7.0. Sequentielle oder Folgeschaltungen - Vibratoren - Race-Effekt - Prellen von Schaltern history menue Letztmalig dran rumgefummelt: 25.08.12 17:33:45
Sequentielle Schaltungen besitzen im Gegensatz zur reinen Logikschaltung eine Rückkopplung des Ausganges mit dem Eingang. Damit ist das Signal am Ausgang (respektive den Ausgängen!) nicht mehr nur vom Eingangssignal abhängig, sondern auch vom aktuellen Zustand des Ausganges vor Eintritt eines steuernden Ereignisses.
1. Grundsätzliches zu sequentiellen Schaltungen
2. Multivibratorschaltungen
3. Race-Effekte
4. Taktung sequentieller Schaltungen
5. FlipFlop-Stufen - Trigger
6. Prellen von Schaltern
7. Verwandte Themen

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FlipFlop oder Sequentielle oder Folgeschaltungs-Logo

inhaltlich auf korrektem Stand - evtl. partiell unvollständig ;-)

Wissen für Fortgeschrittene der Informatik

Sequentielle Schaltungen realisieren Speicherzustände! Das Signal an den Ausgängen folgt immer der Signalbelegung am Eingang. Der Informationsfluss geht vom Eingang zum Ausgang und umgekehrt. Dabei wirkt das Ausgangssignal auf das Eingangssignal zurück und der zeitlich vorangegangene Zustand der Schaltung spielt eine wesentliche  Rolle - er fließt in das neue Signalverhalten der Schaltung mit ein.
Ein- und Ausgangssignale können nur 0 oder 1 sein, wobei Ausgänge nicht parallel geschalten werden dürfen - es sei denn, sie weisen ein Tri-State-Schaltverhalten auf (Ausnahme).
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auch sequentielle Schaltungen gehorchen in sich der Logik - jedoch muss das Eingangssignal nicht erhalten bleiben, um ein Ausgangssignal zu generieren
Trigger steht für Schalter mit Merkeigenschaften (kurzes Signal schaltet!)

1. Grundsätzliches zu sequentiellen Schaltungen history menue scroll up
Sequentiell heißt folgend - gemeint ist mit folgend ein zeitlicher Zustand, welcher nicht mehr allein von der Logik des Eingangssignales abhängig ist, sondern eben auch von Zustand "vor" einem Ereignis.

Rückkopplungsstufe FLIP-FLOP

Allgemeine einfachste Form einer Kippstufe mit Rückführung

Signallaufverhalten bei Rückkopplung des Ausgangs auf den Eingang

  • das L-Potential am Eingang wird zu "H" negiert
  • wird wieder an den Eingang gelegt
  • das Ganze fängt an, mit der maximal möglichen Eigenfrequenz zu schwingen und erreicht dabei phantastische Werte
  • so lockere 200 MHz sind für Standard-TTL machbare Werte
  • die Frequenz dieser Eigenschwingung ist technologieabhängig (hier erreichen Standard-TTL die höchsten Werte) und sie differieren von Bauelement zu Bauelement erheblich - mal so lockere 40 MHz sind da durchaus Spielraum
  • wenn nun das Erreichen des Impulses auf dem Weg vom Ausgang zum Eingang verzögert wird, kann der Vorgang verlangsamt werden
  • eine Möglichkeit, dies zu bewerkstelligen, ist ein Kondensator

  • wird nun auch noch das Umladen des Kondensator verzögert, fällt die Kippfrequenz noch weiter
  • eine Möglichkeit, dies zu bewerkstelligen, ist ein Widerstand in Reihe zum Kondensator

Vibratoren können je nach Rahmenbeschaltung als Monostabile, Bistabile oder Astabile Baugruppen ausgeführt werden. Sie werden auch als Trigger, Kippstufen oder FlipFlop bezeichnet. Vielfach sind sie getaktet - und das Taktverhalten kann prinzipiell so beschrieben werden:

