Flipflops für Dummies – Teil 2

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 RS-Flipflops, D-Flipflops und JK-Flipflops. Da das Thema Logik doch ein wenig komplexer ist, empfehle ich, zuerst die vorherigen Logik Blog Posts zu lesen, welche die Grundgatter beschreiben und eine allgemeine Erklärung der Flipflops geben.

„Einfach“ – das RS-Flipflop

Definitionsgemäß ist das RS-Flipflop ein einfacher nicht-taktgesteuerter Flipflop (nähere Erläuterungen hierzu im Blog Post Flipflops für Dummies – Teil 1), welcher aus zwei NOR Gattern aufgebaut werden kann. Deshalb nennt man diesen auch NOR-Flipflop. Man könnte ihn auch aus zwei NANDs aufbauen, dann braucht man allerdings negierte Eingänge. Im folgenden Bild sieht man, wie das RS-Flipflop aus den zwei Gattern aufgebaut ist: Die Ausgänge der NOR Gatter sind jeweils mit einem der Eingänge des anderen verbunden. Wer möchte, kann sich das Schaltbild ausdrucken und überlegen, was jeweils passiert, wenn ein bestimmter Taster gedrückt wird. Am besten geht das mit zwei unterschiedlich farbigen Stiften und einer bereitgelegten NOR Wahrheitstabelle.

Das Schaltzeichen eines RS-Flipflops sieht so aus:

Die Eingänge heißen S und R, „S“ steht für „setzen“ und „R“ für „rücksetzen“. Parallel dazu im Englischen „set“ und „reset“. Q ist der Ausgang und /Q ist der negierte Ausgang, dies zeigt man in der Logik übrigens mit dem kleinen Kreis an, der neben /Q platziert ist. Ihr könnt diesen Kreis auch auf den Labeln unserer Bricks und im Schaltplan finden.

Ist doch logisch – die Wahrheitstabelle

Das Verhalten von Flipflops kann anhand von sogenannten Wahrheitstabellen übersichtlich dargestellt werden. Übertragen auf eine Brick Schaltung steht in der Wahrheitstabelle bei den Eingängen S und R eine 1 für das Betätigen des Tasters, die Verbindung wird also geschlossen. Bei den Ausgängen Q und /Q steht die 1 für das Aufleuchten der LED. Dementsprechend steht die 0 bei den Eingängen S und R für die nicht Betätigung des Taster und bei den Ausgängen Q und /Q leuchtet die LED bei einer 0 in der Wahrheitstabelle nicht. Sehen wir uns nun die Wahrheitstabelle ein bisschen genauer an:

Was passiert in der Praxis?

Beginnen wir erstmal mit einer aufgebauten RS-Flipflop Brick Schaltung aus zwei NOR Bricks, diese könnt ihr selbst aufbauen und somit die Beschreibung gleich live ausprobieren:

Achtung: Aus praktischen Gründen ist Q unten und /Q oben, genau umgekehrt zum Schaltzeichen und Schaltbild des RS-Flipflops.

Drücke ich auf den Taster S fängt die LED bei Q zu leuchten an (bzw. wenn zuvor S schon direkt zuvor gedrückt wurde, verändert sie Zustand 1 nicht), aber noch viel wichtiger: sie bleibt leuchten! Wie ich in dem letzten Blogeintrag angebracht hatte, haben Flipflops eine „Vergangenheit“ und nicht nur eine „Gegenwart“. Hätte ich eine einfache Logikschaltung aus nur einem Gatter vorliegen, würde die Lampe nicht weiterhin leuchten, es würde also die Information „LED an“ nicht gespeichert werden. Wenn ich auf den Taster R drücke, wird der Zustand bei Q zurückgesetzt auf 0, die LED geht also aus (bzw. wenn direkt zuvor R schon gedrückt wurde, verändert sie den Zustand 0 nicht). Wenn S gedrückt wurde und die LED bei Q leuchtet, kann ich noch unendlich oft auf S drücken, der Zustand bleibt gleich. Logisch aber trotzdem wichtig: Wenn kein Taster betätigt wird, also R und S 0 sind, bleibt der Zustand gleich. Das bedeutet einfach nur, dass ohne Betätigung der Schalter keine automatische Änderung passiert. Visuell gesprochen kippt eine Wippe nicht ohne äußeren Einfluss einfach auf die andere Seite. Nun kommt noch ein spannender Punkt: Wenn S und R gleichzeitig gedrückt werden, weiß das Flipflop umgangssprachlich nicht, für welche Seite es sich entscheiden soll. Deshalb ist dieser Zustand verboten. Didaktisch korrekter ausgedrückt, ist der Folgezustand undefiniert, weil nicht klar ist, welcher Ausgang zunächst „1“ werden soll. Im nächsten Blogeintrag lernen wir das D-Flipflop kennen, bei diesem ist das „Verbotener-Zustand-Problem“ gelöst. Wenn man sich den Ausgang /Q ansieht, drehen sich die Zustände 1 und 0 einfach um.