Flip Flops - Sie vergessen nie

Flip Flops - Sie vergessen nie

Materialbedarf

Anz.	Bezeichnung	Datenblatt
1	Batterie/Spannungsquelle 9V
1	CMOS-IC 4001
1	CMOS-IC 4027
2	Widerstand 470 Ohm
3	Widerstand 1,0 MOhm
3	Mikrotaster
2	Standard-Leuchtdiode 3mm oder 5mm	3mm, 5mm

Grundlagen

Wie man mit einfachen digitalen Schaltkreisen schon recht komplexe Schaltungen aufbauen kann, wurde ja schon in anderen Lehrgängen hier dargestellt. Aber um leistungsfähige Digitalsteuerungen bauen zu können muss man öfter Signale speichern. Hierfür gibt es die so genannten Flip Flops. Diese digitalen Grundelemente speichern Informationen mit Hilfe von einfachen Gattern, welche so verschaltet sind, dass sie die Signale so lange behalten, bis die Information entweder wieder geändert wird oder man die Betriebsspannung abklemmt.

Die Bezeichnung Flip Flop stammt noch aus der Zeit, wo digitale Steuerung mit Hilfe von einfachen Relais erstellt wurden. Das anziehen des Relais, klang wie ein 'Flip' und das abfallen eben wie ein 'Flop'. Da man nicht genau wusste, wie man eine entsprechende Relais-Schaltung nennen sollte, hat sich dieser Begriff bis heute festgesetzt.

Flip Flops gibt es in verschiedene Arten. Je nachdem wie die vorhanden Informationen gespeichert werden sollen. Man unterscheidet im Grunde 3 verschiedene Arten von Flip Flops. Es gibt

- RS Flip Flops, welche Umschaltsignale speichern

- JK Flip Flops speichern Umschaltinformationen nur bei Bedarf und

- D-Flip Flops speichern angelegte Signalzustände, wenn sie dazu aufgefordert werden.

Ein Flip Flop aus NOR-Gattern

Bevor wir uns mit den JK und den D-Flip Flops befassen können, müssen wir erst einmal verstehen, wie der Kern eines Flip Flops überhaupt funktioniert. Dieser Kern ist eigentlich immer das so genannte RS-Flip Flop. RS deshalb, weil diese Schaltung 2 Eingänge besitzt die mit Reset (Rücksetzen) und Set (Setzen) bezeichnet sind. Dies bezeichnet eigentlich auch schon fast die eigentliche Funktion der Schaltung.

Bei der Inbetriebnahme dieser Schaltung leuchtet einer der beiden Leuchtdioden auf. Welche kann nicht vorherbestimmt werden. Gehen wir erst einmal davon aus, dass hier die LED D1 zuerst aufleuchtet.

Nun kann man den Taster S2 drücken und die LED D1 erlischt und D2 geht an. Diese bleibt nun solange in Betrieb, bis wir den Taster S1 betätigen. Auch ein nochmaliges betätigen von S2 bringt keine Änderung.

Welchen Eingang wir hier nun als Setz bzw. als Rücksetzeingang bezeichnen, ist uns überlassen. Dies hängt, je nach Anwendung davon ab, an welchen Ausgang unsere zu steuernde Last angeschlossen ist.

Um das Prinzip der Schaltung zu verstehen, müssen wir die Signalpegel einmal beobachten.

Nehmen wir einmal an, nun leuchtet die LED D2.

Bei einem NOR-Gatter ist der Ausgang des Gatters immer 1, wenn beide Eingänge ein 0-Signal erhalten. Dies trifft somit hier auf das Gatter 1 zu.

Das 2. Gatter erhält vom Ausgang des 1. Gatters an einem Eingang eine 1, und hat somit eine 0 am Ausgang, welches wiederum zurückgeführt wird auf den Eingang des 1. Gatters. Da S1 zurzeit auch nicht betätigt ist, sind beide Eingänge vom ersten Gatter 0.

Jetzt soll das Flip Flop umgeschaltet werden, dazu betätigen wir S1.

Nun wechselt der Pegel vom ersten Gatter auf ein 0-Signal. Dies hat wiederum zur Folge, dass beim zweiten Gatter beide Eingänge 0 und somit der Ausgang auf 1 geht. Die Leuchtdiode D1 geht an während D2 verlischt.

Lassen wir den Taster los, haben wir jetzt wieder einen stabilen Zustand wie schon beim letzten Schritt. Erst durch drücken von S2 kann dieser wieder geändert werden.

Flip Flop kompakt

Anklicken um CMOS-Schnellübersicht zu sehen

In der Praxis wäre es natürlich nicht sehr sinnvoll und vor allem auch nicht sonderlich Platz sparend, wenn man jedes Flip Flop mit Einzelgattern aufbauen würde. Hierfür existieren etliche fertige Schaltkreise die die verschiedenen Flip Flop Arten beinhalten.

In der nebenstehenden Grafik ist der Baustein 4027 aus der CMOS-Reihe zu sehen. Dieser beherbergt gleich 2 Flip Flops in einem Gehäuse. Dieses hat neben den bekannten RS-Eingängen auch noch so genannte Vorbereitungseingänge um damit ein JK-Flip Flop aufzubauen.

Wie bei allen Schaltkreisen, muss man auch hier wieder daran denken, dass man die Betriebsspannung anlegt. Dies wird, wie üblich nicht explizit in den Schaltplänen eingezeichnet.