Taktsignalverhalten an Zähler, Registern und FlipFlop-Stufen

FLIPFLOP-Stufen
nicht taktgesteuert Taktgesteuert (getaktet)
Speicher FlipFlop

Klasse 1

Auffang FlipFlop

Klasse 2

Zähl-FlipFlop

Klasse 3

FlipFlop Taktzustandgesteuerte FF einflankengesteuert zweiflankengesteuert

(Master-Slave)


2. Multivibratorschaltungen history menue scroll up
 
Astabile Multivibratoren
Bistabile Mulivibratoren
 

3. Race-Effekt - history menue scroll up
Das Signal "rast" im Falle der direkten Taktung aller FF-Stufen direkt durch, d. h. es wird gar nicht in allen Stufen physisch festgehalten (was aber pro Takt durchaus erwünscht ist). Wiederum wird zur Taktung extrem großer Anzahlen von Kippstufen nach Logiken gesucht, welche ein System Schnell machen.
ein RACE-Impuls passiert also ohne Zusatzbeschaltung zur gesteuerten Zeitverzögerung faktisch "rasend" auch ein Register mit großer Anzahl von Kippstufen
RACE-Verhalten ist in Folgeschaltungen extrem unerwünscht - 's ist ja gerade Prinzip, dass ich mit dem Eintreffen jeden Impulses ein "Folgesignal" erzeugen kann!!!

4. Taktung sequentieller Schaltungen history menue scroll up

Die Taktung elektronischer Schaltungen gestattet nun, neben der Logik auch Folgen von logischen Zuständen der Reihe nach abzuarbeiten - sie ist Prinzip für jeden kleinen elektronischen Baustein geworden, welcher irgendeinen Vorgang schritweise ablaufen lassen soll.
entscheidend für einen Vorgang ist, wann welche Flanke des Taktimpulses am Eingang eintrifft
Takte werden immer ideal angenommen - sind in der Praxis aber alles andere als ideal
um die Steilheit der Flanken zu erhöhen sowie Spikes auf den Flanken zu vermindern, werden Zusatzbeschaltungen notwendig

ideales und reales Taktzustandsdiagramm

Taktdiagramm ideal

Taktdiagramm Clock-Point

Taktdiagramm real


5. FlipFlop-Stufen - Trigger - Wirkprinzip des Grund-FF history menue scroll up
Flipflops sind neben Gattern die wichtigsten Grundelemente digitaler Schaltungen. Sie sind die Grundbausteine von Speichern, Zählern, Schieberegistern und Frequenzteilern. Ihre wesentliche Eigenschaft ist, dass sie ein Bit beliebig lange (d. h. so lange die Betriebsspannung anliegt) speichern können, und dass der Speicherinhalt ständig als Ausgangspegel zur Verfügung steht. Ein Flipflop ist eine bistabile Schaltung mit zwei statisch stabilen Zuständen, die durch Eingangssignale auf einen gewünschten Zustand einstellbar ist.

