Negative Flankentriggerung bei Flip-Flops verstehen: Kerneinblick in die Elektronik

Flip-Flops oder Latch-Schaltungen helfen maßgeblich beim Design von Registern und Zählern, die Daten in Multi-Bit-Zahlenform speichern. Allerdings benötigen Registerbausteine oft viele Flip-Flop-Schaltungen, die sequenziell miteinander verbunden sind. Die sequenziellen Schaltungen müssen dann Triggerprozesse durchlaufen, um effektiv zu arbeiten.

Eine Flip-Flop-Schaltung

Quelle: Wikipedia

Das Triggern eines Flip-Flops beinhaltet die Änderung des Eingangssignals mittels eines Trigger-Impulses oder Taktimpulses. Daraufhin ändert sich auch der Flip-Flop-Ausgang.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein Flip-Flop zu triggern: High-Level, Low-Level und andere. Wir erläutern die negative Flankentriggerung und gehen dann auf die anderen Methoden ein.

1. Flankengesteuerte Flip-Flops (Edge-Triggered Flip-Flops)

Bevor wir fortfahren, gehen wir einige wichtige Begriffe durch:

• Flip-Flop: Wir verwenden Flip-Flops statt Latch-Schaltungen nach Aktivierung eines Multivibratorschaltkreises an der Übergangsflanke seiner Rechteckwelle.
• Taktsignal (Clock Signal): Es ist das Freigabesignal (Enabling Signal).
• Flankengesteuerter S-R-Schaltkreis: Bevorzugt als S-R-Flip-Flop bezeichnet.
• Flankengesteuerter D-Schaltkreis: Bevorzugt als D-Flip-Flop bezeichnet.

D-, J-K- und S-R-Eingänge sind gemeinsam synchrone Eingänge. Sie alle erscheinen in positiv flankengesteuerten und negativ flankengesteuerten Flip-Flops. Die Synchronizität besteht darin, dass Sie Dateneingänge bei der Triggersflanke eines Taktimpulses auf den Flip-Flop-Ausgang übertragen können.

Synchronisierende Eingangszähler

Quelle: Wikipedia

Asynchrone Eingänge (Clear (CLR) und Direct Set (SET)) ändern den Zustand des Flip-Flops ohne Taktimpulse.

Positiv flankengesteuert (steigende Flanke / Rising Edge)

S-R-, J-K- und D-Eingänge bedeuten hier: keine Blase am Takteingang.

Delay-Flip-Flop

Es besitzt drei SR-NAND-Latches und hält den Ausgang, bis der Taktimpuls die digitale Signaländerung von Low auf High beendet. Der Eingangsstufenbereich umfasst zwei Latches, die Ausgangsstufe nur eines. Der Eingangsstufenbereich hat den Dateneingang mit einem einzelnen NAND-Latch verbunden.

Flankengesteuertes D-Flip-Flop

Quelle: Wikipedia

S-R-Flip-Flop

Hier ändert sich der Ausgang in Bezug auf den Eingang an der positiven Flanke des Taktimpulses. Die S- und R-Eingänge beeinflussen den Ausgang nicht, wenn Sie keine nachlaufende Flanke am Taktimpuls haben. An der positiven/führenden Flanke des Takts ist der Flip-Flop-Schaltkreis aktiv und folgt den Änderungen der R- und S-Eingänge.

Änderungen in einem Taktzyklus umfassen:

• High S und Low R = High-Ausgang an der führenden Flanke / SET Flip-Flop.
• Low S und High R = Low-Ausgang an der führenden Flanke / RESET Flip-Flop.
• Low S und R = Keine Änderung am positiven Taktimpuls.
• High S und R = Unzulässiger Zustand.

S-R-Flip-Flop-Schaltung bei positiver Triggerung

J-K-Flip-Flop

Ein flankengesteuertes J-K-Flip-Flop funktioniert ähnlich wie ein S-R-Flip-Flop. Wenn jedoch beide S- und K-Zustände High sind, erfolgt ein Ausgangs-Umschalten (Toggling). Die Erzeugung nimmt an der führenden Flanke des Taktimpulses die entgegengesetzte Form an.

Negativ flankengesteuert (fallende Flanke / Falling Edge)

Negativ flankengesteuerte Schaltung

Die drei Eingänge in negativ flankengesteuerten Flip-Flop-Schaltungen bedeuten, dass eine Blase am Takteingang vorhanden ist.

Flankengesteuertes S-R-Flip-Flop

Die Wahrheitstabelle und der Betrieb eines negativ flankengesteuerten Bauelements ähneln der positiven Triggerung. Der einzige Unterschied: Bei negativer Triggerung ist die fallende Flanke des Triggerimpulses die nachlaufende Flanke.

