4 Sequentielle Schaltungen, Schaltwerke

4.2 Das Basis-Flipflop

Die einfachste Klasse unter den Schaltwerken wird von den sogenannten "Flipflops" (Abk. "FF") gebildet. Im Gegensatz zu den Schaltnetzen zeichnen sich diese Bauelemente durch die Existenz eines internen Speichers aus. Aufgrund dieser Speicherfähigkeit reicht zur Funktionsbeschreibung die Kenntnis der aktuellen Eingangszustände in diesem Fall allein nicht mehr aus; auch der aktuelle Zustand des internen Speichers muß bekannt sein (d.h. praktisch, daß Kenntnis über den "vorgeschichtlichen" Betrieb der Schaltung vorhanden sein muß).

Die einfachste Flipflop-Schaltung soll durch die folgenden drei Funktionen charakterisiert sein:

• der FF-Ausgang kann auf "1" geschaltet werden
  ("Setzen" des FF),
• der FF-Ausgang kann auf "0" geschaltet werden
  ("Rücksetzen" des FF),
• Nach Setzen oder Rücksetzen des FF soll der Ausgang stabil bleiben ("Speichern" der Information).
  

Diese drei FF-Funktionen können in einem einfachen Zeitdiagramm dargestellt werden:

Abb. 4.4: Einfaches Zeitdiagramm eines Flipflops.

Flipflops können als schnelle elektronische Schalter verstanden werden, die z.B. die Eingänge eines Verknüpfungsnetzes solange stabil halten, bis alle Signaländerungen die Schaltung durchlaufen haben:

Abb. 4.5: Flipflop-Anwendung.

An die "Schalter" FF₁ und FF₂ müssen Forderungen gestellt werden, deren Erfüllung Voraussetzung für ein störungsfreies Verhalten der obigen Schaltung ist:

• Die Verbindung "Datum Q" muß unterbrochen werden, solange Störimpulse auftreten;
• Die Verbindung darf erst hergestellt werden, wenn die Daten stabil sind;
• An FF₁ muß das rückgekoppelte Signal mindestens um die maximale Signallaufzeit im Verknüpfungsnetz VN₁ verzögert werden.
  

Hinweis:

In der hier gezeigten typischen Flipflop-Anwendung beziehen sich die Bezeichner X und Y auf sogenannte Bus-Systeme, d.h. eine Zusammenfassung gleichwertiger Signalleitungen zu einem Leitungsbündel. Dieses Bündel kann z.B. 8 Leitungen umfassen und damit 1 Byte Signale tragen. Das Flipflop FF₂ ist in entsprechender Anzahl vorhanden (1 Flipflop pro Signal).

Diese parallele Beschaltung von FFs wird als ein "Register" bezeichnet.

Das Flipflop FF₂ ist also Teil eines Registers und übernimmt als Eingangsschalter für das Verknüpfungsnetz VN₂ die Ergebnisse von VN₁ und hält sie stabil. Damit können sich die Signale in VN₂ ausbreiten, während in VN₁ bereits ein neuer "Signalvektor" ermittelt wird. Die einzelnen Ergebnisse können sogar zu verschiedenen Zeitpunkten erzeugt werden.

Die Eingangswerte von VN₂ bleiben durch das Register (FF₂) von allen Signalwechseln unbeeinflußt.

Bleibt das FF-Register in seiner Speicherposition, kann außerdem die Ausbreitung eventuell in VN1 erzeugter Störimpulse in das VN₂ hinein verhindert werden.

Die gleichen Betrachtungen gelten natürlich für die Eingänge von VN₁ und damit auch für das rückgekoppelte Signal. Diese Rückkopplung kann durch Flipflop FF₁ unterbrochen werden, wodurch das Zeitverhalten geändert wird. VN₁ in Verbindung mit FF₁ kann als ein neues Schaltwerk SW₁ betrachtet werden.

Sollen erst dann am Eingang von VN₁ neue Werte übernommen werden, wenn alle vorher ausgelösten Signalwellen bereits abgeklungen sind, muß FF₁ alle rückgekoppelten Signale bis zur längsten Durchlaufzeit in VN₁ (Verzögerungszeit t_v) sperren.

Aus dieser Anwendung ergeben sich unmittelbar die Grundanforderungen, die an ein Basis-Flipflop gestellt werden müssen. diese Forderungen an das zeitliche und logische Verhalten des FFs sind in folgenden Zeitdiagramm zusammengefaßt:

Abb. 4.6: Zeitliches und logisches Verhalten eines Basis-Flipflops.

Eine angenäherte Lösung wäre möglich mit einer Zweiflanken-Steuerung, wobei zwischen der Informationsübernahme durch das Flipflop und der Informationsausgabe eine einstellbare Verzögerungszeit t_v existieren sollte:

Abb. 4.7: Zweiflanken-Steuerung.

4.2.1 Entwurf eines Latch-Flipflops

Als einfachste Beispiel soll zunächst ein hypothetisches Latch-FF entwickelt werden. Dieses Flipflop soll gekennzeichnet sein durch zwei unterscheidbare Zustände:

• "Durchlassen" (Unlatch):
  Das am Dateneingang anliegende Signal wird an den Ausgang weitergeleitet,
• "Sperren und Halten" (Latch):
  Der Wert des Eingangssignals unmittelbar vor diesem Zustand wird "eingefroren" und steht bis zum Ende dieses Zustands am Ausgang zur Verfügung.
  

Für dieses Flipflop könnte also das nebenstehende (ebenfalls hypothetische) Schaltsymbol zur vollständigen Beschreibung dienen:
	Abb. 4.8: Hypothetisches FF-Schaltsymbol.

Eine tabellarische Funktionsbeschreibung (Funktionstabelle, Wahrheitstafel) könnte ebenfalls vorgenommen werden:

Im KV-Diagramm könnten unmittelbar stabile und nicht-stabile Zustände unterschieden werden:

Abb. 4.9: KV-Diagramm des Latch-Flipflops.

Wird mit Q⁺ der FF-Zustand nach der Änderung der Eingangsparameter verstanden, dann gilt offenbar für stabile Zustände die Speicher- bzw. Halte-Bedingung:

.

(4.1)

Die stabilen Zustände wurden im KV-Diagramm durch Einkreisungen gekennzeichnet.

Noch anschaulicher wird diese Beschreibung durch das oben eingeführte Zustandsdiagramm:

Abb. 4.10: Zustandsdiagramm des Latch-Flipflops.

Am Zustandsdiagramm ist erkennbar, daß diese Schaltung nur zwei stabile Zustände besitzt, in die sie durch entsprechende Eingangssignale "gekippt" werden kann. Auf Grund dieser Eigenschaft wird für diese Schaltung oft auch die Bezeichnung "Bistabile Kippstufe" geführt.

Eine mögliche Gatterimplementierung dieses Flipflops zeigt deutlich die durch Rückkopplung realisierte Speicherfunktion:

Abb. 4.11: Gatterimplementierung eines Latch-Flipflops (hypothetisch).

Funktionsgleichung des Latch-Flipflops:

(4.2)