In der einfachsten Ausführung lässt sich ein Flipflop (FF) aus zwei NOR- oder NAND-Gattern aufbauen (RS-FF in Tafel 5.5). Führt man dem Setzeingang (S-Eingang) dieses „Grund-Flipflops" 1-Signal zu, so kippt der Flipflop in die stabile Lage Q = 1. Legt man an den Rücksetzeingang (R-Eingang) 1-Signal, so wird der Flipflop rückgesetzt („gelöscht"), d. h., es wird Q = 0.
Die Schaltung ist in beiden Lagen statisch stabil, denn der jeweils in Stellung „1" befindliche Ausgang hält infolge der Kreuzkopplung beider Gatter den anderen Ausgang auf 0-Signal. Man beachte den Unterschied zwischen einem NOR-Flipflop (Grundflipflop aus zwei NOR-Gattern) und einem NAND-Flipflop! Damit die Schaltbelegungstabelle des RS-Flipflops sowohl für den NOR= als auch für den NAND-Flipflop gilt, müssen dem NAND-Flipflop die Eingangssignale R und S zugeführt werden. Wie wir leicht nachprüfen können, bewirkt beispielsweise das Eingangssignal S = 0, dass der Ausgang des RS-Flipflops auf Q = 1 kippt. In entsprechender Weise bringt R = 0 den Flipflop-Ausgang auf Q = 1. Die Schaltung des einfachen NOR-Grund-Flipflops stellt einen zweistufigen gleichspannungsgekoppelten Verstärker mit Rückkopplung (Mitkopplung) dar (Bild 5.10). Die Übertragungskennlinie bei geöffnetem Schalter zeigt nichtinvertierendes Verhalten. Wird der Schalter S geschlossen, so gilt US = UE, (gestrichelte Gerade im Bild 5.10b). Da beide Kennlinien im Bild 5.10b gültig sind, können sich statisch nur Arbeitspunkte einstellen, in denen sich beide Kennlinien schneiden. Der Arbeitspunkt C ist instabil, denn bei einer geringen UE-Erhöhung würde eine größere U,,-Änderung auftreten, als es der gestrichelten Geraden entspricht. Das führt zu einer weiteren UE-Erhöhung und schließlich zum Umkippen in den stabilen Arbeitspunkt B. In gleicher Weise lässt sich zeigen, dass der Arbeitspunkt A stabil ist.

zwei Rückgekoppelte Verstärker bilden ein FlipFlop

Das zum Setzen bzw. Rücksetzen des Flipflops benötigte Signal braucht nur kurzzeitig am S- bzw. R-Eingang anzuliegen, denn `die Umkippzeit typischer Flipflops beträgt 10 ... einige 100 ns. Nachdem der Flipflop in die Lage Q = 1 gekippt ist, haben weitere 1-Signale am S-Eingang keinen Einfluss auf den Zustand der Schaltung. Diese Eigenschaft lässt sich zur Unterdrückung von Schalterprellungen beim Übergang von mechanischen auf elektronische Einheiten ausnutzen. Die Schaltung im Bild 5.11 bewirkt, dass sich der Flipflop-Ausgang beim erstmaligen Schließen des Schalters auf das gewünschte Logiksignal einstellt, und anschließende Prellungen am Ausgang unwirksam bleiben.
Bei den hier besprochenen RS-Flipflops ist die Signalkombination R = S = 1 nicht zulässig, denn sie würde beide Ausgänge auf „0" bringen, und nach dem Signalwechsel an R = S würde der Flipflop eine undefinierte Lage einnehmen. Wenn sich die Kombination R = S = 1 nicht vermeiden lässt, muß ein JK-Flipflop eingesetzt werden. Bei ihm ist diese Kombination zulässig.
Hauptanwendung von RS-Grund-Flipflops ist die Realisierung von Speicherelementen (Latch). So lange R = S = 0 bleibt, speichert der Flipflop den vorher eingespeicherten logischen Zustand, d. h., er speichert ein Bit.