Sie können S- und R-Eingänge jederzeit ändern, wenn Sie einen HIGH- oder LOW-Takteingang haben, ohne den Ausgang zu stören. Eine Ausnahme besteht, wenn es einen kurzen Zeitraum um den Triggerübergang des Takts herum gibt.

Flankengesteuerter S-R-Schaltkreis

Quelle: Wikipedia

Flankengesteuertes J-K-Flip-Flop

Ein J-K-Flip-Flop funktioniert genauso wie ein S-R-Flip-Flop. Allerdings fehlt dem J-K-Flip-Flop-Schaltkreis der ungültige Zustand. Wenn beide K- und J-Eingänge im High-Zustand sind, schalten die Ausgänge in den entgegengesetzten Zustand (Toggling).

Flankengesteuertes D (Delay/Data) Flip-Flop

Ein D-Flip-Flop hat eine einfache Operation, da es nur einen einzelnen Eingang zusätzlich zu seinem negativen Taktimpuls besitzt. Es ist oft empfehlenswert, wenn Sie ein einzelnes Datenbit speichern müssen (also 0 oder 1).

Bei HIGH D-Eingang nach Anlegen eines Taktimpulses setzt das Flip-Flop automatisch und speichert eine 1. Bei LOW D-Eingang nach Taktimpuls resettet der Flip-Flop-Schaltkreis und hält eine 0.

Flankengesteuertes D-Flip-Flop-Schaltbild

Quelle: Wikipedia

2. Warum nutzen wir negative Flankentriggerung?

Negative Flankentriggerung ist vorzuziehen, da sie nur Entladevorgänge durchführt und somit mehr Strom spart. Im Gegensatz dazu lädt positive Flankentriggerung nur die Kapazität auf.

Zudem können Sie Glitches vermeiden, die durch Race Conditions bei negativ flankengesteuerten Flip-Flops entstehen. Das häufigste Beispiel für Glitch-Reduktion ist die digitale Anwendung von Flip-Flops in Field-Programmable Gate Array (FPGA) Schaltungen. Zusätzlich können Sie ein Master-Slave-Flip-Flop nutzen, um Racing während der Taktperiode zu vermeiden.

3. Prinzip des Taktimpuls-Übergangs

Eine Taktimpulsflanke bewegt sich immer von 0 zu 1, dann 1 zu 0, wenn Sie ein Signal haben. Ein einzelner Aufruf ergibt also zwei Übergänge.

0 zu 1 Bewegung ist der positive Übergang, 1 zu 0 bezeichnet eine negative Änderung. Eine positive Logikoperation mit Low-to-High-Wachstum ist die führende Flanke des Taktsignals. Ein High-to-Low-Wachstum ist die nachlaufende Flanke des Takts.

Arten von Taktimpuls-Übergängen

Manchmal treten Multi-Transition-Herausforderungen in Flip-Flops auf, die digitale Schaltkreise destabilisieren. Die Beseitigung des Problems erfolgt, indem man Flip-Flops nur auf negative und positive Flankenübergänge reagieren lässt, nicht auf die gesamte Impulsdauer.

4. Flip-Flop – Andere Trigger-Methoden

High-Level-Triggerung

Generell wenden Sie die High-Level-Trigger-Methode an, wenn das Flip-Flop im High-Zustand reagieren soll. Sie erkennen den Zustand an einer geraden Leitung vom Takteingang.

High-Level-Triggerung

Low-Level-Triggerung

Entsprechend ist Low-Level-Triggerung bei Low-Zustand-Flip-Flops anwendbar. Neben der Prüfung des Takteingangs können Sie eine Low-Zustand-Indikatorblase untersuchen.

Low-Level-Triggerung

Positive Flankentriggerung

Ein positiver Flankentrigger stellt sicher, dass der Flip-Flop auf einen Low-to-High-Übergangszustand reagiert. Sie können ein Dreieck neben einem Takteingang verwenden, um die positive Triggerung zu identifizieren.

Positive Flankentriggerung

Zusammenfassung

Zusammenfassend minimiert Flankentriggerung Transienten- und Rauscheffekte in elektronischen Schaltungen während des Triggerns des Eingangs. Zudem ermöglicht das Triggern den Bauelementen, einen glatten Trigger zu erzeugen, der viel schneller ist als externe Rückkopplungsschleifen. Die Bauelemente akzeptieren somit Eingänge schnell und schließen den Eingang präzise, bevor sie Ausgabe- und Eingabewerte ändern.

Der obige Text gibt Details zu den Arten getakteter Flip-Flops, die Sie antreffen könnten. Sie funktionieren alle unterschiedlich, um den Ausgang über den Eingang zu ändern. Kontaktieren Sie uns gerne – wir sind weiterhin offen für Anfragen zur Flankentriggerung.