Multivibratoren
Multivibratoren sind sequentielle logische Schaltungen, die kontinuierlich zwischen zwei verschiedenen Zuständen von HIGH und LOW arbeiten.
Individuelle sequentielle Logikschaltungen können verwendet werden, um komplexere Schaltungen wie Multivibratoren, Zähler, Schieberegister, Latches und Speicher aufzubauen.
Damit diese Art von Schaltungen jedoch “sequentiell” arbeiten können, benötigen sie das Hinzufügung eines Takt- oder Zeitsignals, damit sie ihren Zustand ändern können. Taktimpulse sind im Allgemeinen kontinuierliche quadratische oder rechteckige Wellenformen, die von einer einzelnen Impulsgeberschaltung, wie beispielsweise einem Multivibrator, erzeugt werden.
Eine Multivibratorschaltung oszilliert zwischen einem “HIGH”- und einem “LOW”-Zustand und erzeugt einen kontinuierlichen Ausgang. Stabile Multivibratoren haben in der Regel ein gleichmäßiges Tastverhältnis von 50%, d.h. 50% der Zykluszeit ist der Ausgang “HIGH” und die restlichen 50% der Zykluszeit ist der Ausgang “OFF”. Mit anderen Worten, das Tastverhältnis für einen stabilen Taktgeber beträgt 1:1. Sequentielle Logikschaltungen, die das Taktsignal zur Synchronisation verwenden, sind abhängig von der Frequenz und der Taktbreite, um die Schaltfunktion zu aktivieren. Sequenzschaltungen können auch ihren Zustand entweder bei steigender oder fallender Flanke oder bei beiden ändern, wie wir es bereits bei den Basis Flip-Flop-Schaltungen gesehen haben. In der folgenden Liste sind Begriffe, die mit Timingimpuls oder Wellenform zusammenhängen, aufgeführt.
Aktiv HIGH – wenn der Zustandswechsel von “LOW” auf “HIGH” bei steigender Impulsflanke der Uhr oder während der Taktbreite erfolgt.
Aktiv LOW – wenn der Zustandswechsel von “HIGH” auf “LOW” bei sinkender Flanke der Impulse der Uhr erfolgt.
Tastverhältnis – dies ist das Verhältnis der Taktbreite zur Taktperiode.
Taktbreite – dies ist die Zeit, in der der Wert des Taktsignals gleich einer Logik “1” oder HIGH ist.
Taktperiode – dies ist die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Übergängen in die gleiche Richtung, d.h. zwischen zwei steigenden oder zwei fallenden Flanken.
Taktfrequenz – die Taktfrequenz ist der Kehrwert der Taktperiode, Frequenz = 1/Taktperiode. ( ƒ = 1/T )
Monostabile Multivibratoren -Schaltungen
Monostabile Multivibratoren oder “One-Shot”-Impulsgeber werden in der Regel eingesetzt, um kurze scharfe Impulse in breitere Impulse für Timing-Anwendungen umzuwandeln. Monostabile Multivibratoren erzeugen einen einzigen Ausgangsimpuls, entweder “HIGH” oder “LOW”, wenn ein geeignetes externes Triggersignal oder ein Puls T angelegt wird. Dieses Triggerimpulssignal löst einen Taktzyklus aus, der bewirkt, dass sich der Ausgang der monostabilen Einheit zu Beginn des Taktzyklus (t1) ändert und bis zum Ende der Taktperiode in diesem zweiten Zustand verbleibt (t2), der durch die Zeitkonstante des Taktkondensators, CT und des Widerstandes, RT, bestimmt wird.
Der monostabile Multivibrator bleibt nun bis zum Ende der RC-Zeitkonstante in diesem zweiten Zeitzustand und setzt sich automatisch zurück oder kehrt in seinen ursprünglichen (stabilen) Zustand zurück. Also hat eine monostabile Schaltung nur noch einen stabilen Zustand. Ein gebräuchlicherer Name für diese Art von Schaltung ist einfach “Flipflop”, da es aus zwei kreuzgekoppelten NAND-Gattern (oder NOR-Gattern) gebildet werden kann, wie wir bereits gesehen haben. Beachten Sie die folgende Schaltung.
Astabiler Multivibrator
Die astabile Multivibratorschaltung verwendet zwei CMOS NICHT-Gatter wie den CD4069 oder die 74HC04 Hex-Inverter-ICs, oder wie in unserer einfachen Schaltung unten ein Paar CMOS-NAND wie dem CD4011 oder dem 74LS132 und ein RC-Timing-Netzwerk. Die beiden NAND-Gatter sind als invertierende NICHT-Gatter verbunden.
