Hobby-Elektronik Die verschiedenen FlipFlop-Arten, TTL- und CMOS-FlipFlops
Normalerweise folgt das Ausgangssignal einer Schaltung zeitlich unmittelbar dem auftretenden Eingangssignal. In der digitalen Signalverarbeitung ist es jedoch oft erforderlich, ein Ausgangssignal festzuhalten, also zu speichern, auch wenn das Eingangssignal nicht mehr ansteht oder sich ändert. Grundelemente dieser Signalspeicher sind die bistabilen Kippglieder, auch FlipFlops genannt. Ein FlipFlop ist also eine Kippschaltung, deren Ausgang, ausgelöst durch einen Spannungssprung oder eine Impulsflanke am Eingang, von GND (= 0) nach + Ub (=1) schaltet und in dieser Stellung verbleibt, bis er wieder durch ein Signal am Rücksetzeingang zurückgeschaltet wird.
Ein einzelnes FlipFlop kann den Zustand 0 oder 1 annehmen, also 1 bit speichern. In der Hobbyelektronik lassen sich FlipFlops besonders auch als elektronische Taster und "selbsthaltende" Schalter verwenden, wobei man z.B. mit einem kurzen Tastendruck ein Relais oder eine Lampe ein- und ausschalten kann.
Als FlipFlops werden meist TTL- oder CMOS-ICs eingesetzt, wobei ein IC meist mehrere FlipFlops enthält.

Zum Verständnis der FlipFlop-Schaltungssymbole
Im Schaltbild werden FlipFlops als recheckige Kästchen dargestellt, links werden die Eingänge, rechts die Ausgänge angezeichnet. Die Betriebsspannungsanschlüsse werden nicht dargestellt.
Zum Ausgang Q ist fast immer ein komplementärer Ausgang /Q (lies Q quer) vorhanden (im Schaltbild durch einen kleinen Kreis gekennzeichnet, siehe Bilder 1), der den entgegengesetzten Zustand aufweist. Also ist Q = H (= High = logisch 1 = meist +Ub), dann ist /Q = L (= Low = logisch 0 = meist Ground).
Mehrere verschiedene Arten von Eingängen sind zu unterscheiden:
1) statische Eingänge: das FF (FlipFlop) reagiert auf einen Eingangszustand H oder L, d.h. der Eingang geht von einem L- in den H-Zustand bzw. vom H- in den L-Zustand über ("zustandsgesteuertes" FF).
Derjenige Eingang, der mit einem H-Pegel den Ausgang Q von L auf H setzt, heißt Setzeingang S. Der Eingang, der mit einem H-Pegel Q auf L zurücksetzt, heißt Rücksetzeingang R (Bild 1a).
Es gibt auch FFs, bei denen der Setzeingang S mit L-Pegel den Ausgang Q auf H setzt und der Rücksetzeingang R mit L-Pegel Q auf L zurücksetzt. Die Eingänge werden dann /S und /R genannt und im Schaltbild wieder mit einem kleinen Kreis gekennzeichnet (Bild 1b).
2) dynamische Eingänge: Bei diesen FF wird der Ausgang durch einen positiven oder negativen Spannungssprung, also eine Flanke von L nach H bzw. von H nach L am Eingang gesetzt ("flankengesteuertes" FF). Dynamische Eingänge werden durch ein kleines Dreieck gekennzeichnet (siehe den C-Eingang in Bild 1b). Erfordert der dynamische Eingang eine negative Flanke, wird er wiederum durch einen kleinen Kreis gekennzeichnet (C-Eingang in Bild 1 c).
(Die mit C, D, J, K bezeichneten Eingänge und die Winkelhaken in Bild 1b sind weiter unten erklärt.)


RS-FlipFlop aus NAND- oder NOR-Gliedern aufgebaut (auch "latch" (= einrasten) genannt
RS-FFs sind die einfachsten FlipFlops. Sie lassen sich aus NAND- oder NOR-Gliedern (z.B. TTL-ICs 7400 bzw.7402) aufbauen. Die Bilder 2 und 3 zeigen die entsprechenden Schaltbilder mit den zugehörigen, im vorhergehenden Abschnitt erklärten Symbolen. Schaltbeispiele siehe folgende Seite, Bild 6 und 7.
Der Zusammenhang (sogenannte Wahrheitstabelle) zwischen den Eingängen S und R und den Ausgängen Q und /Q sei beispielhaft für Bild 2a aufgeschrieben:
S = L und R = L > bei Q und /Q keine Änderung des ursprünglichen Speicherzustands.
S = H und R = L > es wird Q = H und /Q = L, der Speicher wird "gesetzt".
S = L und R = H > es wird Q = L und /Q = H, der Speicher wird zurück gesetzt.
S = H und R = H (nicht erlaubt) > Zustand von Q und /Q ist unbestimmt.

