7.0. Sequentielle oder Folgeschaltungen - Vibratoren - Race-Effekt - Prellen von Schaltern |
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Letztmalig dran rumgefummelt: 25.08.12 17:33:45 |
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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. | ||||||
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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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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. |
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auch sequentielle Schaltungen gehorchen in sich der Logik - jedoch muss das Eingangssignal nicht erhalten bleiben, um ein Ausgangssignal zu generieren | ||||||
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Trigger
steht für Schalter mit Merkeigenschaften (kurzes Signal schaltet!) |
1. Grundsätzliches zu sequentiellen Schaltungen |
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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. | ||
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Rückkopplungsstufe FLIP-FLOP |
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![]() Signallaufverhalten bei Rückkopplung des Ausgangs auf den Eingang |
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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 |
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FlipFlop | Taktzustandgesteuerte FF | einflankengesteuert | zweiflankengesteuert
(Master-Slave) |
2. Multivibratorschaltungen |
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Astabile Multivibratoren |
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Bistabile Mulivibratoren |
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3. Race-Effekt - |
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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. |
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ein RACE-Impuls passiert also ohne Zusatzbeschaltung zur gesteuerten Zeitverzögerung faktisch "rasend" auch ein Register mit großer Anzahl von Kippstufen |
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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 |
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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. | ||
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entscheidend für einen Vorgang ist, wann welche Flanke des Taktimpulses am Eingang eintrifft | ||
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Takte werden immer ideal angenommen - sind in der Praxis aber alles andere als ideal | ||
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um die Steilheit der Flanken zu erhöhen sowie Spikes auf den Flanken zu vermindern, werden Zusatzbeschaltungen notwendig | ||
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5. FlipFlop-Stufen - Trigger - Wirkprinzip des Grund-FF |
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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. |
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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. |
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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. |
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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. |
6. Prellen von Schaltern und Gegenmaßnahmen |
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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. |
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einfachstes Konzept für Entprellen von Kontakten mittels TTL-Logik - für andere Fertigungstechnologien, wie z. B. CMOS ändern sich die Widerstandswerte zum hochohmigen ;-) |
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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. technisch realisierbare Möglichkeiten zum prellfreien Schalten |
7. Verwandte Themen |
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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. | ||||||
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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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