HWP:Versuch 2
TU Dresden HardwarePraktikum Institut für Technische Informatik Versuch 5
Versuch 5
Aufbau und Wirkungsweise von Flipflops
1. Versuchsziel:
Untersuchung der Wirkungsweise von Flipflop Schaltungen
2. Versuchsvorbereitung:
2.1. Grund FF's:
2.1.1.
- Warum kann man das NAND/NAND-GFF als low-aktiv bezeichnen?
Antwort: jedes NAND-Glied ist low-aktiv, weil HIGH am Ausgang anliegt, wenn mindestens ein Eingang LOW ist.
- Charakterisieren Sie entsprechend das NOR/NOR-GGF.
Antwort: high-aktiv, da NOR-Glieder high-aktiv sind. Ein HIGH am Eingang verursacht HIGH am Ausgang.
- Geben Sie die Wahrheitstabelle für beide GFF's an.
NAND-GFF:
!S | !R | Q | !Q ---+----+---+---- 0 | 0 | 1 | 1 verboten 0 | 1 | 1 | 0 set 1 | 0 | 0 | 1 reset 1 | 1 | Q~| !Q~ save
NOR-GFF:
S | R | Q | !Q ---+---+---+----- 0 | 0 | Q~| !Q~ save 0 | 1 | 0 | 1 reset 1 | 0 | 1 | 0 set 1 | 1 | 0 | 0 verboten Q~ ... bisheriger Zustand
2.1.2
- Warum bezeichnet man die Eingansbelegung 0,0 (NAND/NAND-GFF) und 1,1 (NOR/NOR-GFF) als verboten?
- die Ausgänge sind nicht mehr komplementär
- der Folgezustand ist nicht vorhersagbar
- Möglichkeiten zur Vermeidung dieser Eingangsbelegung:
- Änderung der Eingangsbelegung 0,0 (NAND) bzw. 1,1 (NOR) in eine andere
Anweisung [Speichern, Setzen od. Rücksetzen] durch geeignete Zusatzbeschaltung
2.2. RS-FF's:
2.2.1.
- Entwerfen Sie ausschließlich mit NOR-Gattern ein RS-FF mit dominiertem SEingang (S-FF), bei dem S=R=1 ein zusätzliches Setzen von Q auf 1 bedeutet.(Erweiterung des NOR/NOR-GFF durch eine geeignete Ansteuerungsverschaltung)
S R E1 E2 Q !Q --+---+---+---+---+---- 0 0 0 0 Q~ !Q~ 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0
Gleichungen:
E1 = S
E2 = R AND !S = !R NOR S
E1 _____ S -------------*------------| | | | >=1 |O---*--- !Q | +-|_____| | | | | | +----- -----+ | \/ | /\ | +----- ------+ | | _____ | | _____ +--| | | _____ +--| | | >=1 |O---*--- Q +-| | | >=1 |O---|_____| R ---* | >=1 |O---|_____| E2 Seite 2 hwp_v2.txt +-|_____| 2.2.2. |
+
- Entwerfen Sie ausschließlich mit NAND-Gattern ein RS-FF mit domi
niertem REingang (R-FF), bei dem S=R=1 ein zusätzliches Setzen von Q auf 0 bedeutet. (Erweiterung des NAND/NAND-GFF durch eine geeignete Ansteuerungs verschaltung) !S !R E1 E2 Q !Q
+---+---+---+---+----
0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 Q~ !Q~ - Gleichungen: E1 = !S E2 = R OR !S = R NAND !S _____ +-| | E1 _____ R ---* | & |O---*------------| | +-|_____| | | & |O---*--- !Q | +--|_____| | | | | | +------ -----+ | \/ | /\ | +----- ------+ | | _____ | | _____ +--| | | +--| | | & |O---+--- Q | & |O---|_____| S -------------------|_____| E2 2.3. Taktsteuerung: ====--------------- 2.3.1. |
+
- Entwerfen Sie ein einfaches taktzustandsgesteuertes RS-FF auf NA
ND-Basis. C !S !R E1 E2 Q !Q
+---+---+---+---+---+----
0 0 0 1 1 Q~ !Q~ 0 0 1 1 1 Q~ !Q~ Seite 3 hwp_v2.txt 0 1 0 1 1 Q~ !Q~ 0 1 1 1 1 Q~ !Q~ 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 Q~ !Q~ - Gleichungen: E1 = S NAND C E2 = R NAND C _____ S ------| | _____ | & |O---| | +--|_____| | & |O---*--- Q | +--|_____| | | | | | +------ -----+ | \/ C ---* /\ | +------ -----+ | | _____ | | _____ +--| | | +--| | | & |O---*--- !Q | & |O---|_____| R ------|_____| 2.3.2 |
+
- Welche Vorteile bietet die Taktflankensteuerung?