D-FlipFlop
Das D-FF hat einen Dateneingang D und einen Takt-(engl.: Clock-)eingang C. Ein H am Dateneingang D "setzt" den Ausgang Q, ein L an D "rücksetzt" Q. Die Setz- bzw. Rücksetzfunktion erfolgt aber erst durch einen H-Impuls (bzw. eine positive Flanke) am Takteingang C.
D-FF haben meist einen flankengesteuerten C-Eingang. Vorteil: Mittels der Flanke an C lassen sich meherere FF synchron schalten.
Manche D-FF haben zusätzlich R,S- oder /R,/S-Eingänge, mit denen sich das FF taktunabhängig setzen bzw. rücksetzen läßt.
WICHTIG: Unbenutzte R,S-Eingänge müssen stets fest an L-Pegel (GND), unbenutzte /R,/S-Eingänge stets an H-Pegel (+Ub) gelegt werden !!!
IC-Beispiele für D-FF: TTL: 7475: 4 Stück zustandsangesteuerte D-FF. TTL: 7474: 2 Stück flankengesteuerte D-FF mit zusätzlichen /R,/S-Eingängen (entspricht Schaltsymbol 1d). CMOS: 4013: 2 Stück flankengesteuerte D-FF mit zusätzlichen R,S-Eingängen.


JK-FlipFlop

Das JK-FlipFlop ist universell verwendbar und wird daher am meisten eingesetzt.
Es hat mindestens drei Eingänge: die beiden Dateneingänge J und K (die dem D-Eingang beim D-FF entsprechen) und den vom D-FF bereits bekannten Takteingang C, mit dessen positiver Flanke die an J, K anstehenden Daten erst übernommen werden. Meist sind auch noch zwei statisch angesteuerte R, S oder /R,/S-Eingänge vorhanden (auch clear- bzw. preset-Eingänge genannt), die das FF taktunabhängig anzusteuern ermöglichen. Bei Nichtbenutzung gilt für deren Beschaltung das beim D-FF Gesagte.

Im Unterschied zum RS-FF ist beim JK-FF das gleichzeitige Auftreten des Setz- und Rücksetzbefehls (d.h. J = K = H) zulässig (das beim RS-FF keinen Sinn macht und zu undefinierten Q, /Q-Zuständen führt). Liegt z.B. dauernd J = K = H vor, wird von der ersten positiven Flanke an C der Ausgang Q auf H gesetzt und von der nächsten positiven Flanke Q auf L zurückgesetzt usw.
JK-FFs sind am Takteingang C immer flankengesteuert.
Neben den einflankengesteuerten (Daten werden von der positiven Flanke an C übernommen) gibt es auch zweiflankengesteuerte FFs, auch JK-Master-Slave FFs genannt. Hier werden die Daten
durch die positive Flanke an C aufgenommen, zwischengespeichert und erst durch die nachfolgende negative Flanke auf den Ausgang Q übertragen. Kennzeichnung des JK-Master-Slave-FF im Schaltsymbol (Bild 1b) durch die Winkelhaken bei Q und /Q.
(Anmerkung: Die Kennzeichnung des Takteingangs C beim JK-Master-Slave-FF ist in der Literatur nicht einheitlich, man findet den Takteingang C auch negiert dargestellt wie in Bild 1c.)
IC-Beispiel für einflankengesteuertes JK-FF: TTL: 7470 mit je 2 J- und K-Eingängen, je 1 /J und /K-Eingang und /R, /S-Eingang.
IC-Beispiele für JK-Master-Slave-FFs (die ICs enthalten jeweils zwei Stück FFs): TTL: 7472, 7473, 7476, alle mit /R;/S-Eingängen, CMOS: 4027 mit R, S-Eingängen.

T-FlipFlop
Das JK-FF wird oft als Frequenzteiler für Rechteckimpulse eingesetzt. Wie vorstehend beschrieben, wird bei J = K = 1 bei jeder positiven Flanke des Taktimpulses der Ausgang Q in seinen komplementären Zustand umgeschaltet. Wie man leicht einsieht, entspricht das einer Frequenzteilung der an den Takteingang C gelegten Rechteckspannung im Verhältnis 2 : 1.
Das JK-Master-Slave-FF läßt sich in gleicher Weise für die Frequenzteilung einsetzen.
In dieser Beschaltung wird das JK-FF auch als T-FlipFlop bezeichnet, es hat nur einen Eingang.
Das T-FlipFlop läßt sich auch ( besonders nützlich für die Hobbyelektronik) als selbsthaltender Schalter einsetzen (Schaltbeispiel siehe folgende Seite, Bild 9).
Bild 3 zeigt als Schaltungsbeispiel einen Frequenzteiler 2 : 1 mit dem einflankengesteuerten TTL-IC 7470.
Hinweis: Weitere Schaltbeispiele für FlipFlop-Schaltungen siehe:
FlipFlop mit Transistoren: Seite "Bistabiler Multivibrator (FlipFlop)".
FlipFlop mit NE555: Seite "Grundschaltungen und Anwendungen des NE555", Bild 2a.
Anwendungsbeispiele siehe folgende Seite: "Prellfreie Taster und Schalter mit TTL- und CMOS-ICs".

(20.12.2006)