flip-Flops bleibt es beim ersten Kontakt
stehen und speichert diesen Logischen Wert, bis der andere Eingang beschaltet wird. Die
Pulldown-Widerstände verhindern unbeschaltete Eingänge, während des Prellvorgangs.
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 9 von 32
3 Taktzustandgesteuerte Flipflops
Beim nichttaktgesteuerten Flipflop ändert sich der Ausgangszustand einige
Nanosekunden nach der Änderung des Eingangszustandes. Das ist in vielen Fällen
unerwünscht. Man möchte die Änderung des Ausgangszustandes durch einen
besonderen Befehl auslösen.
Um dies zu erreichen, hat man taktzustandsgesteuerte Flipflops entwickelt. Diese
Flipflops werden auch Auffang-Flipflops genannt, da sie vorwiegend zum Auffangen von
Informationen verwendet werden.
Diese zusätzliche Zeitsteuerung wird als Takt (engl. clock) bezeichnet, das
entsprechende Signal als Taktsignal. In seiner Funktionalität entspricht dieser
Takteingang der oben geforderten Latch-Funktion des einfachen Latch-FF. Das derart
gesteuerte Flipflop wird als "getaktetes Flipflop" (engl. gated latch) bezeichnet.
Das RS-Flipflop
Zur Umwandlung des Basis-RS-Flipflops in ein taktgesteuertes Flipflop ist die
Implementierung eines Takteinganges notwendig, der z.B. folgende Bedingung erfüllt:
Takt = "1": die RS-Eingänge werden sofort ausgewertet,
Takt = "0": die Auswertung der RS-Eingänge unterbleibt.
Ausgehend vom RS-Grundbaustein kann diese Logik durch einfaches Vorschalten von
zwei UND-Gattern realisiert werden:
Grundaufbau
&
&
Symbol
>1
>1
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 10 von 32
3.1
Zustandsgesteuertes RS-Flip-Flop:
Ein Flip-Flop, dessen Setz- und Rücksetzeingang nur wirksam werden, wenn am
Takteingang ein Signal anliegt.
Dem Flip-Flop wird ein Takteingang C1 hinzugefügt.
Wahrheitstabelle
C
R
S
Q1
Q2
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 11 von 32
Zeitablaufdiagramm
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 12 von 32
3.2
Das D-Flipflop (data latch)
Auch durch die Taktpegel-Steuerung ist beim RS-Flipflop der "verbotene" Zustand
(R=S="1") nicht beseitigt worden. Eine geringfügige Änderung des getakteten RSFlipflops kann allerdings zur Vermeidung dieses Zustandes führen.
In dieser abgewandelten Form des RS-FF wird der R-Eingang durch das invertierte
S-Signal definiert, es existiert also nur noch ein einziges logisches Eingangssignal, das in
diesem Fall dann als "D" (von Datum bzw. von engl. data oder delay) bezeichnet wird.
Grundaufbau
&
&
Das D-Flip-Flop besteht aus einem RS-Flip-Flop bei dem der Rücksetzeingang zum
Setzeingang negiert ist. Dadurch wird verhindert, daß der unbestimmte Zustand eintritt.
Wenn ein D-Flip-Flop RS-Eingänge hat, so lässt es sich über diese Eingänge
taktunabhängig steuern.
Symbol
Ein solches Element stellt das Grundelement für statische Schreib-Lese-Speicher dar.
Der einzige Eingang wird als Daten-Eingang bezeichnet. Die Speicherung wird nur mit
dem Takteingang gesteuert.
Das D-Flip-Flop gibt es als taktzustandsgesteuertes(siehe Schaltzeichen) und
taktflankengesteuertes Flip-Flop.
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 13 von 32
Wahrheitstabelle
E T Q1 Funktion
0
0 n
Speichern
0
1 0
Rücksetzen
1
0 n
Speichern
1
1 1
Setzen
Immer wenn am Takteingang eine Null anliegt, wird egal welchen Pegel der
Dateneingang hat, der vorhergehende Pegel am Ausgang gespeichert.
