Digitaltechnik

Flipflop Schaltungen

Die Flipflop Schaltung ist ein grundlegendes Thema der Elektrotechnik. Wie die Flipflop Schaltung funktioniert und welche verschiedenen Arten es gibt, lernst du in diesem Beitrag.

Flipflop Schaltung Digitaltechnik – verschiedene Arten und Aufbau des RS-Flipflop

Flipflops sind elektronische Schaltungen, die zwei stabile Ausgangszustände kennen und ihren Ausgangszustand nur ändern, wenn eine bestimmte Eingangssignalkombination auftritt. Sie werden deshalb auch als bistabiles Kippglied oder als bistabile Kippstufe bezeichnet.

Flip Flop Schaltung, RS Flip Flop
Flipflop Schaltung

Das Flipflop ist ein fundamentales Bauteil der Digitaltechnik und wird beispielsweise bei Mikroprozessoren oder bei Computern eingesetzt. Es wird dazu benutzt eine Datenmenge von einem Bit über eine unbegrenzte Zeit zu speichern.

Flip-Flop Arten auf Basis des RS-Flipflops erklärt

Grundsätzlich gibt es verschiedene Flipflop Arten. Sie unterscheiden sich durch die Art der Ansteuerung, die Anzahl und die Wirkung ihrer Eingänge, die Durchlässigkeit der Datensignale bis zum Ausgang, den strukturellen Aufbau und durch die Taktabhängigkeit voneinander.

Flip Flop Schaltung, RS Flip Flop
Flipflop Schaltung

Der grundlegende Aufbau ist jedoch bei allen Flipflops gleich, da sie alle auf dem RS-Flipflop basieren. Die zwei stabilen Ausgangszustände werden dabei als „gesetzt“, aus dem Englischen „set“ und „zurückgesetzt“ von „reset“ bezeichnet. Üblicherweise gibt es einen Ausgang Q und einen Ausgang \overline{Q}.

Flip Flop Schaltung, RS Flip Flop
Flipflop Schaltung

In der folgenden Abbildung siehst du das Schaltsymbol eines nicht getakteten RS-Flipflops. Dieses Flipflop hat zwei Eingänge S und R. Über S kann das Flipflop in den Zustand „gesetzt“ geschalten werden, das heißt der Ausgang Q wird „gesetzt“. Ist das Flipflop schon in dem Zustand, bleibt er das auch. R ist für den „zurückgesetzten Zustand“ verantwortlich.

Bei der Verwendung von positiver Logik liegt am Ausgang Q eine Spannung von 2,4 bis 5 V, also ein HIGH, an. Am Ausgang \overline{Q} liegt eine Spannung von 0 bis 0,4 V, also ein LOW an. Das heißt der „gesetzt“ Zustand entspricht einer logischen 1 und der „zurückgesetzt“ Zustand einer logischen 0.

Q=1       \overline{Q}=0

Flip Flop Schaltung, RS Flip Flop
Flipflop Schaltung

Bei negativer Logik werden dann Spannungen und Logikwerte vertauscht.

Q=1     \overline{Q}=1

Somit kann der Anfangszustand je nach positiver oder negativer Logik willkürlich gewählt werden.

Flip Flop Schaltung, RS Flip Flop
Flipflop Schaltung

Taktgesteuerte Flip-Flop vs. nicht taktgesteuerte Flipflop

Flipflops können vor allem anhand der Taktabhängigkeit unterschieden werden. Es gibt nicht taktgesteuerte Flipflops und taktgesteuerte Flipflops. Nicht taktgesteuerte Flipflop können noch einmal in asynchrone pegelgesteuerte Flipflops und in asynchrone flankengesteuerte Flipflops unterteilt werden. Der Zustand der pegelgesteuerten Flipflops wird direkt durch ihre Eingangssignale bestimmt. Der Zustand von flankengesteuerten Flipflops ändert sich nur mit einem Pegelwechsel der Eingangssignale. Generell kann bei den taktunabhängigen Flipflops der Setz- und Rücksetzeingang jederzeit angesprochen werden.

Flip Flop Schaltung, RS Flip Flop
Flip Flop Schaltung

Die zweite große Gruppe sind die taktgesteuerten Flipflops. Bei einem taktgesteuerten Flipflop liegt ein weiterer Eingang C an, dieser wird als Steuereingang bezeichnet. Das Taktsignal bewirkt, dass das Flipflop nicht immer auf die Eingangssignale reagiert, sondern nur bei bestimmten Steuersignalen C. Die Berücksichtigung eines Taktsignales ermöglicht, dass das Flipflop synchron mit anderen Bauteilen schaltet.

Flip Flop Schaltung, RS Flip Flop
Flipflop Schaltung

Taktzustandsgesteuertes vs. taktflankengesteuertes Flipflop

Es werden taktzustandsgesteuerte und taktflankengesteuerte Flipflops unterschieden.

Flip Flop Schaltung, RS Flip Flop
Flipflop Schaltung

Schauen wir uns als nächstes einmal den Unterschied anhand des Taktsignales an! In der Grafik siehst du rot unterlegt das Ausgangssignal Q des einzustandsgesteuerten Flipflop. Bei diesem reagiert das Flipflop nur wenn ein Taktsignal anliegt, also von der Anfangsflanke bis zur Endflanke des Steuersignals.

Sehen wir uns das Ausgangssignal Q an. Bei Beginn der ersten Anfangsflanke haben wir ein Signal auf S, das Ausgangssignal wird also „gesetzt“, also wird Q gleich 1. Gegen Ende des ersten Taktsignals folgt ein Signal auf R, mit diesem wird der Zustand „zurückgesetzt“, also wird Q wieder 0. In der Pause bleibt der geltende Zustand 0 erhalten, bis das nächste Taktsignal erfolgt. Bei der nächsten Flanke haben wir nur ein „gesetzt“ Signal in der zweiten Hälfte des Signals. Q behält somit den „gesetzt“ Zustand in der Pause bei. Beim dritten Steuersignal wird die Flanke wieder „zurückgesetzt“, da wir ein HIGH auf R haben. Für den Output \overline{Q} wird Q umgedreht.

Flip Flop Schaltung, RS Flip Flop
Flipflop Schaltung

Taktflankengesteuertes Flipflop im Detail erklärt

Schauen wir uns doch einmal noch die taktflankengesteuerten Flipflops an. Dieser ist in grün unterlegt. Taktflankengesteuerte Flipflops ändern ihren Zustand nur entweder während der Anfangs- oder der Endflanke. In unserem Beispiel ist das die Anfangsflanke. Mit dem ersten Taktsignal erhalten wir ein „gesetzt“, dieses bleibt bis zur dritten Anfangsflanke, dann wird es durch R „zurückgesetzt“.

Flip Flop Schaltung, RS Flip Flop
Taktflankengesteuerte Flipflops

Die Taktflankenschaltung wird durch ein Dreieck im Schaltzeichen symbolisiert.

Du hast gelernt, welche Arten von Flipflop Schaltungen unterschieden werden und wie Flipflops grundsätzlich funktionieren.

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