Flip-Flop / Digitale Signalspeicher

Jede elektronische Schaltung, die zwei stabile elektrische Zustände hat und durch entsprechende Eingangssignale von einem Zustand in einen anderen geschaltet werden kann, nennt man Flip-Flop oder auch bistabile Kippstufe. Das Flip-Flop hier, darf nicht mit den modischen Badeschlappen verwechselt werden.
Die verschiedenen Flip-Flop-Arten werden unterschiedlich angesteuert, sie haben unterschiedlich wirkende Eingänge und ändern ihren Zustand nur bei bestimmten festgelegten Bedingungen.
Ein einfaches Flip-Flop hat zwei Eingänge und zwei Ausgänge. Taktabhängige Flip-Flops haben noch einen entsprechenden Takteingang C.
Flip-Flops ohne Takteingang sind vollständig taktunabhängig. Ihre Setz- und Rücksetzeingänge lassen sich jederzeit ansprechen.

Taktsteuerung von Flip-Flops

Einzustandsgesteuertes Flip-Flop:
Ein Flip-Flop, dessen Setz- und Rücksetzeingang nur wirksam werden, wenn am Takteingang ein Signal anliegt.

Einflankengesteuertes Flip-Flop:

Ein Flip-Flop, dessen Setz- und Rücksetzeingang nur während der Änderung des Taktzustandes wirksam werden.
Die Störanfälligkeit durch Störsignale wird durch die kurze Zeit der Taktflanke reduziert.
Die Taktflankensteuerung wird im Schaltzeichen durch das Dreieck gekennzeichnet.

Zweizustandsgesteuertes Flip-Flop:
Ein Flip-Flop, das die Eingangszustände während des einen Taktzustandes aufnimmt und erst beim nachfolgenden Taktzustand ausgibt.
Flip-Flop-Ausgänge, an denen die Eingangszustände verzögert erscheinen, werden retardierte Ausgänge genannt. Solche Flip-Flops arbeiten nach dem Master-Slave-Prinzip. Erkennbar am rechten Winkel am Ausgang.

Zweiflankengesteuertes Flip-Flop:
Ein Flip-Flop, das die Eingangszustände während einer Taktflanke aufnimmt und erst bei der folgenden Flanke ausgibt.
Beim Taktflankengesteuerten Flip-Flop wird wiederum die Störanfälligkeit heruntergesetzt.
Die Taktflankensteuerung wird im Schaltzeichen durch das Dreieck gekennzeichnet.
Flip-Flop-Ausgänge, an denen die Eingangszustände verzögert erscheinen, werden retardierte Ausgänge genannt. Solche Flip-Flops arbeiten nach dem Master-Slave-Prinzip. Erkennbar am rechten Winkel am Ausgang.

Kennzeichnung der Eingänge

Die Eingänge von Flip-Flops werden in irgendeiner Weise beeinflusst. Besser gesagt sie werden gesteuert. Diese Steuerung ist abhängig von der Verknüpfungsschaltung, die dem Eingang folgt. Die Abhängigkeit wird durch die Kennzeichnung des Eingangs ausgedrückt. Dem Buchstaben folgt eine 1, wenn der Eingang dominierend ist.

G	UND-Abhängigkeit
V	ODER-Abhängigkeit
C	Steuer-Abhängigkeit (Takt)
S	Setz-Abhängigkeit
R	Rücksetz-Abhängigkeit

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RS-Flip Flop

Das RS-Flipflop ist ein bistabiles Element und ist der Grundbaustein fuer alle FlipFlops in der Digitaltechnik.
Man kann dieses FlipFlop aus zwei NOR oder zwei NAND Bausteinen aufbauen.
Bei einem RS-FlipFlop mit NOR Glieder spricht man von einem 1 aktiven Flip Flop.
Beim RS-FlipFlop mit NAND Gliedern spricht man vom o-aktiven Flip-Flop.

Wichtig: R-S (Reset-Set)-Flip-Flop

Diese Art von Flip Flop wird in der Digitalktechnik haeufig hinter Schaltern oder Tastern geschaltet um den mechanischen Schaltvorgang prellfrei auswerten zu koennen.

Variante 1: RS Flip Flop aus NOR-Verknüpfungen:

Das RS Flip Flop: (Schaltzeichen)

Im Schaltzeichen des SR- oder RS-Flip-Flops werden die Eingänge mit S (setzen) und R (rücksetzen) bezeichnet. Q2 ist zu Q1 negiert.
Bei diesem Schaltzeichen handelt es sich um das Schaltzeichen eines richtigen RS-Flip-Flops.

Das Ersatzschaltzeichen: bzw, aus was das RS FlipFlop besteht:

Ein Flip-Flop wird aus zwei NOR-Vernüpfungen zusammengeschaltet. Diese Grundschaltung nennt man NOR-Flip-Flop. Erst mit dem Vertauschen der Flip-Flop-Ausgänge wird es zum RS-Flip-Flop.
In der Regel sind die beiden Ausgänge (Q1 und Q2) zueinander negiert. Doch weil die Ausgänge gleichzeitig einen L-Pegel ausgeben können, müssen sie immer getrennt betrachtet werden.