- Vermeidung der Auswirkungen äußerer Einflüsse (z.B. Spannungss chwankungen) auf die Schaltung; mögliche Störungen sind z.B. unbeabsichtigtes S etzen, Rücksetzen, ... => Schaltung ist weniger störanfällig 2.3.3 |
+
- Skizzieren Sie zur Schaltung Bild1 für eine Eingangsimpulsfolge
Tz (Impulsdauer 200ns) die Impulsfolgen an den Punkten P und A, wenn jedes Gatte r eine Verzögerungszeit von 20ns hat. 0 2 10 20 30 40 50 | | | | | | | E 1|____________________ ____________ 0| ____________________ | P 1|______ ____________________ 0| ____________________ ______ | Seite 4 hwp_v2.txt A 1| ______ ______ 0|____ __________________________________ __ |
+----------------------------------------------------
Zeit| ->t in 10ns 2.4. |
+
- Durch welche äußere Beschaltung kann ein JK-FF in ein D- bzw. in
ein T-FF gewandelt werden? - JK-FF => D-FF
____
| |
+---| 1J |
| | |--- Q
C ---+---| C1 |
| | |O-- !Q
D ---*--O| 1K |
|____|
- JK-FF => T-FF
_____
| |
+---| 1J |
| | |--- Q
T ---*---| C1 |
| | |O-- !Q
+---| 1K |
|____|
2.5. |
+
- Gegeben ist ein zweiflankengesteuertes JK-MS-FF (siehe Bild 2).
Ergänzen Sie für dieses JK-MS-FF de nachstehenden Impulsfolgediagramme (Bild 3). (Die Negation am Takteingang bedeutet, dass der Master die anlie gende Information mit der HL-Flanke übernimmt und der Slave die Information mit der LH -Flanke ausgibt.) T 1| ______ ______ ______ ______ ______
0|____ ____ ____ ____ ____ ____|
|
J 1| __________ __ ____ __________
0|__ ____ ____ ______ ____________|
|
K 1| __ ___ __________ ____
0|_____________ _____________ _ ______ __|
|
Qm 1| ____________________ __________
0|__________ __________ ____|
|
!Qm 1|__________ __________ ____
0| ____________________ __________ |
|
Qs 1| ____________________ __________
0|______________ __________ |
+------------------------------------------------------
Zeit | -> t
Seite 5 hwp_v2.txt
4. Versuchsdurchführung:
==----------------------
4.1. |
+
- Vervollständigen Sie durch Messung an den Schaltungen Bild 5 die
nachstehende Tabelle (Reihenfolge der Eingangsbelegungen einhalten!) | ohne | mit I1 I2 | y1 y2 | y1 y2
+---+ +---+---+ +---+----
0 0 | 1 1 | 1 1 0 1 | 1 0 | 1 0 1 1 | 0 1 | 1 0 1 0 | 0 1 | 0 1 1 1 | 0 1 | 0 1 0 1 | 1 0 | 1 0 1 1 | 0 1 | 1 0
- Was für eine Schaltung ergibt sich durch die Rückkopplung?
- RS-FF (NAND/NAND-GFF)
- Ordnen Sie den Ein- und Ausgängen in Schaltung 4b) funktionelle
Bezeichnungen zu. - I1 := !R I2 := !S y2 := Q 4.2. |
+
- Bauen Sie die Schaltung aus den Vorbereitungsaufgabe 2.2.2. auf
und überprüfen Sie die Funktionsweise. - siehe Lösung 2.2.2. (Zustandstabelle) 4.3. |
+
- Erweitern Sie ein NAND/NAND-GFF zu einer taktzustandsgesteuertem
Seite 6 hwp_v2.txt RS-FF. Untersuchen Sie die Wirkung der Eingangsbelegung R=S=1 auf die A usgänge. - siehe Lösung 2.3.1. (Schaltung) 4.4. |
+
- Erweitern Sie das RS-FF aus Aufg. 4.3. so, dass ein taktzustands
gest. D-FF entsteht. Untersuchen Sie die Wirkung von kurzzeitigen Störungen auf den A usgang, indem Sie den Verlauf von Q gemäß den Vorgaben von Bild 5 experimentell ermitt eln. Tragen Sie den gemessenen Verlauf von Q in das Diagramm Bild 5 ein. S _____ +-------------| | _____ | | & |O---| | | +--|_____| | & |O---*--- Q | | +--|_____| | | | | | | | +------ -----+ | | \/ C ---+----------* /\ | | +------ -----+ | | | _____ | | | _____ +--| | | | _____ +--| | | & |O---*--- !Q | | | | & |O---|_____| D ---*--| & |O---|_____| |_____| R T 1| ______ ______ ______ ______
0|____ ____ ____ ____ ____
| D 1| _________ _________ __ __ _ _
0|__ __ ____ ___ __ _ ______
| Qz1| ____________________ __ _ _
0|____ __ _______ _ ______
| Qf1| ____________________
