Flip-Flop Schaltungen

7.2. Bistabile Multivibrator-Schaltungen - RS-Flip Flop's

Letztmalig dran rumgefummelt: 24.03.18 19:40:25

Bistabile besagt, das diese Schaltungen ausgangsseitig über zwei stabile Zustände verfügen.
Flip-Flop sind Grundelemente der Gruppe der sequentiellen Schaltungen. Sie besitzen zwei Rückführungen der Ausgänge auf den Eingang - damit ist das Ausgangssignal nicht mehr unbedingt von der Kombination des Einganges abhängig - es wird auch mit vom vorherigen Zustand aus entschieden.

1. Logisches Prinzip der Schaltung mit Rückführung
2. Praktische Tipps zum Einsatz von RS-FF in verschiedenen Technologien
3. Positiv getriggertes RS-FF
4. getaktetes RS-FF
  5. Prellfreie Schalter
  6. Verwandte Themen
  7. Schaltkreisliste mit dem RS-FF

die Elektronikseiten

RS-FlipFlop-Logo

begrenzt verwendbar - selbst aufpassen, ab welcher Stelle es Blödsinn wird ;-)

Wissen für Fortgeschrittene der Informatik

Flip-Flop können:

gesetzt
rückgesetzt werden ...
.... und den letzten Zustand speichern

Flip: engl. "schnipsen"
Flop: engl. "herunter plumsen"

Beim RS-FlipFlop bringt der Eingang S auf L den Ausgang Q auf H

Einfache Flip-Flop-Stufen werden in der praktischen Schaltungstechnik neben ihrer speichernden Eigenschaften auch zum "Entprellen" mechanischer Kontakte wie Schalter, Taster, Relais, Schaltschütze usw. angewendet, wenn diese direkt digitale Eingaben steuern. Flip-Flop's der dargestellten Art sind Kernstück der einzelnen Speichezelle jedes statischen RAM und es ist nicht abzusehen, das sich dies in der allernächsten Zeit ändern wird!

1. Logisches Prinzip der digitalen Schaltungen mit doppelter Rückführung

RS-FF mit dem Profi Lab Expert 2.0

RS-FF mit dem Profi Lab Expert 2.0 zum Download

einfachstes RS-Flip Flop (Kippstufe)

Logiksymbol für das einfache RS-Flip Flop (Kippstufe)

Flipflops sind neben Gattern die wichtigsten Grundelemente digitaler Schaltungen. Sie sind die Grundbausteine von Speichern, Zählern, Schieberegistern und Frequenzteilern. Ihre wesentliche Eigenschaft ist, dass sie ein Bit beliebig lange (d. h. so lange die Betriebsspannung anliegt) speichern können, und dass der Speicherinhalt ständig als Ausgangspegel zur Verfügung steht. Ein Flipflop ist eine bistabile Schaltung mit zwei statisch stabilen Zuständen, die durch Eingangssignale auf einen gewünschten Zustand einstellbar ist.
In der einfachsten Ausführung lässt sich ein Flipflop (FF) aus zwei NOR- oder NAND-Gattern aufbauen. Führt man dem Setzeingang (S-Eingang) dieses „Grund-Flipflops" 1-Signal zu, so kippt der Flipflop in die stabile Lage Q = 1. Legt man an den Rücksetzeingang (R-Eingang) 1-Signal, so wird der Flipflop rückgesetzt („gelöscht"), d. h., es wird Q = 0.
Die Schaltung ist in beiden Lagen statisch stabil, denn der jeweils in Stellung „1" befindliche Ausgang hält infolge der Kreuzkopplung beider Gatter den anderen Ausgang auf 0-Signal. Man beachte den Unterschied zwischen einem NOR-Flipflop (Grundflipflop aus zwei NOR-Gattern) und einem NAND-FlipFlop! Damit die Schaltbelegungstabelle des RS-Flipflops sowohl für den NOR= als auch für den NAND-FlipFlop gilt, müssen dem NAND-FlipFlop die Eingangssignale R und 9 zugeführt werden. Wie wir leicht nachprüfen können, bewirkt beispielsweise das Eingangssignal S = 0, dass der Ausgang des RS-Flipflops auf Q = 1 kippt. In entsprechender Weise bringt R = 0 den Flipflop-Ausgang auf Q = 1. Die Schaltung des einfachen NOR-Grund-Flipflops stellt einen zweistufigen gleichspannungsgekoppelten Verstärker mit Rückkopplung (Mitkopplung) dar (Bild 5.10). Die Übertragungskennlinie bei geöffnetem Schalter zeigt nichtinvertierendes Verhalten. Wird der Schalter S geschlossen, so gilt U_E = U„ (gestrichelte Gerade im Bild 5.10 b). Da beide Kennlinien im Bild 5.10b gültig sind, können sich statisch nur Arbeitspunkte einstellen, in denen sich beide Kennlinien schneiden. Der Arbeitspunkt C ist instabil, denn bei einer geringen U,-Erhöhung würde eine größere U„ Änderung auftreten, als es der gestrichelten Geraden entspricht. Das führt zu einer weiteren U,-Erhöhung und schließlich zum Umkippen in den stabilen Arbeitspunkt B. In gleicher Weise lässt sich zeigen, dass der Arbeitspunkt A stabil ist.
Das zum Setzen bzw. Rücksetzen des Flipflops benötigte Signal braucht nur kurzzeitig amS- bzw. R-Eingang anzuliegen, denn `die Umkippzeit typischer Flipflops beträgt 10 ... einige 100 ns. Nachdem der Flipflop in die Lage Q = 1 gekippt ist, haben weitere 1-Signale am S-Eingang keinen Einfluss auf den Zustand der Schaltung. Diese Eigenschaft lässt sich zur Unterdrückung von Schalterprellungen beim Übergang von mechanischen - auf elektronische Einheiten ausnutzen. Die Schaltung im Bild bewirkt, dass sich der Flipflop-Ausgang beim erstmaligen Schließen des Schalters auf das gewünschte Logiksignal einstellt, und anschließende Prellungen am Ausgang unwirksam bleiben.
Bei den hier besprochenen RS-Flipflops ist die Signalkombination R = S = 1 nicht zulässig, denn sie würde beide Ausgänge auf „0" bringen, und nach dem Signalwechsel an R = S würde der Flipflop eine undefinierte Lage einnehmen. Wenn sich die Kombination R = S = 1 nicht vermeiden lässt, muss ein JK-Flipflop eingesetzt werden. Bei ihm ist diese Kombination zulässig.
Hauptanwendung von RS-Grund-Flipflops ist die Realisierung von Speicherelementen (Latch). So lange R = S = 0 bleibt, speichert der Flipflop den vorher eingespeicherten logischen Zustand, d. h., er speichert ein Bit.