gangsfrequenz fa, wobei m die an den Dateneingängen DA ...DD BCD-codiert (Bild 4.116) eingestellte Zahl ist. Der gewünschte Teilerfaktor kann daher, wie im Bild 4.147 gezeigt, mit einem 4poligen Stufenschalter programmiert werden; mit S1a...Sld läßt sich das Teilerverhältnis jederzeit umschalten. Für anzeigende Zählstufen eignet sich diese Schaltung nicht, da sie den Zählumfang am Anfang (bei 0 beginnend) verkürzt und die an den Q-Ausgängen auftretenden BCD-codierten Zahlen daher nicht mit der Zahl der Zählschritte identisch sind. Nachteilig ist unter Umständen auch, dass der Zählerstand 0 (alle Q-Ausgänge L) kurzzeitig (20...60ns, je nach Cl und den IS-Exemplardaten) an den Q-Ausgängen auftritt - auch wegen dieser »Spikes« können die Q-Ausgangssignale nicht ohne weiteres weiterverarbeitet werden; ein weiterer Nachteil ist die Reduzierung der maximalen Zählfrequenz unter die (sonst mit D 192, D 193 möglichen) etwa 25 MHz. 
Dagegen hat die Schaltung nach Bild 4.147 den entscheidenden Vorteil, dass auf den Zuleitungen zum Programmierschalter S1a...Sld nur Gleichstrom fließt, so dass Montage und Leitungsführung auch über eine größere Entfernung problemlos sind. Deshalb und wegen des relativ geringen Aufwands an zusätzlichen Gattern eignet sich diese Schaltung insbesondere auch für längere Teilerketten mit beliebig wählbaren Teilverhältnissen z. B. in Frequenzsynthesizern aller Art sehr gut. Der Reset-Eingang R sollte dabei nicht für Steuerungszwecke benutzt werden, da ein Nullstellen über R zu einem - bei fehlendem f, -Takt bleibenden - »verbotenen« Zustand »0« führt und demzufolge beim Anlaufen der Teilerkette zunächst einen falschen Teilerfaktor ergeben würde. Der Teiler kann bei Bedarf mit dem zweiten Eingang von D1 in definierter Anfangsstellung (Bild 4.147) gehalten werden, womit der Zähler die mit S1 vorgegebene Stellung einnimmt und, solange L-Pegel am zweiten Eingang von D1 anliegt, diese Stellung beibehält (f,-Impulse treten dabei -nicht auf).

Getaktetes FlipFlop


6. Prellen von Schaltern und Gegenmaßnahmen history menue scroll up

Prellen bedeutet das ungewollte mehrfache Öffnen und Schließen von Kontakten beim Betätigen eines mechanischen Schalters. Bedingt durch den Übergangs- oder Abrissfunken werden logische Gatter mehrfach mit entsprechenden Pegelwechseln angesteuert und Zählschaltungen lösen folgerichtig mehrfach aus.

Logo zum elektrischen Prellen

einfachstes Konzept für Entprellen von Kontakten mittels TTL-Logik - für andere Fertigungstechnologien, wie z. B. CMOS ändern sich die Widerstandswerte zum hochohmigen ;-)

