Flipflops für Dummies – Teil 1

Für Dummies

Wem die Brick’R’knowledge Blog Post Serie „für Dummies“ bisher gefallen hat, ist hier genau richtig! Ich schreibe heute (wie immer) als blutige Anfängerin, dieses Mal aber zum Thema Flipflops bzw. Logik. Wir werden uns zu diesem Thema 3 verschiedene Flipflops genauer ansehen: RS-Flipflop, D-Flipflop und JK-Flipflop. Da das Thema Logik doch ein wenig komplexer ist, empfehle ich, zuerst die beiden Logik Blog Posts zu lesen, welche die Grundgatter beschreiben. Nächste Woche gibt es übrigens die Fortsetzung „Flipflops für Dummies Teil 2“.

Der Versuch, ein abstraktes Verhalten praktisch zu erklären

Wenn ich gefragt werde, was der Unterschied zwischen einem einfachen alleinstehenden Logik Gatter und einem Flipflop ist, sage ich meistens „Ein Flipflop hat eine Vergangenheit.“ Ob das nun elektrotechnisch, didaktisch richtig ist, sei dahingestellt. Ich meine damit, dass man beim Betätigen eines Tasters, welcher beispielsweise mit dem Eingang eines AND Gatters verbunden ist, genau weiß was passiert, selbst wenn man den vorherigen Zustand nicht kennt. Der Unterschied beim Flipflop ist also, dass es sich den vorherigen Zustand gemerkt hat und nicht wieder in einen Anfangszustand zurück springt. Wenn ich also Taster 1, welcher mit dem Eingang eines Flipflops verbunden ist, drücke, kann ich nicht sagen, was passiert (beispielswiese LED 1 leuchtet auf, LED 1 geht aus, LED 1 bleibt leuchten oder LED 1 bleibt aus), wenn ich den vorherigen Zustand nicht kenne. Ein Flipflop kann also 1 Bit speichern: Soll auf gut deutsch heißen, es kann sich entweder „1“ oder „0“ merken. Relativ üblich ist das Beispiel einer Wippe: Die Wippe kann mit dem linken oder mit dem rechten Ende am Boden stehen, aber (unter normalen Umständen) niemals in horizontaler Lage, da immer irgendein Windhauch kommt, der diesen „metastabilen“ Zustand zerstört. Beim Flipflop ist das dann natürlich kein Windhauch, sondern ein kleiner Unterschied in der Bauart o.Ä. Wenn nun das rechte Ende der Wippe bereits auf dem Boden steht und ich weiterhin versuche, es herunterzudrücken, passiert keine Änderung, da der Zustand bereit gespeichert ist. Es passiert lediglich eine Änderung, wenn ich das linke Ende der Wippe nach unten drücke.

Taktflankengesteuert am Beispiel einer Gartenbeleuchtung

Da wir von den anderen Blog Posts bisher wissen, dass es in der Elektronik nie besonders einfach ist, wird es nun komplizierter. Nehmen wir an, unser Flipflop hat zwei Eingänge und zwei Ausgänge. Wir nennen unsere zwei Eingänge x und y und unsere Ausgänge Q und /Q. Beim RS Flipflop wird jede Information beim einfachen Betätigen eines Tasters direkt weitergegeben. Nun gibt es aber auch zustands- und flankengesteuerte Flipflops. Hier ein nicht besonders kreatives Beispiel: Du und dein Mitbewohner habt eine Gartenbeleuchtung. Diese Gartenbeleuchtung wird mit Solarstrom versorgt. Im Wohnzimmer habt ihr einen Taster, mit dem ihr die Gartenbeleuchtung an- und ausschalten könnt, denn die Beleuchtung benötigt ihr logischerweise nur am Abend. Bis jetzt wäre es eine Beschreibung für ein RS-Flipflop. Nun ist es aber so, dass ihr nur im Sommer bei sehr guter Sonneneinstrahlung Strom für eure Gartenbeleuchtung produzieren könnt. Also gibt es noch einen zweiten Taster, mit dem ihr bestimmen könnt, ob die Beleuchtung überhaupt aktiv sein soll. Das heißt, wenn dieser Taster im Winter ausgeschalten ist, könnt ihr am „Tag/Abend“ Schalter so viel herumdrücken, wie ihr wollt, aber die Beleuchtung wird nicht angehen. Ohne den vorgeschalteten „Sommer/Winter Taster“ passiert also erstmal nichts, unabhängig davon, ob der „Tag/Abend Schalter“ betätigt wird. Übertragen auf ein einflankengesteuertes Flipflop heißt das: Wenn am Takteingang keine Änderung des Zustands passiert, hat das Betätigen der Taster x oder y keine Auswirkungen. Ein zustandsgesteuertes Flipflop reagiert nicht bei der  Änderung am Takteingang, sondern einfach, wenn dort ein bestimmter Signalpegel anliegt. Eine letzte Besonderheit zum Schluss: Beim zweiflankengesteuerten Flipflop nimmt der Takteingang erstmal die Information wahr, zum Beispiel „1“ und gibt diese bei der nächsten Änderung des Singalpegels erst weiter. Beim einflankengesteuerten Flipflop passiert dies in einem Zug.

Für Definitionsfreunde

Alles, was wir gerade gelernt haben, kann man natürlich auch schöner ausdrücken. Hier findet ihr die Definitionen der einzelnen Flipflops:

1. Nicht taktflankengesteuerte Flipflops:
   Flipflops ohne Takteingang sind vollständig taktunabhängig. Ihre Setz- und Rücksetzeingänge (S und R) lassen sich jederzeit ansprechen.

2. Zustandsgesteuerte Flipflops:
   Die Setz- und Rücksetzeingänge (1S und 1R) eines zustandsgesteuerten Flipflops sind nur wirksam, solange am Takteingang (C1) ein Signalpegel anliegt.

3. Einflankengesteuerte Flipflops:
   Beim einflankengesteuerten Flipflop ist der Setz- und Rücksetzeingang (1S und 1R) nur bei Änderung der Flanke am Takteingang C1 wirksam. Die Störanfälligkeit wird heruntergesetzt. Die Taktflankensteuerung wird im Schaltzeichen durch das Dreieck gekennzeichnet.

4. Zweiflankengesteuerte Flipflops:
   Das zweiflankengesteuerte Flipflop nimmt während der ersten Taktflanke die Eingangszustände auf und gibt diese mit der folgenden Taktflanke aus. Die Störanfälligkeit wird minimiert. Die Taktflankensteuerung wird im Schaltzeichen durch das Dreieck gekennzeichnet.

Flipflops, deren Eingangszustände verzögert am Ausgang erscheinen, werden auch Master-Slave-Flipflops genannt. Im Schaltsymbol ist dies am rechten Winkel am Ausgang erkennbar. Ein bekannter Vertreter dieses Typs ist das sogenannte JK-Master-Slave-Flipflop.

Nächstes Mal

Im nächsten Blog Post sehen wir uns den RS-Flipflop, den D-Flipflop und den JK-Flipflop genauer an und nähern uns dem Thema Schieberegister.