Digitale Geräte: Flip-Flops, Komparatoren und Register

Digitale Geräte basieren auf logischen Elementen und gehorchen daher den Gesetzen der logischen Algebra. Die Grundgeräte der Digitaltechnik sind neben Logikgeräten Flip-Flops.

Trigger (englischer Trigger – Trigger) – ein elektronisches Gerät, das zwei stabile Zustände hat und unter dem Einfluss eines externen Impulses von einem Zustand in einen anderen springen kann.

Als Trigger bzw. Triggersysteme bezeichnet man eine große Klasse elektronischer Geräte, die die Fähigkeit besitzen, lange Zeit in einem von zwei stabilen Zuständen zu bleiben und diese unter dem Einfluss externer Signale zu wechseln. Jede Triggerbedingung ist anhand des Ausgangsspannungswerts leicht zu erkennen.

Jeder Triggerzustand entspricht einem bestimmten (hohen oder niedrigen) Ausgangsspannungspegel:

1) Der Auslöser ist auf einen Zustand eingestellt – Stufe „1“.

2) Das Flip-Flop wird zurückgesetzt – Pegel „0“ am Ausgang.

Der eingeschwungene Zustand bleibt beliebig lange bestehen und kann durch einen externen Impuls oder durch Abschalten der Versorgungsspannung geändert werden. Che.Ein Flip-Flop ist ein elementares Speicherelement, das die kleinste Informationseinheit (ein Bit) „0“ oder „1“ speichern kann.

Flip-Flops können auf diskreten Elementen, Logikelementen, auf einem integrierten Schaltkreis aufgebaut sein oder Teil eines integrierten Schaltkreises sein.

Zu den Haupttypen von Flip-Flops gehören: RS-, D-, T- und JK-Flipper... Darüber hinaus werden Flip-Flops in asynchrone und synchrone Flip-Flops unterteilt. Bei der asynchronen Betätigung erfolgt der Wechsel von einem Zustand in einen anderen direkt mit dem Eintreffen eines Signals am Informationseingang. Zusätzlich zu den Dateneingängen verfügen synchronisierte Flip-Flops über einen Takteingang. Ihre Umschaltung erfolgt nur bei Vorliegen eines Freigabetaktes.

Ein RS-Trigger hat mindestens zwei Eingänge: S (Setzen – Setzen) – der Trigger wird auf den Zustand der Stufe „1“ gesetzt und R (Reset) – der Trigger wird auf den Zustand der Stufe „0“ zurückgesetzt. (Abb. 1).

Bei Vorhandensein des Eingangs C ist das Flip-Flop synchron – das Umschalten des Flip-Flops (Zustandsänderung des Ausgangs) kann nur im Moment des Eintreffens des synchronisierenden (synchronisierenden) Impulses am Eingang C erfolgen.

Abbildung 1 – Konventionelle grafische Darstellung des RS-Flip-Flops und der Zweck der Schlussfolgerungen a) asynchron, b) synchron

Zusätzlich zum direkten Ausgang kann das Flip-Flop auch einen inversen Ausgang haben, dessen Signal entgegengesetzt ist.

Tabelle 1 zeigt die Zustände, die das Flip-Flop im Betrieb annehmen kann. Die Tabelle zeigt die Werte der Eingangssignale S und R zu einem bestimmten Zeitpunkt tn und den Zustand des Flip-Flops (des Direktausgangs) zum nächsten Zeitpunkt tn + 1 nach dem Eintreffen des nächsten Impulse. Der neue Triggerzustand wird auch vom vorherigen Zustand von Q n beeinflusst.

Che.Wenn es notwendig ist, auf den Trigger „1“ zu schreiben, geben wir einen Impuls an den S-Eingang, wenn „0“ – senden wir einen Impuls an den R-Eingang.

Die Kombination S = 1, R = 1 ist eine verbotene Kombination, da nicht vorhergesagt werden kann, welcher Zustand sich am Ausgang einstellt.

Tabelle 1 – Statustabelle für synchrone RS-Flip-Flops

Die Funktionsweise des Flip-Flops kann auch anhand von Zeitdiagrammen veranschaulicht werden (Abb. 2).

Abbildung 2 – Zeitdiagramme eines asynchronen RS-Flip-Flops

D-Trigger (von engl. Delay – Verzögerung) verfügt über einen Informationseingang und einen Takteingang (Synchronisierung) (Abb. 3).

Das D-Flip-Flop speichert und speichert am Ausgang Q das Signal, das zum Zeitpunkt des Eintreffens des Taktimpulses C am Dateneingang D lag. Das Flip-Flop speichert Informationen, die geschrieben wurden, wenn C = 1.

Tabelle 2 – Zustandstabelle des D-Flip-Flops

Abbildung 3 – D-Trigger: a) herkömmliche grafische Darstellung, b) Zeitdiagramme des Betriebs

T-Trigger (vom englischen „tumble“ – Umkippen, Salto), auch Zähl-Flip-Flops genannt, haben einen Informationseingang T. Jeder Impuls (Impulsabfall) des T-Eingangs (Zähleingang) schaltet den Trigger in den entgegengesetzten Zustand.

Abbildung 4 zeigt die T-Trigger-Symbologie (a) und Zeitdiagramme der Operation (b).