Liegt amt Takteingang ein High-Pegel, und ein Low-Pegel am Dateneingang, so wird das
Flip-Flop zurückgesetzt.
Liegt am Takteingang ein High-Pegel, und ein High-Pegel am Dateneingang, so wird das
Flip-Flop gesetzt.
Zeitablaufdiagramm
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 14 von 32
4 Taktflankengesteuerte Flipflops
Mit der Taktflankensteuerung erreicht man ein sehr genaues gleichzeitiges Schalten
vieler Flipflops. Selbst bei grösseren Fertigungstoleranzen ergeben sich fast keine
Abweichungen vom Soll-Schaltzeitpunkt.
Mit Taktflankensteuerung werden Flipflops synchron geschaltet.
Ein weiterer Vorteil der Taktflankensteuerung ist die Verminderung der Störanfälligkeit.
Störsignale an den Eingängen können nur dann Störungen verursachen, wenn sie in dem
sehr kurzen Zeitraum des Schaltens gerade anliegen. Vor und nach diesem Zeitraum
haben Störsignale keinen Einfluss.
Durch Taktflankensteuerung wird eine grössere Störsicherheit erreicht.
Impulsglieder
Für die Taktflankensteuerung werden Impulsglieder benötigt. Diese Glieder haben einen
statischen und einen dynamischen Eingang und arbeiten im Prinzip wie UND-Glieder.
Variante für eine Impulserzeugung:
Symbol
A
&
Z
T
Innerer Aufbau
A
T
1
Z
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 15 von 32
Zeitablaufdiagramm
A
t
T
t
Z
t
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 16 von 32
5 Einflankengesteuerte Flipflops
5.1
Das RS-Flipflop
Aus dem nicht-taktgesteuerten RS-Flipflop wurde durch Vorschalten von zwei UNDGliedern vor die Eingänge ein taktzustandgesteuertes RS-Flipflop. Ersetzt man diese
beiden UND-Glieder durch Impulsglieder, erhält man ein taktflankengesteuertes RSFlipflop.
Symbol:
Interner Aufbau:
Wahrheitstabelle:
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 17 von 32
Zeitablaufdiagramm:
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 18 von 32
5.2
Das T-Flipflop
Sehr häufig benötigt man ein Flipflop, das bei jeder steuernden Taktflanke in den anderen
Zustand kippt. Als steuernde Taktflanke soll zunächst einmal die ansteigende Taktflanke
(0 1) angenommen werden. Steht das Flipflop auf Q1 = 1, so soll es bei der
kommenden ansteigenden Taktflanke auf Q1 = 0 schalten, bei der nächsten
ansteigenden Taktflanke dann auf Q1 = 1 usw.
Ein solches Flipflop wird Trigger-Flipflop oder kurz T-Flipflop genannt. Es kann aus dem
einflankengesteuerten RS-Flipflop abgeleitet werden.
Symbol:
Interner Aufbau:
Wahrheitstabelle:
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 19 von 32
Zeitablaufdiagramm:
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 20 von 32
5.3
Das D-Flipflop
Das einflankengesteuerte D-Flipflop ist sehr ähnlich aufgebaut wie das
taktzustandgesteuerte D-Flipflop. Sie unterscheiden sich nur in der Steuerung. Bei den
einflankengesteuerten D-Flipflops gibt es solche, die bei ansteigender Flanke des
Taktsignals schalten, und solche die bei abfallender Flanke des Taktsignals schalten.
Symbol:
Interner Aufbau:
Wahrheitstabelle:
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 21 von 32
Zeitablaufdiagramm:
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 22 von 32
5.4
Das JK-Flipflop
Das JK-Flipflop ist ein universelles Flipflop. Es hat den Speicherfall, Setfall und den
Resetfall wie das RS-Flipflop. Jedoch gibt es keinen verbotenen Fall, sondern wird gleich
wie beim T-Flopflop bei J =1 und K =1, in den Toggelzustand gebracht.
