Kantengesteuerte Riegel:Flip-Flops

Bisher haben wir sowohl S-R- als auch D-Latch-Schaltungen mit Aktivierungseingängen untersucht. Der Latch reagiert auf die Dateneingänge (S-R oder D) nur, wenn der Freigabeeingang aktiviert ist. Bei vielen digitalen Anwendungen ist es jedoch wünschenswert, das Ansprechverhalten einer Latch-Schaltung auf eine sehr kurze Zeitdauer statt auf die gesamte Dauer der Aktivierung des Freigabeeingangs zu begrenzen.

Eine Methode zum Aktivieren einer Multivibratorschaltung wird als Flankentriggerung bezeichnet , wobei die Dateneingänge der Schaltung nur während der Zeit steuern, in der der Freigabeeingang übergeht von einem Staat zum anderen.

Vergleichen wir Zeitdiagramme für einen normalen D-Latch mit einem flankengetriggerten:

Im ersten Zeitdiagramm reagieren die Ausgänge auf Eingang D immer dann, wenn der Freigabeeingang (E) hoch ist, egal wie lange er hoch bleibt. Wenn das Freigabesignal auf einen niedrigen Zustand zurückfällt, bleibt die Schaltung verriegelt.

Im zweiten Timing-Diagramm bemerken wir eine deutlich andere Reaktion des/der Schaltungsausgang(s):Er reagiert nur auf den D-Eingang in dem kurzen Moment, in dem sich das Freigabesignal ändert , oder Übergänge , von niedrig nach hoch. Dies wird als positiv bezeichnet flankenauslösend.

Es gibt so etwas wie negativ auch Flankentriggerung und erzeugt die folgende Reaktion auf die gleichen Eingangssignale:

Immer wenn wir eine Multivibratorschaltung an der Übergangsflanke eines Rechteckwellen-Aktivierungssignals aktivieren, nennen wir es ein Flip-Flop anstelle eines Latch .

Folglich ist eine flankengetriggerte S-R-Schaltung genauer als ein S-R-Flip-Flop und eine flankengetriggerte D-Schaltung als D-Flip-Flop bekannt. Das Freigabesignal wird in Uhr umbenannt Signal. Außerdem bezeichnen wir die Dateneingänge (S, R bzw. D) dieser Flip-Flops als synchron Eingänge, da sie nur zum Zeitpunkt der Taktflanke (Übergang) wirksam sind, wodurch alle Ausgangsänderungen mit diesem Takt synchronisiert werden und nicht nach Lust und Laune der Dateneingänge.

Aber wie bewerkstelligen wir dieses Edge-Triggering eigentlich? Mit ein paar UND-Gattern ist es einfach, einen "gated" S-R-Latch aus einem normalen S-R-Latch zu erstellen, aber wie implementieren wir eine Logik, die nur auf die ansteigende oder fallende Flanke achtet? eines sich ändernden digitalen Signals?

Was wir brauchen, ist eine digitale Schaltung, die immer dann einen kurzen Impuls ausgibt, wenn der Eingang für einen beliebigen Zeitraum aktiviert wird, und wir können den Ausgang dieser Schaltung verwenden, um das Latch kurzzeitig zu aktivieren. Wir übertreiben uns hier ein wenig, aber das ist eigentlich eine Art monostabiler Multivibrator, den wir vorerst Impulsdetektor nennen werden .

Die Dauer jedes Ausgangsimpulses wird durch Komponenten in der Impulsschaltung selbst eingestellt. In der Ladder Logic kann dies ganz einfach durch die Verwendung eines Zeitrelais mit sehr kurzer Verzögerungszeit erreicht werden:

Die Implementierung dieser Timing-Funktion mit Halbleiterkomponenten ist eigentlich recht einfach, da sie die in jedem Logikgatter inhärente Zeitverzögerung ausnutzt (bekannt als Ausbreitungsverzögerung ). Wir nehmen ein Eingangssignal und teilen es auf zwei Arten auf, dann platzieren Sie ein Gate oder eine Reihe von Gates in einem dieser Signalpfade, nur um es ein wenig zu verzögern, und lassen dann sowohl das Originalsignal als auch sein verzögertes Gegenstück in a Gatter mit zwei Eingängen, das ein High-Signal für den kurzen Moment ausgibt, in dem das verzögerte Signal den Low-to-High-Wechsel des unverzögerten Signals noch nicht eingeholt hat. Eine Beispielschaltung zum Erzeugen eines Taktimpulses bei einem Übergang von einem Low-zu-High-Eingangssignal wird hier gezeigt:

Diese Schaltung kann in eine Negativflanken-Impulsdetektorschaltung umgewandelt werden, indem nur das letzte Gatter von UND auf NOR geändert wird:

Da wir nun wissen, wie ein Impulsdetektor hergestellt werden kann, können wir ihn an den Freigabeeingang eines Latch angeschlossen zeigen, um ihn in ein Flip-Flop zu verwandeln. In diesem Fall ist die Schaltung ein S-R-Flip-Flop:

Nur wenn das Taktsignal (C) von niedrig auf hoch übergeht, reagiert die Schaltung auf die S- und R-Eingänge. Für jeden anderen Zustand des Taktsignals („x“) wird die Schaltung zwischengespeichert.

Eine Ladder-Logic-Version des S-R-Flip-Flops wird hier gezeigt:

Relaiskontakt CR₃ im Kontaktplan ersetzt den alten E-Kontakt im S-R-Latch-Kreis und ist nur während der kurzen Zeit geschlossen, in der sowohl C geschlossen ist als auch der Zeitverzögerungskontakt TR₁ ist geschlossen. In jedem Fall (Gate- oder Ladder-Schaltung) sehen wir, dass die Eingänge S und R keine Wirkung haben, es sei denn, C geht von einem niedrigen (0) in einen hohen (1) Zustand über. Andernfalls verriegeln die Ausgänge des Flip-Flops in ihren vorherigen Zuständen.

Es ist wichtig zu beachten, dass der ungültige Zustand für das S-R-Flip-Flop nur für die kurze Zeitdauer aufrechterhalten wird, die die Impulsdetektorschaltung ermöglicht, dass das Latch aktiviert wird. Nach Ablauf dieser kurzen Zeit verriegeln die Ausgänge entweder im Set- oder Reset-Zustand. Noch einmal das Problem einer Rennbedingung manifestiert sich. Ohne Freigabesignal kann ein ungültiger Ausgangszustand nicht aufrechterhalten werden. Allerdings schließen sich die gültigen „verriegelten“ Zustände des Multivibrators – Set und Reset – gegenseitig aus. Daher "rennen" die beiden Gates der Multivibratorschaltung um die Vorherrschaft, und derjenige, der zuerst einen hohen Ausgangszustand erreicht, wird "gewinnen".

Die Blocksymbole für Flip-Flops unterscheiden sich geringfügig von denen ihrer jeweiligen Latch-Gegenstücke:

Das Dreieckssymbol neben den Takteingängen sagt uns, dass es sich um flankengetriggerte Geräte und folglich um Flip-Flops und nicht um Latches handelt. Die obigen Symbole sind positiv flankengetriggert, dh sie „takten“ mit der steigenden Flanke (Low-to-High-Übergang) des Taktsignals. Negative flankengetriggerte Geräte werden mit einer Blase auf der Takteingangsleitung symbolisiert:

Beide oben genannten Flip-Flops „takten“ bei der fallenden Flanke (High-to-Low-Übergang) des Taktsignals.

RÜCKBLICK:

• Ein Flipflop ist eine Latch-Schaltung mit einer "Impulsdetektor"-Schaltung, die an den Freigabeeingang (E) angeschlossen ist, sodass sie nur für einen kurzen Moment entweder bei der steigenden oder fallenden Flanke eines Taktimpulses aktiviert wird.
• Impulsdetektorschaltungen können aus Zeitverzögerungsrelais für Ladder-Logic-Anwendungen oder aus Halbleitergattern bestehen (unter Ausnutzung des Phänomens der Ausbreitungsverzögerung ).

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Flip-Flops-Arbeitsblatt