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Anordnung zur Erzielung von taktflankengesteuertem Verhalten bei taktzustandsgesteuerten
bistabilen Kippstufen Bei der Erfindung handelt es sich um eine Anordnung aus binären
digitalen Schaltgliedern zur Erzielung von taktflankengesteuertem Verhalten bei
taktzustandsgesteuerten bistabilen Kippstufen mit Hilfsspeicher, d.h. in sogenannter
Master-Slave-Schaltung. Insbesondere ist die Erfindung gerichtet auf derartige Kippstufen
mit JK-Funktion.
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Bei einfachen bistabilen Kippstufen bestimmt die Eingangsinformation
zu jedem Zeitpunkt den Zustand der Stufe, d,h.
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eine Anderung des Eingangszustandes wird sofort in die Kippstufe übernommen.
Soll die Informationsübernahme nur zu bestimmten Zeiten erfolgen, so ist es notwendig,
die Kippstufe taktgesteuert auszuführen.
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Bei taktzustandsgesteuerten bistabilen Kippstufen erfolgt das Setzen
und Rücksetzen abhängig vom Zustand eines weiteren Eingangs, des sogenannten Takteingangs.
Die Eingangsinformation wird eingespeichert, solange am Takteingang eine logische
1'? liegt, d.h. sie wird während der ganzen Dauer des Taktimpulses übernommen. Demgegenüber
erfolgt die Ubernahme der am Eingang liegenden Information bei sogenannten taktflankengesteuerten
Kippstufen nur während der Taktflanke, d.h. während einer Zustandsänderung am Takteingang.
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Während sich die Information am Ausgang einer Kippstufe mit Taktflankensteuerung
wegen der Laufzeit der Kippstufe erst dann ändert, wenn der Flankenanstieg beendet
und der Eingang der Kippstufe entsprechend bereits wieder gesperrt ist, diese damit
also ohne weiteres in Schieberegistern, Zählern und ähnlichem Verwendung finden
kann, müssen taktzustandsgesteuerte Kippstufen bei Anwendungen, bei denen zur selben
Zeit neue Eingangsinformationen übernommen und am Ausgang vorhandene Inforinationen
abgegeben werden sollen, zweistufig ausgeführt werden, d.h. es ist ein Hilfsspeicher
notwendig.
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Solche zweistufigen Ausführungen werden als Master-Slave-Kippstufen
bezeichnet. Bei diesen bewirkt ein Taktimpuls (logische "1t') am Takteingang eine
Übernahme der Eingangsinformation in die erste Stufe, den sqgenannten Master-Teil,
während die zweite Stufe, der sogenannte Slave-Teil, durch Ansteuerung mit dem invertierten
Taktimpuls in Ruhe bleibt.
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Liegt am Takteingang eine logische "0", so wird der.Master-Teil gesperrt
und der nunmehr offengeschaltete Slave-Teil übernimmt die im Master-Teil gespeicherte
Information. Da also immer ein Teil der Kippstufe gesperrt ist, werden die für taktzustandsgesteuerte
Kippstufen charakteristischen Schwierigkeiten bei der Verwendung in Schieberegistern,
Zählern bzw. auch - wegen der hierbei notwendigen Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang
- als JK-Kippstufen umgangen, die anders nur durch sehr eng tolerierte und extrem
kurze, unter der Laufzeit der Kippstufe liegende Taktimpulsdauern zu überwinden
wären.
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Man kann somit unter Verwendung von Master-Slave-Kippatufen leicht
Schieberegister und Zähler aufbauen, bzw. JK-Kippstufen realisieren. Ein Unterschied
gegenüber taktflank engesteuerten Kippstufen besteht jedoch insofern, als durch
die taktzustandsabhängige Informationstbernahmè v'o"n' den Eingängen in den Hilfsspeicher
(Master) während der gesamen
Taktimpulsdauer auch eventuelle Störungen
in den Master-Teil übernommen und dann während der nachfolgenden Taktimpulspause
an den Slave-Teil weitergegeben bzw. auf den Ausgang durchgeschaltet werden. Eine
solche Kippstufe ist somit jeweils für die Dauer des Taktimpulses störgefihrdet.
Dies zwingt den Benutzer im Hinblick auf einen minimalen störanfälligen Zeitraum
zur Verwendung möglichst geringer Taktimpulsbreiten.
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Taktflankengesteuerte Kippstufen weisen diesen Nachteil nicht auf.