Wahrheitstabelle:

Erklärung der Wahrheitstabelle:

Setzen: Bei H-Pegel am S-Eingang wird der Ausgang Q1 auf H-Pegel gesetzt.
Speichern: Führt der S-Eingang L-Pegel, so bleibt der Ausgang Q1 unverändert.
Rücksetzen: Wird der R-Eingang mit H-Pegel beschaltet, wird der Ausgang Q1 auf L-Pegel gesetzt.
Nicht speicherbar: Werden beide Eingänge auf H-Pegel gesetzt, führen beide Ausgänge L-Pegel. Dieser Zustand kann nicht gespeichert werden. In der üblichen Fachliteratur wird dieser Zustand als “unbestimmt” oder “verboten” bezeichnet. Doch die Unbestimmtheit tritt nur dann auf, wenn beide Eingänge nach diesem Zustand gleichzeitig L-Pegel erhalten. Dieser Folgezustand ist “unbestimmt”, weil nicht klar ist, welcher Ausgang H-Pegel führt.
Ein Problem ist es, wenn nach einem H-Pegel an beiden Eingängen ein L-Pegel an beiden Eingängen folgt.

Variante 2:
RS-Flip Flop aus NAND Verknüpfungen:

RS-Flip Flop (schaltzeichen):

Ein RS-Flip-Flop mit NAND-Verknüpfungen erkennt man an den negierten Eingängen.
Im Schaltzeichen werden die Eingänge mit S (setzen) und R (rücksetzen) bezeichnet. Q2 ist zu Q1 negiert.
Bei diesem Schaltzeichen handelt es sich allerdings nicht um ein richtiges RS-Flip-Flop. Es handelt sich eher um das Schaltzeichen eines NAND-Flip-Flops. Erst mit jeweils einer NICHT-Verknüpfung vor den Eingänge wird es zu einem richtigen RS-Flip-Flop. Das bedeutet, erst mit zusätzlicher Beschaltung, von zwei NICHT-Verknüpfungsgliedern wird ein NAND-Flip-Flop zum RS-Flip-Flop.

Rs Flip Flop Ersatzschaltzeichen:

Ein Flip-Flop kann auch aus NAND-Verknüpfungen zusammengeschaltet werden. Diese Grundschaltung nennt man dann NAND-Flip-Flop. Wenn also die NOR-Verknüpfungen durch NAND-Verknüpfungen ersetzt werden, dann erhält man ein RS-Flip-Flop mit negierten Eingängen (siehe Schaltzeichen). Erst dann, wenn vor die Flip-Flop-Eingänge jeweils eine NICHT-Verknüpfung geschaltet wird, wird das Flip-Flop zu einem RS-Flip-Flop.
Dieses wird durch L-Pegel am S-Eingang gesetzt und am R-Eingang rückgesetzt. Der Speicherzustand wird durch H-Pegel an beiden Eingängen hergestellt.
In der Regel sind die beiden Ausgänge (Q1 und Q2) zueinander negiert. Doch weil die Ausgänge gleichzeitig einen L-Pegel ausgeben können, müssen sie immer getrennt betrachtet werden.

RS-Flipflop (reset-set-flipflop)

Laut Wikipedia:

Ein RS-Flipflop (Reset-Set-Flipflop) ist die einfachste Art eines Flipflops. Grundelement dieser Schaltungen ist ein Flipflop ohne Taktsteuerung, wie es in der nachfolgenden Tabelle in der ersten Zeile gezeigt ist. Mit geeigneter Zusatzbeschaltung können daraus sowohl taktpegelgesteuerte RS-Flipflops (asynchrone Schaltungen) als auch taktflankengesteuerte RS-Flipflops generiert werden. Diese RS-Flipflops dienen als Grundschaltungen zum Aufbau komplexerer Flipflops.

