Schaltwerke

Unterscheidung von Schaltnetz und Schaltwerk

In allen bisher betrachteten Schaltungen waren die Werte der Funktionen eindeutig abhängig von den augenblicklichen Werten der Variablen. Bei diesem Typ von Schaltungen spricht man von einem Schaltnetz.

Bei der Betrachtung des Volladdierers trat ein Übertrag ü auf, der bei der nachfolgenden Stellenaddition einer mehrstelligen Dualzahl mit berücksichtigt werden musste. Damit dies erfolgen kann, muss der Übertrag zwischengespeichert werden:

Addierer mit Speicher, Schema

Wie aus der Abbildung1) zu ersehen ist, wird der Übertrag ü über einen Speicher als Verzögerungseinheit auf den Eingang des Volladdierers rückgekoppelt. D.h. die Funktionen s und ü hängen sowohl von den Augenblickswerten der Variablen a und b ab als auch von den zwischengespeicherten Wert der Variablen c, der bei der vorangegangenen Stellenwertaddition in den Speicher eingeschrieben wurde. Man nennt Schaltungen, die sowohl Momentanwerte der Variablen (z.B. a, b) als auch zwischengespeicherte Werte von Variablen (z.B. c) bei der Verarbeitung berücksichtigen, Schaltwerke.

Definition Schaltwerk

Ein Schaltwerk ist also ein Schaltnetz mit einem oder mehreren Speichern als Verzögerungsglied. Die Länge der Speicherzeit bestimmt ein Taktgeber, der also z.B. dafür sorgt, dass die Summen der einzelnen Stellenwerte erst dann gebildet werden, wenn der Übertrag von der vorhergehenden Stelle angekommen ist. Ein schematische Darstellung eines Schaltwerks gibt die folgende Abbildung wieder:

Schaltwerk, Schema

ei' = zwischengespeicherter Werte am Eingang des Schaltnetzes

ai = augenblickliche Werte am Ausgang des Schaltnetzes

ai' = Werte am Ausgang des Schaltnetzes, die zwischengespeichert werden

ei = augenblickliche Werte am Eingang des Schaltnetzes

Flipflop

Wie schon beschrieben, dienen Speicher als Verzögerungselemente in einem Schaltwerk. Technisch realisiert werden solche Speicher durch sogenannte Flipflops, die sich durch zwei stabile Zustände, denen die Werte „0“ und „1“ zugeordnet werden, auszeichnen. Welcher Wert von dem Flipflop gespeichert wird, hängt von den an den Eingängen des Flipflops anliegenden Werten ab.

Wie wir schon am Beispiel des Volladdierers beschrieben haben, müssen Informationen zu bestimmten Zeitpunkten, den Takten, übertragen werden. Die Übertragung hängt meist von bestimmten Bedingungen ab. Zur Steuerung eines Schaltwerks gehört deshalb ein Taktgeber, der durch Taktimpulse die Informationsverarbeitung steuert.

RS- und RST-Flipflop

RS-Flipflop Eine einfache Schaltung, die als Speicher für ein Bit dienen kann und auf den Ausgangszustand zurückgesetzt werden kann ist das RS-Flipflop, hier aus NOR-Gattern aufgebaut:

Bei dieser Schaltung müssen jedoch „Setzen“ und „Rücksetzen“ manuell ausgeführt werden. Damit ist der Aufbau eines Registers (s.u.), also der Zusammenschluss mehrere Speichereinheiten und die dann notwendige synchronisierte Verarbeitung von Eingaben noch nicht ohne weiteres möglich. Daher wird die obige Schaltung durch einen Takt-Eingang ergänzt: RST-Flipflop

Hier bleibt jedoch noch das Problem, das die Signaländerungen bei Taktwechsel sich direkt auf die Ausgänge auswirken würden - damit würde ein Register bei Taktwechsel sofort „durchschalten“, was natürlich nicht erwünscht ist. Daher werden zwei Flipflop-Schaltungen als „Master“ und „Slave“ zusammengeschaltet, die durch einen Inverter im „Gegentakt“ arbeiten.

JK-Flipflop

JK-Flipflop, symbolisch

Abschließend muss noch das Problem gelöst werden, dass die unerlaubte Eingangskombination J = K = 1 automatisch vermieden wird. Das erreicht man durch Rückkopplungsleitungen von den Ausgängen zurück auf die Eingänge. Ergänzt wird die Schaltung noch durch die Möglichkeit, die Eingänge manuell zu setzen. So erhält man das JK-Flipflop, dessen symbolische Darstellung in der Abbildung rechts dargestellt ist.

Und so sieht die Schaltung im Detail aus:2)

JK-Flipflop, Detail

Hier bedeuten J, K die Eingänge, T den Taktimpuseingang und Q, -Q die Ausgänge des Flipflops, wobei am Ausgang -Q der negierte Wert von Q auftritt.

Da an jedem der Eingänge J und K die Werte „0“ und „1“ anliegen können, sind 22 = 4 Wertekombinationen denkbar, nämlich 0,0; 0,1; 1,0; 1,1.

Liegen an den Eingängen J und K jeweils die Werte 0 an und erfolgt ein Taktimpuls, wird der Zustand des JK-Flipflops nicht geändert. Dies bedeutet, wenn vor Ausführung eines Taktimpulses am Ausgang Q beispielsweise der Wert 1 angelegen hat, bleibt er erhalten.

Ist J = 0 und K = 1, wird nach Taktimpuls der Zustand des Flipflops 0 (Ausgang Q = 0), unabhängig davon, welchen Zustand der Speicher vor dem Taktimpuls hatte. Bei J = 1 und K = 0 wird der Zustand des JK-Flipflops nach Taktimpuls 1 (Ausgang Q = 1).

Nehmen J und K den Wert 1 an, „kippt“ das Flipflop in den negierten Zustand, der vor Taktimpuls eingeschrieben war. Die folgende Tabelle verdeutlicht das Verhalten des JK-Flipflops noch einmal, wobei J, K die Eingangswerte vor Taktimpuls (t) und Qt+1 die Ausgangswerte nach Taktimpuls (t+1) bedeuten:

Jt Kt Qt+1
0 0 Qt
0 1 0
1 0 1
1 1 -Qt
1)
informatik, klett, Stuttgart, 1975, S. 156ff
2)
Technische Informatik mit LOCAD2002, 2002
schule/if/logik/schaltung.txt · Zuletzt geändert: 2018/05/30 00:42 (Externe Bearbeitung)
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