Abbildung 4 – T-Flip-Flop a) konventionelle grafische Notation, b) Zeitdiagramme der Operation c) Zustandstabelle

Ein JK-Trigger (aus dem Englischen: jump – springen, keer – halten) verfügt über zwei Dateneingänge J und K und einen Takteingang C. Die Belegung der Pins J und K ähnelt der Belegung der Pins R und S, der Trigger hat jedoch einen keine verbotenen Kombinationen. Wenn J = K = 1, ändert es seinen Zustand in das Gegenteil (Abb. 5).

Bei entsprechender Beschaltung der Eingänge kann der Trigger die Funktionen von RS-, D-, T-Triggern übernehmen, d.h. ist ein universeller Auslöser.

Abbildung 5 -JK-Flip-Flop a) konventionelle grafische Notation, b) abgekürzte Zustandstabelle

Komparator (vergleichen – vergleichen) – ein Gerät, das zwei Spannungen vergleicht – Eingang Uin mit einer Referenz Uref. Die Referenzspannung ist eine konstante Spannung mit positiver oder negativer Polarität, die Eingangsspannung ändert sich mit der Zeit. Die einfachste Komparatorschaltung auf Basis eines Operationsverstärkers ist in Abbildung 6, a dargestellt. Wenn Uin Uop am Ausgang U — us (Abb. 6, b).

Abbildung 6 – Operationsverstärker-Komparator: a) das einfachste Schema, b) Leistungsmerkmale

Ein Komparator mit positiver Rückkopplung wird Schmitt-Trigger genannt. Schaltet der Komparator bei gleicher Spannung von „1“ auf „0“ und umgekehrt, dann beim Schmitt-Trigger – bei unterschiedlichen Spannungen. Die Referenzspannung erzeugt eine PIC-Schaltung R1R2, deren Eingangssignal dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers zugeführt wird. Abbildung 7, b, zeigt die Übertragungscharakteristik des Schmitt-Triggers.

Bei einer negativen Spannung am Inventareingang des OS ist Uout = U + sat. Das bedeutet, dass am nichtinvertierenden Eingang eine positive Spannung anliegt. Mit steigender Eingangsspannung steigt der Strom Uin > Uneinv. (Uav – Trigger) Der Komparator geht in den Zustand Uout = U -sat. Am nichtinvertierenden Eingang liegt eine negative Spannung an. Dementsprechend gilt bei einem Absinken der Eingangsspannung im Moment Uin < Uneinv. (Uav – Trigger) Der Komparator geht in den Zustand Uout = U + sat.

Abbildung 7 – Schmitt-Betrieb eines Operationsverstärkers: a) das einfachste Schema, b) Leistungsmerkmale

Ein Beispiel. Abbildung 8 zeigt ein Schema eines Relais-Schützes zur Steuerung eines Elektromotors, der das Starten, Stoppen und Umkehren ermöglicht.

Abbildung 8 – Schema der Relais-Schütz-Motorsteuerung

Die Kommutierung des Elektromotors erfolgt durch Magnetstarter KM1, KM2. Frei geschlossene Kontakte KM1, KM2 verhindern den gleichzeitigen Betrieb von Magnetstartern. Frei offene Kontakte KM1, KM2 sorgen für eine Selbstverriegelung der Tasten SB2 und SB3.

Um die Betriebszuverlässigkeit zu verbessern, ist es notwendig, die Relais-Schütz-Steuerkreise und Stromkreise durch ein berührungsloses System mit Halbleiterbauelementen und -geräten zu ersetzen.

Abbildung 9 zeigt einen kontaktlosen Motorsteuerkreis.

Die Leistungskontakte der Magnetstarter wurden durch Optosimistoren ersetzt: KM1-VS1-VS3, KM2-VS4-VS6. Durch den Einsatz von Optosimistoren ist es möglich, einen stromarmen Steuerkreis von einem leistungsstarken Versorgungskreis zu trennen.

Auslöser bieten selbstsperrende Tasten SB2, SB3. Logikelemente AND sorgen für die gleichzeitige Aktivierung nur eines der Magnetstarter.

Wenn der Transistor VT1 öffnet, fließt der Strom durch die LEDs der ersten Gruppe von Optosimistoren VS1-VS3 und sorgt so für den Stromfluss durch die Motorwicklungen. Das Öffnen des Transistors VT2 versorgt die zweite Gruppe von Optosimistoren VS4 -VS6 sorgt für die Drehung des Elektromotors in die andere Richtung.

Abbildung 9 – Kontaktloser Motorsteuerkreis

Register – ein elektronisches Gerät zur kurzfristigen Speicherung und Umwandlung mehrstelliger Binärzahlen. Das Register besteht aus Flip-Flops, deren Anzahl bestimmt, wie viele Bits einer Binärzahl das Register speichern kann – die Größe des Registers (Abb. 10, a). Mithilfe von Logikelementen lässt sich die Funktionsweise von Triggern organisieren.

Abbildung 10 – Register: a) allgemeine Darstellung, b) konventionelle grafische Notation

Je nach Art der Eingabe und Ausgabe von Informationen werden Register in parallele und serielle Register unterteilt.

In einem sequentiellen Register sind die Flip-Flops in Reihe geschaltet, d. h. die Ausgänge des vorherigen Flip-Flops leiten Informationen an die Eingänge des nächsten Flip-Flops weiter. Die Flip-Flop-Takteingänge C sind parallel geschaltet. Ein solches Register verfügt über einen Dateneingang und einen Steuereingang – Takteingang C.

Ein paralleles Register schreibt gleichzeitig auf Flipflops, für die es vier Dateneingänge gibt.

Abbildung 10 zeigt den UGO und die Pinbelegung eines 4-Bit-Parallel-Seriell-Registers.