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Grundlagen der Digitaltechnik - Teil 4 (FlipFlops)Grundlagen der Digitaltechnik - Teil 4 (FlipFlops)

Als Erstes möchten wir uns bei unseren Forummitgliedern Ast und OlafSt, den Autoren des Artikels, bedanken. Vielen Dank nochmal. ;)

Vorwort

Bis jetzt haben wir uns immer mit Digitalbausteinen beschäftigt, die bei bestimmten Eingangswerten einen bestimmten Ausgangswert liefern.

FlipFlops (auch als Bistabile Kippstufe bezeichnet) sind da etwas anders:
Sie sind eigentlich nur eine clevere Verschaltung zweier identischer Gatter. Ihre Besonderheit ergibt sich aus der Tatsache, dass sie sich an"flippen" und aus"floppen" lassen. Sie können also einen logischen Pegel speichern.

Nebenbei klären wir das Mysterium „Pull-Up-Widerstand“ und was es mit dem Triggern auf sich hat.

Wenn man FlipFlops verstanden hat, sind auch Schieberegister kein Problem, denn ein Schieberegister besteht eigentlich nur aus einigen zusammengesetzten FlipFlops.

Wie üblich gibt es nicht nur mehrere Arten von Gattern, es gibt auch mehrere Arten von FlipFlops:

  • RS-FlipFlop
  • JK-FlipFlop
  • D-FlipFlop
  • T-FlipFlop

Sie alle werden in diesem kleinen Kurs erklärt.

RS-FlipFlop

Das RS-FlipFlop ist das einfachste Aller FlipFlops. Wie der Name schon sagt, kann man in ein RS-FF einen High-Pegel (SET) oder einen Low-Pegel (RESET) einspeichern. Entsprechend sind die Eingänge mit S für SET und R für RESET gekennzeichnet. Ein RS-FF ist entweder aus NOR- oder aus NAND-Gattern aufgebaut:

Im Inneren eines RS-FlipFlops

Das NOR-FF funktioniert in etwa so:

Legt man einen High-Pegel an S (R liegt auf Low-Pegel), so wird der Ausgang Q ebenfalls High-Pegel zeigen – der Ausgang /Q zeigt das Gegenteil von Q, also Low-Pegel. Solange an R kein High-Pegel ankommt, ist es nun völlig egal, was an S passiert - Q bleibt auf High-Pegel, /Q bleibt auf Low-Pegel, der Zustand ist stabil.

Legt man nun an R einen Hi-Pegel an (S liegt auf Low), so wird der Ausgang Q nun einen Low-Pegel zeigen, Ausgang /Q entsprechend Hi-Pegel. Solange an R kein High-Pegel bekommt, bleiben die Ausgänge so, wie sie sind. Auch dieser Zustand ist stabil.

Von diesen beiden stabilen Zuständen leitet sich dann auch der Name ab: bistabile Kippstufe. Denn man kann den Zustand ändern (Kippen) und es gibt zwei (=bi) stabile Zustände.

Problematisch wird es, wenn R und S zugleich auf High-Pegel liegen. Dieser Zustand nennt sich "verbotener Zustand", denn es ist mehr oder weniger vom Zufall abhängig, was an Q nun herauskommt. In seinen Schaltungen sollte man also dringend darauf achten, dass dieser Zustand niemals eintritt.

Das aus NAND aufgebaute RS-FF sieht genauso aus und funktioniert auch genau so – allerdings sind die Eingänge invertiert, also /R und /S, der verbotene Zustand ist also /R=Low und /S=Low. Das ist alles.

Das war jetzt eine Menge Text, der Übersichtlichkeit sind die Erkenntnisse hier nochmal in einer Tabelle zusammengefasst (NOR-RS-FF):

Eingang S Eingang R Status Q Aktion
Low(0) Low(0) unverändert Speichern
Low(0) High(1) Q=0 Zurücksetzen
High(1) Low(0) Q=1 Setzen
High(1) High(1) unbestimmt Verbotener Zustand

Um Schaltpläne zu vereinfachen, wurde für das RS-FF ein eigenes Schaltzeichen entwickelt. Es sieht so aus:

Schaltzeichen eines RS-FlipFlops

Weiter mit: Pull-Down-Widerstände und Taktung

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