Ein RS-Flipflop verfügt über zwei Eingänge, die üblicherweise mit R (reset) und S (set) bezeichnet werden, ggf. ist ein dritter, typischerweise mit C (Clock) bezeichneter Eingang vorhanden, an den ein Taktsignal angelegt werden kann. Mit einem Signal am „Setz“-Eingang, das heißt S = 1 und gleichzeitig R = 0, wird der Ausgang Q des Flipflops auf 1 gesetzt. Aktiviert man hingegen den „Rücksetz“-Eingang (also R = 1 und gleichzeitig S = 0), so wird das Flipflop zurückgesetzt: Am Ausgang Q liegt dann eine logische 0 an. Liegt anschließend an beiden Eingängen eine 0 an, so verharrt das Flipflop in dem zuvor eingestellten Zustand. Besondere Aufmerksamkeit muss dem Eingangszustand gewidmet werden, bei dem sowohl R- als auch S-Eingang aktiv sind (R = S = 1 beim RS-Flipflop aus NOR-Gattern bzw. \bar R = \bar S = 0 beim RS-Flipflop aus NAND-Gattern). Dabei nimmt das zustandgesteuerte Flipflop einen dritten Zustand an, bei dem beide Ausgänge den Zustand 1 annehmen. Oft wird behauptet, dieser Zustand sei instabil, was allerdings nicht stimmt. Er ergibt nur einen logischen Widerspruch und wird deswegen auch “Verbotener Zustand” genannt. Ist das Flipflop taktgesteuert, können Änderungen der Ausgangszustände natürlich nur dann vorgenommen werden, wenn der steuernde Eingang aktiviert ist. Bei taktzustandsgesteuerten Flipflops muss dementsprechend eine 1 am Eingang C anliegen, bei Takt-Flankengesteuerten Flipflop eine geeignete Flanke (steigend oder fallend, je nach Konstruktion). Ein flankengesteuertes RS-Flipflop kann durch (annähernd) gleichzeitiges Takten beider Eingänge ebenfalls in einen undefinierten Zustand gelangen.

Ein Eingang kann jedoch dominierend geschaltet und somit der dritte Zustand vermieden werden. Solche Flipflops werden am dominierenden Eingang mit einer 1 nach dem Buchstaben gekennzeichnet. In der Automatisierungstechnik, beispielsweise bei speicherprogrammierbaren Steuerungen ist die Nutzung der Dominanz verpflichtend, da instabile oder nicht vorhersagbare Zustände hier nicht tolerierbar sind. Die Dominanz wird dabei dadurch sichergestellt, dass der dominante Zustand zeitlich nach dem dominierten programmiert wird und diesen somit überschreibt, so dass zum Synchronisationszeitpunkt das gewünschte dominierende Verhalten gewährleistet ist. Innerhalb von Multitaskingsystemen muss daher die Abarbeitung des Setzens und Rücksetzens gekapselt sein und darf nicht unterbrochen werden. Dominierende RS-Flipflops waren nicht als einzelne Hardwarebausteine erhältlich. Die Dominanz kam nur indirekt dann zum Einsatz, wenn ein komplexer Baustein mit Reset- und Set-Eingängen ausgestattet war. Als symbolisches Einzelelement traten sie erst in Erscheinung, als ihre Funktion durch Programmierung implementiert wurde.
Vergleich zwischen RS-Flipflop und Wippe

Vergleich zwischen RS-Flipflop und Wippe

Die Arbeitsweise eines RS-Flipflops lässt sich grob mit der einer mechanischen Wippe vergleichen (dieser Vergleich motiviert auch die Bezeichnung Kippstufe). Eine Wippe besitzt zwei stabile Zustände: Einerseits, wenn ihr linkes Ende den Boden berührt, andererseits, wenn ihr rechtes Ende auf dem Boden aufliegt. Durch geeigneten Kraftaufwand kann man die Wippe von einem stabilen Zustand in den anderen stabilen Zustand überführen (bei einem Flipflop entspricht dies der Aktivierung der Eingänge, d. h. R = 0,S = 1 bzw. R = 1,S = 0). Lässt die steuernde Kraft nach (entspricht R = 0 und S = 0), so verharrt die Wippe in dem zuvor eingestellten Zustand: Dieser ist damit gleichsam gespeichert. Eine horizontale Ausrichtung der Wippe führt jedoch zu einem metastabilen Zustand (entspricht dem Fall R = 1 und S = 1): Da die Wippe nicht exakt symmetrisch gebaut ist und nicht alle äußeren Störeinflüsse ausgeschaltet werden können, kippt die Wippe nach einer bestimmten Zeit und nimmt einen der beiden stabilen Zustände ein, sobald die steuernde Kraft nachlässt. in der Regel kann nicht vorhergesagt werden, ob ihr linkes Ende oder ihr rechtes Ende in Richtung des Erdbodens kippen wird, da nicht alle Störungen exakt genug bekannt sind. Ein getaktetes Flipflop entspricht dabei einer Wippe, bei der die steuernde Kraft nur während einer durch ein äußeres Taktsignal bestimmten Zeit wirken kann.

In der folgenden Gegenüberstellung ist die erste Ausführung in negativer Logik ausgeführt. Das heißt, dass der Ruhezustand der Eingangssignale durch den 1-Pegel gebildet wird, und der aktive, schaltende Zustand durch 0-Pegel der Eingänge. Das ist durch den Aufbau des Flipflops aus NAND-Gattern bedingt und durchaus auch in der Praxis üblich. Bei der zweiten Ausführung ist den Eingängen praktisch eine zusätzliche Inverterstufe vorgeschaltet, so dass hier wieder in positiver Logik gearbeitet wird.