Symbol:
Interner Aufbau:
Wahrheitstabelle:
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 23 von 32
Zeitablaufdiagramm:
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 24 von 32
6 Zweiflankengesteuerte Flipflops
6.1
Das RS-Master-Slave-Flipflop
Die zweiflankengesteuerten Flipflops nehmen bei der ansteigenden Taktflanke das
Eingangssignal auf. Dieses wird zwischengespeichert und erscheint zunächst noch nicht
am Ausgang. Erst wenn die Taktflanke wieder abfällt, wird das Signal zum Ausgang
durchgeschaltet und ist dann dort verfügbar.
Man benötigt für dieses Verfahren zwei Speicher, also zwei zusammengeschaltete
Flipflops. Das Flipflop, das die von aussen kommende Information aufnimmt, wird MasterFlipflop genannt. Das zweite Flipflop, das die Information vom Master übernimmt, heisst
Slave-Flipflop.
Das Master-Flipflop schaltet mit ansteigender Taktflanke und das Slave-Flipflop mit
abfallender Taktflanke. Flipflops dieser Art werden Master-Slave-Flipflop genannt.
Symbol:
Interner Aufbau:
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 25 von 32
6.2
Das JK-Master-Slave-Flipflop
Das JK-Flipflop ist ein universelles Flipflop. Es hat den Speicherfall, Setfall und den
Resetfall wie das RS-Flipflop. Jedoch gibt es keinen verbotenen Fall, sondern wird gleich
wie beim T-Flopflop bei J =1 und K =1, in den Toggelzustand gebracht.
Symbol:
Interner Aufbau:
Wahrheitstabelle:
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 26 von 32
Zeitablaufdiagramm:
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 27 von 32
7 Charakteristische Gleichung
Die Arbeitsweise von Flipflops wurde bisher in Worten erläutert und mit Wahrheitstabellen
und Zeitablauf-Diagrammen beschrieben. Schaltungen, in denen Flipflops enthalten sind,
sollten jedoch auch berechenbar sein. Es ist erwünscht, Flipflops mit Hilfe der
Schaltalgebra zu erfassen.
Da die Wahrheitstabellen von Flipflops bekannt sind, sollen aus diesen
schaltalgebraische Gleichungen abgeleitet werden. Diese Gleichungen heissen
charakteristische Gleichungen.
Für jede Flipflop-Art lassen sich zugehörige charakteristische Gleichungen ableiten. Sie
enthalten neben den Eingangsvariablen und der Ausgangsvariablen zwei Zeitangaben,
die Zeitpunkte tn und tn+1.
Beispiel für ein taktflankengesteuertes JK-Flipflop.
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 28 von 32
8 Monostabile Kippstufen
Monostabile Kippstufen haben zwei Schaltzustände. Der eine wird stabiler Zustand, der
andere nichtstabiler Zustand genannt.
Im stabilen Zustand führt der Ausgang Q der Stufe ein 0-Signal.
Der stabile stellt sich nach Anlegen der Speisespannung ein. Er bleibt so lange erhalten,
bis durch ein Steuersignal am Eingang die Kippstufe in den nichtstabilen Zustand gekippt
wird.
Im nichtstabilen Zustand führt der Ausgang Q der Stufe ein 1-Signal.
Die Dauer des nichtstabilen Zustandes wird durch extern anzuschliessende Bauteile
bestimmt. Meist verwendet man einen Kondensator CT und einen Widerstand RT. Die
Verweildauer tQ im nichtstabilen Zustand ergibt sich durch die Gleichung:
tQ = 0.69 * RT * CT
Eine Änderung des Eingangssignals während der Zeit tQ bleibt ohne Wirkung auf den
Schaltzustand der monostabilen Kippstufe.  t=5μs, R=333kΩ / C=47pF
Symbole:
Signal-Laufzeitdiagramme:
Zustandssteuerung
t
t
Steuerung: ansteigende Flanke
t
t
Steuerung: abfallende Flanke
t
t
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 29 von 32
8.1
Monostabile Kippstufen mit Verzögerungszeit
Monostabile Kippstufen können so gebaut sein, dass sie mit einer Verzögerung
ansprechen. Die Verzögerungszeit kann im Schaltzeichen angegeben werden.
