Zweistufige Flipflops

Zweistufige Flipflops

Bei den bisher betrachteten Flipflops sind die Eingangssignale während des aktiven Taktzustands wirksam. Für dessen Dauer sind die Eingänge mit den Ausgängen direkt verbunden, d.h. eine Änderung der Werte der Eingangsvariablen verursacht unmittelbar eine Änderung der Ausgänge. Wenn man nun mehrere Flipflops dieser Art (wie bei Zählern oder Schieberegistern)hinntereinanderschaltet und sie synchron ansteuert, so wird das Signal am Eingang des ersten Flipflops „durchrutschen“, d.h. für die Dauer des aktiven Taktzustands wären alle Flipflops im gleichen Zustand. Um dies zu vermeiden, muss ein peicherelement konstruiert werden, das die an seinen Vorbereitungseingängen anliegende neue Information schon übernehmen und dennoch an seinen Ausgängen die gespeicherte alte Information für eine wählbare Zeitspanne bereithalten kann. Dies wird durch zweistufige Flipflops, d.h. Flipflops mit zwei Speichern möglich, bei denen zwei zustandsgetaktete Flipflops hintergeschaltet sind, welche im Gegentakt arbeiten:

zweistufiges RS-Master-Slave-Flipflop

Schaltung eines RS-MS-FF

Entscheidend für die Funktionsweise ist die Tatsache, dass die beiden getakteten RS-Flipflops durch den Inverter in der Taktleitung im „Gegentakt“ arbeiten. Wenn das eine Grundflipflop Werte übernehmen kann, ist das andere gesperrt. Das erste Flipflop nennt man Master, das zwei- te Slave. Diese Bezeichnung ist darauf zurückzuführen, dass das zweite Flipflop stets vom ersten abhängt und dessen Werte übernimmt.
Liegt der Takt auf 0, so ist das Master-Flipflop gesperrt. Das Slave-Flipflop hat dann den Takt 1 und übernimmt damit die Werte des Master-Flipflops. Da diese aber stabil sind, bleiben auch die Ausgänge stabil. Wenn der Takt auf 1 wechselt, werden die Tore zum Master-Flipflop geöffnet und die anliegenden Eingangszustände werden übernommen.
Da der Ausgang eines jeden Schaltgatters erst nach einer gewissen Verzögerungszeit auf eine Änderung am Eingang reagiert, liegen die Ausgangssignale am Master-Flipflop wegen der grö- ßeren Zahl der zu durchlaufenden Gatter später vor als das Takt-Signal am Ausgang des Inver- ters in der Taktleitung. Somit wird das Slave-Flipflop gesperrt, bevor es durch die veränderten Werte des Masters beeinflusst werden kann. Erst wenn der Takt wieder auf 0 abfällt, übernimmt das Slave-Flipflop die Werte des Masters und stellt sie am Ausgang zur Verfügung. Das obige RS-Master-Slave-Flipflop reagiert somit auf fallende Taktflanken, d.h. auf den Zustandswech- sel des Taktes C = 1 auf C = 0. Man sagt, es ist „negativ flankengesteuert“. Es gibt auch positiv flankengesteuerte Master-Slave-Flipflops.
Die schleusenartige Hintereinanderschaltung zweier Flipflops zu einem Speicherelement ermög- licht es also, während der Ausgabe der Information durch das Slave-Flipflop, im Master-Flipflop bereits eine neue Information aufzunehmen, ohne dass sich dadurch die Information am Ausgang ändert. Diese Eigenschaft ist für den Aufbau von Schieberegistern von besonderer Bedeutung.

JK-Master-Slave-Flipflop

Auch das RS-Master-Slave-Flipflop hat noch die unschöne Eigenschaft, dass die Eingangskombination S=R=1 vermieden werden muss. Durch den folgenden Aufbau kann dies verhindert werden:

JK-Master-Slave-Flipflop

Das sogenannte JK-Master-Slave-Flipflop (JK-MS-FF) entsteht aus dem RS-MS-Flipflop durch Rückkopplung des Ausgangs Q auf den Master-Eingang S und des Ausgangs Q auf den Ma- ster-Eingang R. Dadurch wird die unzulässige Belegung R = S = 1 vermieden, denn es muss stets R ∧ S = 0 gelten. Für J = K = 1 ändert das Flipflop seinen Zustand. Es ist das bei der Realisie- rung von Schaltwerken am häufigsten eingesetzte Flipflop.

JK-MS-FF mit statischen Setz- und Rücksetzeingängen

In der Praxis werden JK-Master-Slave-Flipflops hergestellt, die noch zusätzlich statische R- und S-Eingänge haben, mit denen ohne Taktimpuls gewünschte Anfangswerte eingeschrieben wer- den können. Damit diese Eingänge Vorrang haben, wird durch das Einschreibe-Signal der Tak- teingang gesperrt. Die folgende Abbildung zeigt die erweiterte Schaltung aufgebaut aus ein- fachen Gattern.

JK-MS-FF mit statischen Setz- und Rücksetzeingängen

Bei den bisher beschriebenen Flipflops sind die Eingangsvariablen, die vom Taktsignal C ab- hängen, solange wirksam, wie C = 1 ist. Damit ein solches Flipflop den erwünschten Zustand einnimmt und beibehält, dürfen sich die Werte der Eingangsvariablen solange C den Wert 1 hat, nicht ändern, und es dürfen während dieser Zeitspanne keine Störsignale auftreten. Um diesen Nachteil taktzustandsgesteuerter Flipflops zu beseitigen, entwirft man Schaltungen, die nicht da- rauf reagieren, ob der Takteingang im Zustand 1 oder 0 ist, sondern die den Zustandswechsel des Takteingangs erkennen. Ein solcher Eingang heißt Trigger-Eingang (engl.: trigger = Auslöser). Bei Flipflops mit Taktflankensteuerung werden die Eingangsvariablen nur dann wirksam, wenn das Taktsignal von 0 auf 1 (steigende Taktflanke) oder von 1 auf 0 (fallende Taktflanke) wechselt.

Um das obige Flipflop in ein flankengesteuertes FF umzuwandeln, müssen wir jetzt nur noch da- für sorgen, dass die Eingangsinformation nur bei ansteigender oder abfallender Taktflanke in den Master übernommen werden kann. Wir erreichen das, indem wir die Tore zum Master mit einem Impuls nur kurzzeitig öffnen, und zwar im Moment des Taktflankenanstiegs. Der Impuls muss allerdings so lang sein, dass ein sicheres Schalten des Mastes gewährleistet ist. Wenn wir eine Impulserzeugungsschaltung nach folgender Abbildung in die Taktleitung zum Master legen, ist das Flipflop zweiflankengesteuert und damit gegen Störimpulse weitestgehend gesichert.



Impulserzeugung für ein taktflankengesteuertes MS-FF