Informations- und Kommunikationstechnik

Einflankengesteuertes RS-Flipflop

Ein taktgesteuertes Flipflop übernimmt Eingangssignale, solange der richtige Taktpegel anliegt. Verglichen mit den nicht taktgesteuerten asynchronen Flipflops sind sie deshalb weniger störanfällig. Mit vorgeschalteten oder im Speicherchip integrierten Impulsgliedern kann der außen anliegende Takt in einen sehr kurzen aktiven Taktpuls gewandelt werden. Die Flipflops schalten nur noch im Bereich der Flanke des Taktpulses und sind für nachfolgende Störungen unempfindlich. Aus taktzustandsgesteuerten Flipflops werden taktflankengesteuerte Flipflops, die in einflanken- und zweiflankengesteuerte Flipflops unterteilt werden. Die Zustandssteuerung ist eine statische und die Flankensteuerung eine dynamische Steuerung. Zur Vermeidung irregulärer Ausgangszustände sollten wie bei allen RS-Flipflops auch bei den Taktsteuerungen nicht beide Eingangspegel gleichzeitig auf High liegen.

Einflankengesteuerte RS-Flipflops gibt es für die steigende Flanke mit dem Taktwechsel von Low auf High oder für die fallende Flanke mit dem Taktwechsel von High auf Low. Ein dynamischer Steuereingang ist im Schaltzeichen durch ein Dreieck gekennzeichnet. Der Takteingang wird mit C (aus dem Englischen: clock) bezeichnet und steuert beide RS-FF Eingänge synchron an. Ein Negationskreis am Takteingang steht für das Schalten auf der fallenden Flanke. Normalerweise gehen die kommerziellen ICs der einflankengesteuerten RS-Flipflops bei der Inbetriebnahme mit Q1 = 0 in eine vorgegebene Reset-Stellung. Das Bild zeigt Schaltzeichen und die Wahrheitstabelle für einflankengesteuerte RS-Flipflops mit der Abhängigkeitsnotation.

Einflankengesteuerte RS-FF

Die Schaltzeichen zeigen dynamische einflankengesteuerte RS-Flipflops, rechts mit dominierendem R-Eingang. Beim Schaltsymbol ohne Mittellinie zeigt der Negationskreis am Ausgang Q2, dass sein Pegel entsprechend der Definition des Schaltverhaltens beim RS-FF zum Ausgangspegel Q1 negiert ist.

Schaltdiagramme

Mit einem Schalt- oder Zeitablaufdiagramm kann die Funktionalität einer Digitalschaltung praktisch untersucht werden. Das folgende Beispiel zeigt, dass es bei gleich ablaufenden Pegeländerungen beim RS-FF Unterschiede zwischen der statischen Taktzustands- und der dynamischen Taktflankensteuerung gibt.

Bei der Taktzustandssteuerung wirken sich Pegeländerungen am S- und R-Eingang aus, solange der Taktpegel mit C = 1 anliegt. Zum Zeitpunkt 1 wird S = 1 gesetzt, aber erst zum Zeitpunkt 2 mit C = 1 wird das FF auf Q1 = 1 gesetzt. Pegeländerungen an S wirken sich bei gesetztem FF nicht mehr aus. Zum Zeitpunkt 4 erfolgt bei unverändertem Takt mit R = 1 der Reset zu Q1 = 0. Pegeländerungen an R haben keinen weiteren Einfluss auf den Reset. Zu den Zeitpunkten 7 wird S = 1 und bei 8 R = 1 gesetzt. Die Eingangszustände werden aber erst zum Zeitpunkt 9 mit C = 1 ausgewertet. Das Reset dominierte FF bleibt im Reset-Zustand. Bei aktivem Takt wird zum Zeitpunkt 10 R = 0, und mit dem noch bestehenden Zustand S = 1 wird das FF auf Q1 = 1 gesetzt. Der Setzzustand bleibt auch nach dem Zeitpunkt 11 mit S = 0 erhalten. In der folgenden Taktpause wird zum Zeitpunkt 13 wieder S = 1. Mit dem Takt zum Zeitpunkt 14 bleibt das FF gesetzt. Der Reset auf Q1 = 0 erfolgt zum Zeitpunkt 15 mit dem dominierenden R = 1. Dieser Zustand bleibt erhalten, da zum Zeitpunkt 16 innerhalb des aktiven Takts S = 0 und erst danach R = 0 wird.

Schaltdiagramme im Vergleich

Bei der Taktflankensteuerung werden die Eingangszustände an R und S nur zur steigenden Taktflanke zu den Zeitpunkten I, II und III ausgewertet. Zum Zeitpunkt I ist S = 1 und das FF wird gesetzt. Erst zum Zeitpunkt II werden die Eingangspegel mit S = 1 und R = 1 ausgewertet. Das Reset dominierende FF wechselt mit Q1 = 0 in den Reset-Zustand. Zum Zeitpunkt III wird mit S = 1 das FF erneut auf Q1 = 1 gesetzt und bleibt bis zur nicht mehr dargestellten steigenden Taktflanke für weitere Pegelwechsel gesperrt.

Einflankengesteuertes D-Flipflop

Ein vorgeschaltetes Impulsglied macht aus einem taktzustandsgesteuerten D-Flipflop ein einflankengesteuertes oder einflankengetriggertes D-FF. Im SNM 7474 sind zwei dynamische D-FF integriert. Die Datenübernahme erfolgt auf der steigenden Taktflanke. Dieses dynamisch D-FF hat neben dem normalen Daten- und Takteingang noch zusätzliche Low aktive Eingänge für Preset (S) und Clear (R).

Schaltdiagramme SN 7474 D-FF

Liegen High oder Low Pegel an den statischen Eingängen Preset und Clear, bleiben sie wirkungslos. Mit Clear oder R = 0 und Preset S = 1 bleibt der Ausgang von den Pegeln an D und C unabhängig auf Q = 0. Mit Preset S = 0 und Clear R = 1 bleibt der Ausgang auf Q = 1 gesetzt und die Pegel an D und C sind wirkungslos.

Einflankengesteuertes T-Flipflop

Werden beim dynamischen RS-FF die Ausgänge gekreuzt mit den beiden Eingängen verbunden, bleibt nur noch der Takteingang zur Ansteuerung. Dieses Flipflop kippt bei jeder steuernden Taktflanke in den anderen Zustand und halbiert die Frequenz des Taktsignals. Die Schaltung nennt sich Trigger- oder Toggle-Flipflop (to toggle = umschalten, kippen). Wird beim dynamischen D-FF der Ausgang Q-NICHT direkt mit dem Dateneingang D verbunden entsteht ebenfalls ein einfaches T-FF.

Beispiele zum T-FF, Schaltdiagramm

Für das einflankengesteuerte T-FF gibt es ein eigenes Schaltzeichen. Teilweise ist ein weiterer Steuereingang vorhanden mit dem die Arbeitsweise gesperrt werden kann. Dieser Eingang wird zum T-Eingang und der dynamische Takteingang ist wieder C. Mit einem Low Pegel an T bleibt der letzte Ausgangszustand gespeichert. Mit High Pegel wird die Frequenz des Steuertakts halbiert. Am Ausgang eines T-Flipflops entsteht immer ein symmetrisches Rechtecksignal mit einem 1:1 Tastverhältnis. Mit in Reihe geschalteten, kaskadierten T-Flipflops lassen sich asynchrone Binärzähler aufbauen.

Schaltzeichen für T-FF