zwei Rückgekoppelte Verstärker bilden ein FlipFlop

Prellfreies Schalten in der Praxis

Wie schon in Abschnitt 3.1.7. (dort für MOS-Technik) erläutert, haben mechanische Schalter die Eigenschaft zu prellen, also kurzzeitig mehrmals Kontakt zu geben. Es ist daher auch bei TTL-Schaltungen nicht möglich, ohne besondere Vorkehrungen mit Taste, Schalter oder Relais einen definierten. Schaltimpuls zu erzeugen. Bei Schaltungen; die auf einen solchen Impuls hin eine definierte Stellung einnehmen und auf weitere Impulse dann nicht mehr reagieren, etwa Setz- und Rücksetzeingänge von FF oder Starteingänge von Monoflop (die allerdings bei Öffnen des Startkontakts, wenn inzwischen die Haltezeit abgelaufen ist; zu erneutem Auslösen neigen!), ist ein Prellschutz nicht unbedingt erforderlich, jedoch in allen anderen Fällen. Einige Möglichkeiten zum prellfreien Schalten, zwischen denen man je nach Anwendungszweck (und Schaltfrequenz) wählen kann, zeigt, Bild 4.45. Am. einfachsten gelingt, dies mit einem RS-FF (Bild 4.45a und Abschnitt 4.1.4.1.). Er erfordert jedoch als mechanischen Kontakt S einen Umschalter. Allerdings kann, wenn die Zuleitungen zu S lang und nicht abgeschirmt sind, auch diese Schaltung noch störempfindlich, sein. Der, jeweils auf H liegende Eingang des FF kann durch (z. B. kapazitiv eingestreute) kurze Störimpulse kurzzeitig L-Potential annehmen, womit für die Störimpulsdauer zumindest der zugehörige Ausgang H-Pegel annimmt, d. h., es ist dann A = A =- H. Völlig vermeiden lassen sich derartige Störungen wenn die Eingänge mit RC-Gliedern geschützt und positiv vorgespannt werden (Bild 4.45b). Schalter S lässt sich so über lange, unkritische Zuleitungen anschließen. Ist S ein Relaiskontakt mit hoher Schaltfrequenz, können die Kondensatoren auf 5 µF verringert werden, die maximale Schaltfrequenz für S beträgt dann 100 Hz. Mit je 50 µF werden auch mäßige, netzfrequente Störungen noch eliminiert, die dabei mögliche Schaltfrequenz von mindestens 10Hz reicht für Handbetätigung noch völlig aus. An den Ausgängen steht ein TTL-gerechtes Signal.
Oft wird S nur als einfacher Arbeitskontakt vorgegeben sein, so, dass der Einsatz eines RS-FF nicht möglich ist. Man verwendet dann eine Verzögerungsschaltung; die, um TTL-gerechte steile Schaltsignalflanken zu erhalten, mit einem Trigger (nach Bild 4.2) kombiniert ist. Bild 4.45c zeigt diese Ausführung. Ist S geschlossen, so geht A nach L-Pegel. Auch der Miller-Integrator (Bild 4.41) lässt sich verwenden. Ihm muss jedoch mindestens ein zweites Gatter als Impulsformer nachgeschaltet sein (Bild 4.454). Wird C mit 1...5
µF (jedoch nicht größer als zur Unterdrückung des Kontaktprellens im jeweiligen Fall nötig!) gewählt, so genügt das nachgeschaltete Gatter, um am Ausgang A noch ausreichend steile Flanken für nachfolgende TTL-Gatter (LH-Flankenanstiegszeit bei A immerhin etwa 0,5 ms!) zu erzielen. Da auch der zu S führende Gattereingang relativ störempfindlich ist, ist diese einfache Integratorstufe alles in allem ungünstiger als die Triggervariante nach Bild 4.45e. Eine sehr gute Lösung, die jeder Gegebenheit exakt angepasst werden kann, ergibt sich aber bei der Kombination zweier Integratoren mit einem Trigger nach Bild 4.42. Ist E in Bild :4.42 vorsorglich noch mit einer Eingangsschutzbeschaltung nach Bild 1.30a versehen, so erhält man einen mit Kontakt über lange Leitung steuerbaren und weitgehend überlast- und störsicheren Eingang. Der Amateur wird im allgemeinen entweder Bild 4.45a oder (wenn vorhandene Kontakte dazu zwingen) Bild 4.45c anwenden.

technisch realisierbare Möglichkeiten zum prellfreien Schalten


7. Verwandte Themen history menue scroll up
Das es den Ausgang schon lange nicht mehr interessiert, was am Eingang eigentlich los ist, stellt ein altes Problem der Informatik dar. Schließlich soll der Prozessor gerade seine Bahn ziehen und sich um seine Rechenprozesse kümmern. Wer aber hat die bereits ermittelten Zwischenresultate oder gar Zielwerte im Auge? Richtig - irgend etwas muss sich auch Werte merken können - das ist dann der Bereich der Fangregister und ihrer engen Verwandten - dies gilt bis hin zur Rechner-Peripherie.

Fangregister

Zweistrahl-Oszilloskop UTD1925C von Reichelt-Electronic im Jahr 2012

Doku zum OSZIFOX der Firma Wittig-Elektronik

Win XP-Software für OSZIFOX

Grundsätzlicher PIO-Aufbau

   


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© Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha © Frank Rost im April 1999

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehemn ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

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