Angenommen, der Ausgang des NAND-Gatters U2 ist zunächst HIGH auf logisch “1”, dann muss der Eingang daher LOW auf logisch “0” (NAND-Gatter-Prinzip) sein, genau wie der Ausgang des ersten NAND-Gatters U1. Der Kondensator, C ist zwischen dem Ausgang des zweiten NAND-Gatters U2 und seinem Eingang über den Zeitwiderstand R2 geschaltet. Der Kondensator lädt sich nun mit einer Rate auf, die durch die Zeitkonstante von R2 und C bestimmt wird.
Während sich der Kondensator, C auflädt, nimmt die Verbindung zwischen dem Widerstand R2 und dem Kondensator, C, der ebenfalls über den Stabilisierungswiderstand mit dem Eingang des NAND-Gatters NAND1 verbunden ist, ab, bis der untere Schwellenwert von NAND1 erreicht ist, an dem sich NAND1 ändert und der Ausgang von NAND1 nun HIGH wird. Dadurch ändert sich auch der Zustand des NAND-Gatters NAND2, da sein Eingang nun von logisch “0” auf logisch “1” gewechselt ist, was dazu führt, dass der Ausgang des NAND-Gatters U2 LOW, logisch “0” wird. Der Kondensator C ist nun rückwärts vorgespannt und entlädt sich durch den Eingang des NAND-Gatters NAND1. Kondensator, C lädt sich in umgekehrter Richtung, bestimmt durch die Zeitkonstante von R2 und C, wie bisher wieder auf, bis er den oberen Schwellenwert des NAND-Gatters NAND1 erreicht. Dadurch wechselt NAND1 den Zustand und der Zyklus wiederholt sich erneut.
Die Zeitkonstante für einen NAND-Gatter astabilen Multivibrator ist T = 2,2RC in Sekunden mit der Ausgangsfrequenz ƒ = 1/T.
Bistabile Kippstufe
Die einfachste Möglichkeit ein Zustandsvariablenspeicher für Schaltwerke aufzubauen sind Flipflops. Bei ihnen wird durch Rückführung der Ausgänge auf die Eingänge eines Gatternetzwerkes eine Speicherfunktion realisiert. Die beiden Eingänge des RS-Flipflops (Set (S) und Reset (R)) sind low-aktiv. Wird z.B. der Set-Eingang auf Low gezogen, erhält man am Ausgang Q ein High-Signal. Dieses High-Signal und der auf High liegende Rücksetzeingang (R) erzeugen an ¬Q ein Low-Signal, welches das obere Gatter auch dann noch auf High hält, wenn das Set-Signal wieder auf High gezogen wird. Man erhält damit eine Speicherfunktion die eintritt, wenn beide Eingänge auf High liegen.
RS – FlipFlop
Das RS-Flipflop oder auch SR-Flipflop genannt, ist die einfachste Art eines Flipflops. In diesem Beitrag erkläre ich die Funktion und alles, was man sonst noch dazu wissen musst.
Das RS-Flipflop oder auch Rücksetz-Setz Flipflop genannt, gehört zu den taktunabhängigen Flipflops. Das heißt, es hat keinen dritten Takteingang C und reagiert jederzeit auf die Eingangssignale. Das Schaltsymbol für das RS Flip-Flop sieht folgendermaßen aus.
Es besitzt zwei Eingänge R und S, die Einfluss auf den Output Q nehmen. Das Eingangssignal S ist für den Zustand „gesetzt“, nach dem Englischen „set“, und das Eingangssignal R für den Zustand „zurückgesetzt“, von „reset“. Der zweite Output ¬Q entspricht dem umgekehrten Q1 Signal.
Im Kern handelt es sich bei einem RS Flip-Flop um eine sequentielle Logikschaltung aus zwei NOR- oder NAND-Gattern. Diese Gatter weisen in Kombination ein Verhalten auf, das es ermöglicht, einen binären Zustand (0 oder 1) zu speichern.
PS:
Die NOR- und NAND-Gatter sind grundlegende Elemente der booleanischen Algebra und der digitalen Logik, und sie spielen eine wichtige Rolle in der Architektur und dem Betrieb des RS Flip-Flops.
D FlipFlop
Das D-Flipflop wird auch als Data- oder Delay-Flipflop bezeichnet und gehört zu den taktgesteuerten Flipflops. Es dient der verzögerten Ausgabe eines Signals synchron zu einem Taktsignal. Generell gibt es zwei Arten von D-Flipflops, das taktzustandsgesteuerte D-Flipflop und das taktflankengesteuerte D-Flipflop. Fangen wir mit dem taktzustandsgesteuerten Flipflop an! In seinem Aufbau basiert das taktzustandsgesteuerte D-Flipflop, auf dem RS-Flipflop. Allerdings ist der Eingang S mit dem „rückgesetzt“ Eingang R verbunden. Da wir vor dem R-S Flipflop noch ein Nicht-Gatter haben, ist R der negierte Wert von S. Des Weiteren haben wir einen Takteingang C. Beim RS-Flipflop gibt es einen „nicht speicherbaren“ oder auch „verbotenen“ Zustand. Dieser existiert beim D-Flipflop nicht.
