NAND-basiertes Set-Reset-Flip-Flop-Schaltung aufbauen

Benötigte Bauteile und Materialien

• 4011 Quad-NAND-Gatter (Radio Shack Katalog # 276-2411)
• 4001 Quad-NOR-Gatter (Radio Shack Katalog # 276-2401)
• Acht-Stelliger DIP-Schalter (Radio Shack Katalog # 275-1301)
• Zehn-Segment-Balkengraph-LED (Radio Shack Katalog # 276-081)
• Eine 6-V-Batterie
• Drei 10 kΩ Widerstände
• Zwei 470 Ω Widerstände

Achtung! Der 4011 IC ist CMOS und daher hoch empfindlich gegen statische Entladung. Obwohl die Teileliste einen zehnsegmentigen LED-Balkengraph vorsieht, zeigt die Abbildung zwei einzelne LEDs wegen begrenztem Steckbrettplatz. Falls Sie genug Platz haben, installieren Sie den Balkengraph wie ursprünglich vorgesehen.

Querverweise

• Lessons In Electric Circuits, Band 4, Kapitel 3: „Logikgatter“
• Lessons In Electric Circuits, Band 4, Kapitel 10: „Multivibratoren“

Lernziele

• Zwischen einem getakteten (aktivierten) Latch und einem Flip-Flop unterscheiden.
• Einen Impulsdetektor-Schaltkreis aufbauen, der flankengetriggerten Betrieb ermöglicht.
• Verstehen, wie mechanisches Schalterprellen (Contact Bounce) digitale Logik stören kann und Abmilderungsstrategien lernen.

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

Der Kernunterschied zwischen einem getakteten (oder aktivierten) Latch und einem Flip-Flop ist der Auslösemechanismus: Ein Flip-Flop reagiert nur auf eine Taktflanke, während ein Latch einem anhaltenden Enable-Signal folgt. Die Umwandlung eines aktivierten Latches in ein Flip-Flop erfordert lediglich das Hinzufügen eines Impulsdetektors, der eine Taktflanke in einen kurzen High-Enable-Impuls umwandelt.

Der Impulsdetektor nutzt ein einzelnes NOR-Gatter und drei Inverter. Durch Parallelschalten der NOR-Eingänge verlangsamen wir die Ausbreitung absichtlich, um einen schmalen Impuls bei jeder fallenden Taktflanke zu erzeugen.

Normalerweise wird ein NOR-Gatter als Inverter verdrahtet, indem ein Eingang auf Masse gelegt und der andere mit dem Signal gespeist wird, was die Kapazität minimiert und die Geschwindigkeit maximiert. In dieser Schaltung parallelisieren wir die Eingänge absichtlich, um einen trägen Inverter zu erzeugen, der sicherstellt, dass der Impuls lang genug bleibt, um das Latch auszulösen.

Dieses Design erzeugt einen High-Ausgangsimpuls bei jeder fallenden Flanke des Takts. Folglich reagiert das SR-Latch auf Set und Reset nur, wenn der mittlere Schalter von „ein“ auf „aus“ wechselt. In der Praxis können Sie jedoch Reaktionen auf beide Übergänge beobachten, wegen Kontaktprellen.

Mechanische Schalter neigen zum Prellen – sie öffnen und schließen schnell bei der Betätigung. Dies erzeugt mehrere Low-High-Low-Übergänge, die den Impulsdetektor versehentlich doppelt auslösen können, wodurch das Latch auf beide Taktflanken reagiert. Das Verständnis und die Milderung von Kontaktprellen ist essenziell für zuverlässige digitale Logik.

Zugehöriges Arbeitsblatt

• Flip-Flop Circuits Worksheet