Taktdiagramm des einfachen RS-FF

R	S	Q	Q
L	L	H	H
L	H	L	H
H	L	H	L
H	H	unbestimmt	unbestimmt

Schalttabelle des RS-Flip-Flop's - verbotener Zustand rot dargestellt

RS-FF werden in der Praxis vor allem zum Entprellen von Schaltkontakten genutzt

Schaltungen mit Rückführungen haben speichernden Charakter - Basis aller statischen RAM's

FF werden auch als Kippstufen bezeichnet - sie kippen unter bestimmten Umständen in den Gegenzustand

die FF gehören zu den Triggerschaltungen

S steht für den SET-Eingang,. R für den RESET-Eingang der Kippstufe

der Ursprung der Bezeichnungen für Q und Q quer sind heute nicht mehr nachzuvollziehen, gelten aber für alle Ausgänge mit speicherndem Verhalten

2. Besonderheiten des RS-FF in der praktischen Anwendung

FlipFlop sind Basisschaltungen für den gesamten Bereich der Digitalelektronik. Sie sind in praktischallen Schaltungen enthalten und insbesondere in statischen RAM die vorherrschende Bauelementestrktur.

Informationen können gespeichert werden (Aufgabe)

S an L-Pegel bringt Q-Ausgang auf H (Funktionsprinzip)

Störimpulse (Spikes) bringen das RS-FF zum Schalten (negative Eigenschaft)

R und S müssen für definierte Zustände an Q und Q immer entgegengesetztes Signal führen (zu beachten)

negatives Signal schaltet (ungünstig)

bei verbotener Eingangsbelegung (R und S auf L) sind beide Ausgänge auf H (aus Speichersicht undefiniert und auch der Folgezustand ist nicht festgeschrieben)

bei Einsatz von CMOS-Bauelementen müssen R und S immer definiertes und dabei nicht gleiches Potential führen

FF-Stufen sollten vor allem bei hohen Frequenzen nicht unter Last auf Q und Q quer betrieben werden - möglichst nur eine TTL-Last sollte auf jeden Ausgang geschalten werden (LED's also möglichst über eine Treiberstufe koppeln)

einfachstes RS-Flip Flop (Kippstufe) mit Vorspannwiderständen um gegensätzliche Einganssignale bei offenen Eingängen für R und S zu garantieren