0|____ ____________________
+----------------------------------------------------
Zeit| 4.5. |
+
- Erweitern Sie unter Benutzung der Schaltung Bild 1 das D-FF aus
Aufg. 4.4. so, daß ein taktflankengesteuertes D-FF entsteht. Ermitteln Sie analog zu Au Seite 7 hwp_v2.txt fg.4.4 den Verlauf von Q und tragen Sie ihn in das Diagramm ein. - Clock C an Eingang E der Schaltung Bild 1 Ausgang A der Schaltung Bild 1 mit Clock C verbinden (dies nähert die Flankensteuerung an) 4.6. |
+
- Bild 6 zeigt eine Schaltung, in der in einfacher Weise ein RS-F
F zu einem taktzustandsgesteuertem JK-FF erweitert wurde. Bauen Sie die Schaltung auf un d untersuchen Sie die Wirkung der 4 möglichen Eingangsbelegungen. Achten Sie dabei be sonders auf die Funktion der Eingangsbelegung J=K=1. C K J Q !Q
+---+---+---+----
0 0 0 Q~ !Q~ 0 0 1 Q~ !Q~ 0 1 0 Q~ !Q~ 0 1 1 Q~ !Q~ 1 0 0 Q~ !Q~ 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 !Q~ Q~ 4.7. |
+
- Untersuchen Sie das Verhalten des JK-FF's aus Aufg. 4.7 beim In
vertierungsbegfehl genauer, indem Sie die Ausgangsspannung oszilloskopieren. - Q wird mit einer Periodendauer von 64ns ständig invertiert. - die Spannung am Ausgang schwankt mit einer Amplitude von 5V z w. 0 und 5V
- Erklären Sie im Meßprotokoll das Verhalten der Schaltung.
- Die Latenzzeiten der Gatter verursachen ein Verzögerung beim Invertieren
- Welche Anforderungen müßte die Taktsteuerung erfüllen, wenn der
Invertierungsbefehl auch bei diesem einfachen JK-FF nutzbar sein sollte? - der Takimpulslänge muss kleiner 34ns sein, damit nur eine Inv ertierung ausgeführt wird. 4.8. Bauen Sie gemäß Bild 7 ein JK-MS-FF mit Zweizustandssteuerung auf. ====---------------------------------------------------------------
Seite 8 hwp_v2.txt 4.8.1. |
+
- Überprüfen Sie die Funktionsweise, gemäß den Vorgaben der Tabell
e Pkt. 4.8.3 (Werte in entsprechende Spalte eintragen!) Beachten Sie die Wirkung offener Eingänge - Einfach durchführen! (siehe Tabelle 4.8.3.) 4.8.2. |
+
- Messen Sie die Verzögerungszeit zwischen Takt und Ausgang Q bei
Ausführung des Invertierungsbefehls. - Einfach nur messen! (siehe Tabelle 4.8.3.) 4.8.3. |
+
| MS-2 | 1Fl(HL) T J K | Qs~ Qm Qs | Q~ Q
+---+---+ +---+---+---+ +---+----
0 1 0 | 0 1 1 | 1 1 0->1 1 0 | 1 1 1 | 1 1 1 0 0 | 1 1 1 | 1 1 1 0 1 | 1 0 1 | 1 1 1 0 0 | 1 0 0 | 1 1 1->0 0 0 | 1 0 0 | 1 1 0 1 1 | 0 0 0 | 1 1 0->1 1 1 | 0 1 0 | 1 1 1 | 0 1 0 | 1 1 1->0 1 1 | 0 1 1 | 1 0 0 1 1 | 1 1 1 | 0 0 0->1 1 1 | 1 0 1 | 0 0 1 1 1 | 1 0 1 | 0 0 4.9. Untersuchung des auf dem DIGI-BOARD vorhandenen einflanken-ges teuerten JK-FF's: ====---------------------------------------------------------------
4.9.1. |
+
- Überprüfen Sie die Funktionsweise, gemäß den Vorgaben der Tabell
e Pkt. 4.8.3 (Werte in entsprechende Spalte eintragen!) Offene Eingänge wirken wie "1". 4.9.2. | Seite 9 hwp_v2.txt
+
- Messen Sie die Verzögerungszeit zwischen Takt und Ausgang Q bei
Ausführung des Invertierungsbefehls (Schaltung Bild 8). - gemessen: 33ns Vervollständigen Sie das Impulsdiagramm Bild 9. T 1| ______ ______ ______ ______ 0|____ ____ ____ ____ ____ | Q 1| __________ __________ 0|__________ __________ ____ Welche Funktion realisiert diese Schaltung? - T-FF 4.9.3. |
+
- Untersuchen Sie die Wirkung der asynchronen Setz- und Rücksetzei
ngänge. Vervollständigen Sie die nachstehende Tabelle. (Reihenfolge einhalten, Takteingang passiv schalten) S R Q Q+1
+---+---+---+----
0 1 0 1 set 1 1 1 1 save 1 0 1 0 reset 1 1 0 0 save 0 0 0 0 off
- Wozu können in einem Automaten diese zustätzlichen Eingänge verw
endet werden? - Um auch ohne Flanke den Wert verändern zu können - Zur (Re-)Initialisierung Seite 10