Symbole:
Signal- Laufzeitdiagramm:
t
t
Nachtriggerbare monostabile Kippstufen
Bei nachtriggerbaren monostabilen Kippstufen kann die Verweildauer tQ im nichtstabilen
Zustand durch weitere Steuerimpulse verlängert werden.
Symbole:
Signal- Laufzeitdiagramm:
t
t
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 30 von 32
8.2
Verzögerungsglieder
Verzögerungsglieder haben die Aufgabe, Signale zu verzögern.
Symbole:
Signal- Laufzeitdiagramme:
t
t
t
t
t
t
Die Verzögerungszeit t1 gibt an, um welche Zeit ansteigende Signalflanken verzögert
werden.
Die Verzögerungszeit t2 gibt an, um welche Zeit abfallende Signalflanken verzögert
werden.
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 31 von 32
9 Hazards (Laufzeiteffekte)
Problemstellung
Bislang wurden lediglich ideale Bausteine ohne jegliche Verknüpfungs-/Verarbeitungszeit
betrachtet. Die bisherigen Ziele waren vor allem die theoretische Minimierung von
Schaltfunktionen hinsichtlich Kosten- und Bausteinreduktion.
In der Realität treffen wir jedoch auf Bausteine, die sehr wohl eine gewisse Zeit für die
Verarbeitung von Signalen benötigen. Diese Verarbeitungszeit ist von Baustein zu
Baustein verschieden, ja sogar ein und derselbe Baustein kann unter verschiedenen
Umweltbedingungen (Temperatur, Feuchtigkeit etc.) ein völlig verschiedenes
Laufzeitverhalten zeigen. Hinzu kommt, dass normalerweise die Signalflanken einer
digitalen Schaltung nicht rechteckig verlaufen, sondern es eine gewisse Zeit in Anspruch
nimmt, bis sich ein Signalpegel eingestellt hat. Auch diese Zeiten sind keinesfalls
deterministisch.
Es gibt also zeitlich versetzte Signalübergänge beim Übergang vom Eingangssignal zum
Ausgangssignal. Beim Wechsel des Eingangssignals wird als dynamischer
Signalübergang ein Wechsel des Ausgangssignals, als statischer Signalübergang ein
gleichbleibendes Ausgangssignal bezeichnet.
Beispiel: versetzte Signalübergänge
Gegeben sei ein einfacher AND-Baustein, der diesmal jedoch eine Verarbeitungszeit (>0)
besitzt (angedeutet durch das Verzögerungsglied „δ“):
Der vereinfachte Signalverlauf - ohne Laufzeit der Signaländerung - sieht dann
folgendermaßen aus:
Fach
Dozent
Digitaltechnik
Urs Reimann
Technikerschule
schweizerische höhere Fachschule HF
Kapitel 07
Seite 32 von 32
Hazards
Hazard, Hazard-Fehler:
Ein Hazard ist eine Fehlermöglichkeit einer digitalen Schaltung aufgrund von
Laufzeitfehlern.
Ein Hazard-Fehler ist die mehrmalige Veränderung eines Ausgangssignals bei einem
Übergang.
Hazards werden wie folgt unterschieden:
Struktur-Hazard
liegen in der Struktur der Schaltung begründet
sind behebbar durch andere Schaltnetz-Realisierung.
Funktions-Hazard
liegen in der logischen Funktion selbst begründet
sind nicht durch andere Schaltnetz-Realisierungen behebbar.
Achtung
Insbesondere bei asynchronen Schaltnetzen ist demzufolge immer eine Laufzeitanalyse
erforderlich, um Hazards vorzubeugen oder diese (wenn möglich) zu beseitigen.