Als erstes wollen wir die RS-Funktion des Flip Flops testen. Hierzu schließen wir wieder die beiden Taster an jeweils den Eingängen R und S an. Die Eingänge J und K können wir hier unbeschaltet lassen, müssen aber den C-Eingang auf 0 V legen.

Hier können wir jetzt, nach anschließen der Batterie, zwischen den beiden Leuchtdioden D1 und D2 mit S1 und S2 umschalten. Der Schaltkreis macht als das Gleiche wie unsere Schaltung eben mit Einzelgatter.

Viel mehr gibt es zu diesen Eingängen nicht zu sagen. Interessanter sind dagegen eher die anderen Eingänge.

Das Flip Flop bereitet sich vor

Hier wollen wir uns doch einmal die anderen 3 Eingänge genauer ansehen. Um diese einwandfrei benutzen zu können, müssen wir den R und S-Eingäng auf 0 V legen. Somit nehmen wir im Grunde das RS-Flip Flop außer Betrieb und sagen dem Schaltkreis, dass wir jetzt die JK-Funktion verwenden wollen.

Wenn wir hier die Schaltung einschalten und nun die Taster betätigen, passiert irgendwie gar nichts. Dies ist auch vollkommen richtig so.

Die beiden Eingänge J und K sind so genannte Vorbereitungseingänge. Hier müssen wir ein bestimmtes Signalmuster anlegen, welches unser Flip Flop dann zum Ausgang übernehmen soll. Wir müssen also einen der beiden Taster S1 oder S2 gedrückt halten.

Wenn wir nun den Taster S3, der den C, oder auch den Clock-Eingang, ansteuert, drücken, erscheint das ausgewählte Muster auf den beiden LEDs. Es wird also übernommen.

Wer es hier einmal 'wagt' und, bevor er S3 betätigt, die beiden ersten Taster zusammen drückt, wird eine kleine Überraschung erleben. Da es technisch nicht möglich ist, dass beide Ausgänge gleichzeitig angehen, wechselt nun die Ausgänge in abwechselnder Reihenfolge. Bei jedem weiteren Druck von S3 und gleichzeitiger Betätigung beider Taster wechseln die Ausgänge.

In Einzelfällen kann es vorkommen, dass dieser Effekt nur vereinzelt zu beobachten ist. Dies kommt dann vom 'prellen' der Taster. Wie man dieses vermeiden kann, wird an einer anderen Stelle erläutert.

Diese Besonderheit des JK-Flip Flops wird in der Digitaltechnik sehr häufig verwendet und wird in einem anderen Lehrgang noch genauer beschrieben.

Aus JK wird D

Wer sich die Funktionsweise des JK-FlipFlops genauer ansieht, stellt wohl schnell fest, dass diese FlipFlop-Art unter bestimmten Voraussetzungen Daten speichern kann. Es gibt hier aber ein kleines Problem. Wir müssen immer den J-Eingang mit einer 1 versorgen und den K-Eingang dann mit einer '0' oder umgekehrt.

Dieses Problem lässt sich aber relativ einfach lösen, indem wir einen der beiden Eingänge ein invertiertes Signal der Datenleitung zuführen.

Wie man im Schaltplan gut erkennen kann, wurde vom 'Datentaster' die Leitung einmal direkt auf den K-Eingang geführt. Der J-Eingang wurde hier aber über einen Inverter, den wir uns hier aus dem NOR-Gatter von den oberen Versuchen zusammen basteln, geführt.

Will man nun ein Signal in das FlipFlop übernehmen, muss man mit den Datentaster S1 bestimmen, ob eine '0' (Taster nicht betätigt) oder eine '1' (Taster betätigt) übergeben werden soll. Bei einer '1' muss man diesen Taster gedrückt halten.

Um nun dieses Datensignal übernehmen zu können, muss der Taster S2 betätigt werden. In diesem Moment zeigt die Leuchtdiode den übernommenen Datenwert an. Selbst wenn wir nun den Taster S1 betätigen oder los lassen, ändert sich nichts an dem Zustand des FlipFlop-Ausgangs. Erst beim erneuten drücken von S2 ändert sich die LED dementsprechend.

Eingänge mit Dynamik

Wer im letzten Versuch ein wenig 'gespielt' hat, wird schnell gemerkt haben, dass der Datenwert des Tasters S1 nur in dem Moment übernommen wird, wenn S2 gedrückt wird. Hält man S2 weiter fest und ändert den Zustand des Datentasters, hat dies keinen Einfluss mehr auf den Ausgang des FlipFlops.

So ein Verhalten eines Eingangs nennt man einen dynamischen Eingang. Solche Eingänge lösen nur eine Funktion aus, wenn sich der Zustand des Signals gerade von '0' auf '1' ändert. Hier spricht man auch von einer ansteigenden Flanke. Es gibt auch die Möglichkeit, dass eine Schaltung nur bei einer Änderung von '1' auf '0' reagiert. Dies ist dann die fallende Flanke.

In der kleinen Grafik ist noch einmal der genaue Zeitablauf dargestellt. Beim Zeitpunkt T1 wird das entsprechende Datensignal angelegt. Sobald, bei T2, dass Clock-Signal angelegt wird, wird das Datenbit übernommen. Nun kann man ohne weiteres die Datenleitung ändern, wie bei T3 zu sehen. Am Ausgang ändert sich nichts. Bei T4 wird auch das Takt bzw. Übernahmesignal wieder zurück gesetzt.

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