Sie schalten die am Eingang anliegende Information nur während der sehr kurzen Dauer
des Flankenanstiegs des Taktimpulses auf den Ausgang. Entsprechend besteht eine
Anfälligkeit für Störungen auch nur während dieser kurzen Zeitspanne.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, taktzustandsgesteuerte Master-Slave-Kippstufen
bekannter Art mit wenigen zusätzlichen logischen Verknüpfungsgliedern derart zu
ergänzen, daß die sich ergebende Anordnung eine für Störungen nicht anfällige taktflankengesteuerte
Kippstufe darstellt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die taktgesteuerten
Eingänge der Kippstufe über Je einen Inverter mit dem einen der Eingänge Je eines
NICHT-UND-Gatters verbunden sind, daß die Ausgänge der Kippstufe an den Jeweils
anderen Eingang je eines dieser NICHT-UND-Gatter geführt sind und daß diese NICHT-UND-Gatter
mit ihrem Ausgang an je einem der beiden asynchronen Eingänge der Kippstufe liegen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befindet sich zwischen
den Ausgängen der NICHT-UND-Gatter und den asynchronen Eingängen der Kippstufe je
ein NICHT-UND-Gatter, dessen
freier Eingang zur asynchronen Ansteuerung
der Kippstufe dient. Zwischen diesen NICHT-UND-Gattern und den asynchronen Eingängen
der Kippstufe ist je ein weiteres NICHT-UND-Gatter vorgesehen, dessen freier Eingang
mit dem freigebliebenen, der Asynchronsteuerung der Kippstufe dienenden Eingang
des dem jeweils anderen asynchronen Eingang der Kippstufe zugeordneten NICHT-UND-Gatte
gekoppelt ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform besteht die erfindungsgemäße Lösung
darin, daß die taktgesteuerten Eingänge der Kippstufe über je nen Inverter mit dem
einen der Eingänge je eines NICHT-UND-Gatters verbunden sind, daß die Ausgänge der
Kippstufe an je einen binä'ren Eingang je eines dieser NICHT-UND-Gatter geführt
sind, daß je ein Eingang dieser NICHT-UND-Gatter mit dem Takteingang der Kippstufe
gekopperlt ist und daß die Ausgänge der NIGHT-UND-Gatter auf je einen zusätzlichen
Eingang der in den RÜciopplimgszweigen des Hilfsspeichers der Kippstufe zur asynchronen
Ansteverung angeordneten NICHT-UND-Oatter g'elegt sind.
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Besonders zweckmäßig sind bei dieser Lösung die mit dem einen ihrer
Eingänge über je einen Inverter mit den taktgesteuerten Eingängen der Kippstufe
verbundenen 8ICHT-UND-Gatter mit je einem zusätzlichen Eingang versehen, die miteinander
verbunden sind und über eine Zuführung an Masse gelegt werden könnens Die Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Anordnung sei im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben.
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Im einzelnen zeigen: Fig. 1 die Grundschaltung einer Master-Slave-Kippstufe
mit JK-Funktion, Fig. 2 eine Anordnung gemäß der Erfindung in Verbindung mit einer
Kippstufe nach Fig. 1, Fig. 3 die Impulsdiagramme für eine entsprechend Fig. 2 beschaltete
Kippstufe
Fig. 4 eine Kippstufe mit einer gegenüber der Schaltung
in Fig. 2 erfindungsgemäß erweiterten'Anordnung, Fig. 5 die Impulsdiagramme für
eine entsprechend Fig. 4 beschaltete Kippstufe, Fig. 6 eine Anordnung gemäß der
Erfindung in Verbindung mit einer Kippstufe nach Fig. 1 bei integrierter Ausführung,
Fig. 7 die Impulsdiagramme einer Schaltungsanordnung nach Fig. 6 Bei der in Fig.
1 dargestellten Kippstufe handelt'es sich um eine taktzustandsgesteuerte Master-Slave-Kippstufe
mit JK-Charakteristik in gebräuchlicher Ausführung. Die UND-Gatter a1, a2 sowie
die NICHT-ODER-Gatter n.o1, no2 bilden zusammen den Master-Teil, die Transistoren
T1, T2 sowie die NIC1IT-UND-GatternaI, na2-den',Siave-Teil der Kippstufe.
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Die Gatter al und a2 stellen den Ansteuerteil der Masterstufe dar,
die Gatter nol und norden eigentlihen Speicherteil, das "Basic-Flip-Flop". Ein-binär
digitales Signal an den Eingängen J und K bewirkt zunächst wegen der Sperrwirkung
der Gatter å1 und a2 keine Änderung des Zaständes im Speicherteil der Master-Kippstufe.