Die Flankensteuerung erkennt man an dem Symbol am Takteingang. Wie man bei dem Namen vielleicht erkennen kann, reagiert dieses Flipflop nur bei einer Taktflanke, also entweder bei der Anfangsflanke oder bei der Endflanke des Steuersignals.
Ob das Flipflop auf die Anfangs- oder die Endflanke reagiert, siehst du an dem C Eingang. Ist der Eingang normal, reagiert das Flipflop auf die positive Flanke, das ist die Anfangsflanke. Ist der Eingang negiert, reagiert das Flipflop auf die negative Flanke, also die Endflanke.
Gehen wir zunächst davon aus, dass das Flipflop auf die positive Flanke reagiert. Um das ganze besser zu verstehen sehen wir uns das am besten grafisch an:
Wir haben hier das Setzsignal D, das Taktsignal C und das Ausgangssignal Q.
Sehen wir uns die erste Anfangsflanke des Steuersignals C an. Hier ist D → 1, also wird Q auch 1. Bis zur nächsten Anfangsflanke, bleibt das Ausgangssignal unverändert. Auch hier ist D nun wieder 1, somit bleibt auch bis zur dritten Anfangsflanke das Ausgangssignal HIGH. Bei der dritten Flanke ist D null. Q wird also „zurückgesetzt“
Jetzt kennen wir die verschiedenen Arten von D-Flipflops und ihre Funktionsweise. Außerdem haben wir ihre Vorteile gegenüber anderen Flipflops kennengelernt.
Nun zum taktzustandsgesteuerten D-Flipflop. Jetzt können wir das taktflankengesteuerten D-Flipflop ansehen. Dieses ist eine Weiterentwicklung des zustandsgesteuerten Flipflops. Das Schaltzeichen dazu sieht folgendermaßen aus.
JK- FlipFlop
Ein JK-Flipflop ist eine Art von Flipflop, mit einem digitalen Speicherelement, welches in der Elektronik und der digitalen Schaltungstechnik verwendet wird. Es ist benannt nach seinen Eingängen: J (Set) und K (Reset). Das JK-Flipflop ist eine Erweiterung des SR-Flipflops (Set-Reset-Flipflop) und bietet eine verbesserte Funktionalität, indem es die Einschränkungen des SR-Flipflops überwindet. Das JK-Flipflop hat drei Haupteingänge:
J, K und den Taktimpuls (Clock). Es kann sich in einem von zwei Zuständen befinden: gesetzt (1) oder zurückgesetzt (0). Der Zustand des Flipflops ändert sich abhängig von den Eingangssignalen J und K und dem Taktimpuls. Die Funktionsweise lässt sich in vier grundlegende Bedingungen unterteilen:
Set-Bedingung: Wenn J=1 und K=0 bei einem Taktimpuls, wird das Flipflop gesetzt und der Ausgang geht auf 1.
Reset-Bedingung: Bei J=0 und K=1 wird das Flipflop zurückgesetzt und der Ausgang wechselt zu 0.
Halten: Wenn J=0 und K=0, behält das Flipflop seinen vorherigen Zustand bei.
Toggle: Eine einzigartige Eigenschaft des JK-Flipflops ist die Toggle-Funktion. Wenn J=1 und K=1, wechselt das Flipflop bei jedem Taktimpuls seinen Zustand.
Die Toggle-Funktion ermöglicht es dem JK-Flipflop, als Taktteiler zu fungieren, was in verschiedenen digitalen Schaltungen und Anwendungen nützlich ist. Das Verhalten des JK-Flipflops kann mithilfe einer Wahrheitstabelle und Zustandsdiagrammen dargestellt werden, die zeigen, wie der Ausgangszustand sich in Abhängigkeit von den Eingangszuständen und dem vorherigen Ausgangszustand ändert.
Varianten des JK-Flipflops
Technisch betrachtet, besteht das JK-Flipflop aus einer Kombination von NAND- oder NOR-Gattern. Es gibt verschiedene Varianten des JK-Flipflops, darunter das Master-Slave-JK-Flipflop, das durch die Einführung von zwei Flipflop-Stufen die Probleme von Race-Bedingungen verhindert. Diese Art von Flipflop nimmt die Eingangsdaten auf, wenn der Takt niedrig ist (Master-Phase) und gibt den Ausgang weiter, wenn der Takt hoch ist (Slave-Phase). Dadurch wird sichergestellt, dass der Ausgangszustand stabil bleibt, während die Eingänge sich ändern können.
Zusammenfassend ist das JK-Flipflop eine vielseitige und wesentliche Komponente in der Welt der digitalen Elektronik. Mit seiner Fähigkeit, komplexe Operationen wie Setzen, Zurücksetzen, Halten und Toggle auszuführen, bietet es eine flexible Lösung für Speicher- und Steuerungsanforderungen in digitalen Schaltungen.