Standard-Beschaltung für FF-Stufen, wenn R und S mechanische Kontakte und wenn die Schaltfrequenz hoch ist
durch die Vorspannwiderstände werden die Eingönge R und S immer auf entgegengesetztem Potential gehalten, da sie das jeweilige Ausgangssignal auf den Eingang rückkoppeln
für die Vorspannwiderstände bei TTL-Technik gelten in TTL- und LS-Technologien ca. 3kOhm
für CMOS-Technologien sollte der Wert nicht unter 50 kOhm liegen

Schaltbelegungsvorschlag für RS-Flip Flop (Kippstufe) mit mit je zwei Gattern eines 7400

3. Positiv getriggertes RS-FF

	Ein einfaches RS-FF ist sehr störanfällig. Bereits Impulse aus der Umwelt sind ausreichend, das FF "kippen" zu lassen. Das gilt besonders dann, wenn Eingänge unbeschalten geblieben sind (genau deshalb gilt für die Praxis: alle Eingänge werden mit sicherem Potential verbunden).
	Prinzipielle Veränderung gegenüber dem Standard-RS-FF ist nur, dass Setz- und Rücksetzeingang mit je einem Negator versehen werden, was allerdings zur Folge hat, dass das FF jetzt mit dem H-Spike schaltet.
	*Positiv getriggertes RS-Flip-Flop* *... nur die Sache mit den Vorspannwiderständen gestaltet sich nun etwas komplexer ;-)*
	Informationen können gespeichert werden (Aufgabe)
	S an H-Pegel bringt Q-Ausgang auf H (Funktionsprinzip)
	Störimpulse (Spikes) bringen das RS-FF zum Schalten (negative Eigenschaft)
	R und S müssen für definierte Zustände an Q und Q immer entgegengesetztes Signal führen (zu beachten)
	positives Signal schaltet (günstig) - Verbesserung gegenüber RS-FF
	auch bei Einsatz von TTL-Bauelementen (bei CMOS-Einsatz gebietet sich dies eh!!!) müssen die Gates auf definiertem L-Potential liegen, da ansonsten der verbotene Zustand eingenommen wird ;-)
	Vorspannwiderstände für TTL-Technologie weiterhin ca. 3k - bei CMOS nicht unter 50k!!!

4. Positiv taktflankengetriggertes RS-FF

	Prinzipielle Veränderung gegenüber dem Standard-RS-FF ist nur, dass Setz- und Rücksetzeingang mit je einem Negator versehen werden, was allerdings zur Folge hat, dass das FF jetzt mit dem H-Spike schaltet.
	*Taktdiagramm des positiv taktflanken getriggerten RS-Flip-Flop*
	*Positiv taktflanken getriggertes RS-Flip-Flop*
	*... gleich mal der optimale Anschlussplan aus Platinen sicht ;-)*
	*Vorspannwiderstände in den oben genannten Bereichen garantieren definierte Zustände*

5. RS-FF als prellfreier Schalter

	Prellen ist eine Eigenschaft aller mechanischen Schalter - das hat sehr viel mit der Kondensatorwirkung dieser technischen Baueinrichtungen sowie dem extrem schnellen Schaltverhalten digitaler Baugruppen zu tun. So schnell, wie selbige schalten, kannst Du nicht gucken ;-)
	*RS-FF als prellfreier Schalter*

6. Verwandte Themen

Das es den Ausgang schon lange nicht mehr interessiert, was am Eingang eigentlich los ist, stellt ein altes Problem der Informatik dar. Schließlich soll der Prozessor gerade seine Bahn ziehen und sich um seine Rechenprozesse kümmern. Wer aber hat die bereits ermittelten Zwischenresultate oder gar Zielwerte im Auge? Richtig - irgend etwas muss sich auch Werte merken können - das ist dann der Bereich der Fangregister und ihrer engen Verwandten - dies gilt bis hin zur Rechner-Peripherie.

MonoFlops
D-FlipFlop sowie D-Latches	*JK-Master-Slave-FF*	*Schieberegister*
Dezimalzähler-Logo	*Binärzähler*	Frequenzteiler
Grundsätzlicher PIO-Aufbau	Fangregister

7. Bauelementeliste für wichtige RS-FlipFlop

Klasse	Bauelemente-Typ	Funktion
74 - ; 74 LS; 47 HCT	74118	Sechs R-S-Zwischenspeicher mit gemeinsamen Rückstelleingang
74 - ; 74 LS	74119	Sechs R-S-Zwischenspeicher mit gemeinsamen Rückstelleingang und und gemeinsamen Setzeingang
74 - ; 74 LS; 47 HCT	74279	vier R-S-FlipFlop komplett

elektronische Bauelemente-Übersicht RS-FF in verschiedenen Technologien

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... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehemn ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

Diese Seite wurde ohne Zusatz irgendwelcher Konversationsstoffe erstellt ;-)