Fjrst. bei Anliegen des Taktimpulses an CP werden die Gatter freigegeben und schalten
abhängig von der Bedingung auf den Rückführugen von den Ausgängen Q und Q eine logische
"1"-auf ein'oder auch auf beide NICHT-ODER-Gatter nol und no2. Entsprechend nimmt
das "Basic-Flip-Flop" des Master-Teiles einen Schaltzustand ein, bei dem jeweils
einer seiner an die Transistoren T1 bzw. T2 führenden Ausgänge den logischen Zustand
"1" aufweist, der jeweils andere den logischen Zustand nn.
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Die Transistoren T1 und T2 dienen der Ansteuerung der Slave-Stufe.
Solange ein Taktimpuls (logische 1n) am Takteingang CP liegt, bleibt der Transistordurchgang
gesperrt. Erst mit dem Ende des Taktimpulses, d.h. mit Anliegen von Logisch "O"
am Takteingang und damit an den
Emittern schaltet der Transistor,
dessen Basis gegenüber dem Emitter positives Potential hat, d.h. der eingangsseitig
auf logisch "1" gehalten wird, zwischen Kollektor und Emitter durch und gibt damit
das Potential des Takteingangs (logisch "O")auf den Ausgang bzw. auf den jeweiligen
Eingang des Speicherteiles der Slave-Stufe mit den NICHT-UND-Gattern nal und na2.
Entsprechend nehmen diese einen Schaltzustand an, bei dem jeweils einer ihrer Ausgänge
den logischen Zustand tt1t' aufweist, der jeweils andere den logischen Zustand 'lOlt.
Als Funktionstabelle ergibt sich für diese Kippstufe in vereinfachter Darstellung:
| J K Q u |
| o O Q 5 |
| 1 0 1 0 |
| o 1 0 1 |
| 1 1 5 Q |
Hierbei bedeuten Q bzw. 5 jeweils den vorausgegangenen Zustand der Ausgänge Q und
5.
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Die üblicherweise mit "Preset" bzw. "Clear" bezeichneten Eingänge
Pr und Cl dienen zum taktunabhängigen Setzen bzw.
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Rücksetzen der Kippstufe. Die in diesen Eingängen anlåegenden logischen
Signale wirken über die Gatter a3 und a4 bzw. über die Gatter nal und na2 unmittelbar
auf die Speicherstufen des Master- bzw. Slave-Teiles ein und blockieren über die
Gatter a1 und a2 den Jeweiligen taktgesteuerten Eingang K bzw J.
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Ausgehend von der oben beschriebenen Master-Slave-Kippstufe als Grundbaustein
ermöglicht nun die in Fig. 2 gezeigte erfinderische Anordnung ein taktflankengesteuertes
Verhilten der Kippstufe. Voraussetzung ist lediglich die freie Beschaltbarkeit der
Eingänge Pr und Cl. Eine externe logische
Verknüpfung der Ausgänge
Q bzw. Q mit den dynamischen Eingängen K bzw. J über die NICHT-UND-Gatter na3 und
na4 bewirkt, auf die asynchronen Eingänge Pr und Cl geführt, daß ein bestimmter
Ruhezustand der Kippstufe, z.B. Q = logisch "1" und Q = logisch "0w, über das sich
an "Preset" ergebende Signal (logisch 0") zusätzlich und zwangsweise solange festgehalten
wird, wie am zugehörigen Eingang K kein Signal, d.h. keine logische "1n auftritt.
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Gelangt in dieser Lage ein Signal an den K-Eingang, so erscheint am
Ausgang des Inverters i1 logisch non. Damit wird über Gatter nal am Eingang Pr logisch
1" erzeugt, die "Preset-Zwangsbindungn von Q = logisch "1" gelöst und bei zeitlicher
Koinzidenz mit dem Taktimpuls der Weg zur Einspeicherung des Signals in den Master-Teil
der Kippstufe freigegeben. Verschwindet das Signal am K-Eingang früher als der Taktimpuls,
d.h. bevor die neue Inforination in der Master-Stufe auf den Ausgang durchgeschaltet
wurde - dieser Fall wird als Störung interpretiert - so liegt an beiden Eingängen
ren Gatter na3 wieder der Zustand logisch "1" und damit an "Preset" der Zustand
logisch "O", wodurch die zuvor im Master-Teil gespeicherte neue Information wieder
gelöscht wird. Liegt das Signal noch oder erst dann am Eingang K an, wenn der Taktimpuls
im Verschwinden begriffen ist, so ist die Kippstufe in diesem Moment über "Preset"
freigegeben (logische "1" am Eingang Pr) und das Flip-Flop kippt in den anderen
logischen Zustand. Dabei tritt am Ausgang der Zustand logisch "O" auf, womit über
Gatter na3 der Eingang Pr unabhängig vom Eingang K solange im Zustand logisch 7
verharrt, wie Q auf logisch "O" liegt.
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Gatter na4 erhält jetzt das Signal logisch "1" am Eingang vom Ausgang
5 her und Je nach dem Zustand am Eingang J spielt sich der oben genannte Vorgang
nun auf der 5-Seite der Kippstufe ab.
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Somit erfolgt zunächst, wie besonders deutlich aus den Impulsdiagrammen
der Fig. 3 ersichtlich ist, bei Auftreten eines Signals auf einem der Eingänge grundsätzlich
eine Signalübernahme in den Master-Teil. Dieses wird jedoch nur dann beibehalten
und auf den Ausgang durchgeschaltet, wenn es sich nicht um ein kurzes Störsignal
handelt (Fig. 3a), sondern der Signalzustand an den Eingängen über die Dauer des
Taktimpulses hinaus beibehalten wird (Fig. 3b). Erst mit dem Verschwinden des Taktimpulses
erfolgt die Ubernahme in den Slave-Teil.
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Die hier beschriebene externe Erweiterung einer taktzustandsgesteuerten
Kippstufe läßt sich sehr einfach beispielsweise unter Verwendung eines zusätzlichen
logischen Bausteins üblicher Ausführung mit vier Gattern mit Je zwei Eingängen realisieren.
Allerdings ist ein Setzen der Kippstufe über "Preset" und "Clear" nicht möglich.
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Ist dies erwünscht;, so müssen weitere Verknüpfungsglieder naS, na6,
na7, na8, wie in Fig. 4 dargestellt, vorgesehen werden. Diese Kippstufe kann alle
Funktionen der ursprUnglichen Kippstufe ausführen, sie unterscheidet sich von dieser
nur durch nunmehr taktflankengesteuertes Verhalten.
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An die Stelle der bisherigen asynchronen Eingänge Pr und Cl treten
hier die Eingänge Pr' und Cl'. Befinden sich beide Eingänge im logischen Zustand
"1", so wird der Ausgang der Gatter na3 bzw. na4 über die zusätzlichen Gatter na5
und na7 bzw. na6 und na8 unverändert auf die ursprünglichen Eingänge Pr bzw. Cl
durchgeschaltet. Wechselt nun beispielsweise der Eingang Pr' in den logischen Zustand
"O", so ergibt der Ausgang des Gatters na5-logisch "1" n und - bei unverändertem
Signal am Eingang Cl1 - der Ausgang des Gatters na7 wiederum den Schaltzustand "O".
Die Kippstufe wird somit takt- und signalunabhängig über Pr' gesetzt. Entsprechend
erfolgt das Rücksetzen über Cl'. Fig. 5 zeigt die der Fig. 3 entsprechenden Impulsdiagramme
bei einer solchen Anordnung.
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Für den Anwender kann es wünschenswert sein, eine nach dem erfindungsgemäßen
Prinzip arbeitende Kippstufe in;tegriert in einem Baustein zur Verfügung zu haben.
Ein Schaltungsvorschlag dazu ist in Fig. ó angegeben. Das Diagramm des internen
logischen Ablaufs zeigt Fig. 7, einmal bei Vorliegen einer kurzzeitigen Störung
(Fig. 7a), das andere Mal bei Anliegen einer Information (logische 1") an einem
der Eingänge (Fig. 7b). Im Gegensatz zu der Anordnung nach Fig. 2 werden im vorliegenden
Falle die asynchronen Eingänge Pr und Cl durch die zusätzliche Logik nicht berührt.
Die Ausgänge der Gatter na3 und na4 greifen hier über die Gatter a3 und a4 nur in
das Logikgefüge des Master-Teiles der ursprünglichen Kippstufe ein. Dadurch ist
gewährleistet, daß die "Preset"- und "Clear"-Funktion in keiner Weise beeinträchtigt
werden. Die oben beschriebene zwangsweise Festlegung der Ausgänge Q und Q entfällt
hier. Ein durch eine evtl. Störung hervorgerufener Zustandswechsel im Mter-Teil
der Kippstufe wird, solange der Taktimpuls seinen Zustand nicht geändert hat, unmittelbar
über eine dritte eingangsseitig an den Gattern a3 und a4 neu vorzusehende Verknüpfungsmöglichkeit
wieder rückgängig gemacht.
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Über die in Fig. 6 gestrichelt angedeutete Zuführung Sp besteht zusätzlich
die Möglichkeit, die Kippstufe wahlweise taktflankengesteuert oder in Sonderfällen,
die dies notwendig machen, wie bisher taktzustandsgesteuert zu betreiben. Für Taktzustandssteuerung
genügt es, den Anschluß Sp auf den Zustand logisch "O" zu legen.
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4 Patentansprüche 7 Figuren