RS-Flip-Flop / SR-Flip-Flop (nicht-taktgesteuert)
Das RS-Flip-Flop (nicht-taktgesteuert) ist ein bistabiles Element und der Grundbaustein für alle Flip-Flops in der Digitaltechnik. Man kann dieses Flip-Flop aus zwei NOR-Verknüpfungen oder zwei NAND-Verknüpfungen aufbauen.
- Beim RS-Flip-Flop mit NOR-Gliedern spricht man von einem 1-aktiven Flip-Flop.
- Beim RS-Flip-Flop mit NAND-Gliedern spricht man vom 0-aktiven Flip-Flop.
Diese Art von Flip-Flop wird in der Digitaltechnik häufig zum Speichern von Zuständen verwendet oder hinter Schaltern oder Tastern geschaltet um den mechanischen Schaltvorgang prellfrei auswerten zu können.
In der Literatur gibt es zwei Bezeichnungen für dieses Flip-Flop:
- RS-Flip-Flop
- SR-Flip-Flop
In den weiteren Ausführungen wird das SR-Flip-Flop (SR-FF) erwähnt, aber nur das RS-Flip-Flop (RS-FF) erklärt.
Unterschied: RS-Flip-Flop und SR-Flip-Flop
Unterschied zwischen RS-Flip-Flop und SR-Flip-Flop ist laut IEC61131 die Dominanz bezogen auf das Q-Signal, wenn sowohl der Rücksetz-Eingang (Reset, R) als auch Setz-Eingang (Set, S) logisch 1 sind.
- Das RS-Flip-Flop ist ein bistabiler Funktionsblock mit dominantem Rücksetzen (R).
- Das SR-Flip-Flop ist ein bistabiler Funktionsblock mit dominantem Setzen (S).
RS-Flip-Flop und SR-Flip-Flop in einer SPS mit Step7
Bei einem SR-Flip-Flop sollte standardmäßig „Setzen“ dominant sein. Bei einem RS-Flip-Flop sollte standardmäßig „Rücksetzen“ dominant sein. Es gibt allerdings Anwendungen, die sich nicht standardkonform verhalten, was für Verwirrung sorgen kann. Zum Beispiel bei einer SPS mit Step7. Hier ist es genau andersherum. Hier ist das SR-Glied rücksetzdominant und das RS-Glied setzdominant.
RS-Flip-Flop aus NOR-Verknüpfungen (NOR-Flip-Flop / NOR-Latch)
Ein einfaches nicht-taktgesteuertes Flip-Flop wird aus zwei NOR-Vernüpfungen zusammengeschaltet. Diese Grundschaltung nennt man NOR-Flip-Flop oder NOR-Latch. Erst mit dem Vertauschen der Flip-Flop-Ausgänge wird es zum RS-Flip-Flop.
In der Regel sind die beiden Ausgänge (Q1 und Q2) zueinander negiert. Doch weil die Ausgänge gleichzeitig einen L-Pegel ausgeben können, müssen sie immer getrennt betrachtet werden.
Schaltzeichen
Im Schaltzeichen des SR- oder RS-Flip-Flops werden die Eingänge mit S (setzen) und R (rücksetzen) bezeichnet. Q2 ist zu Q1 negiert.
Bei diesem Schaltzeichen handelt es sich um das Schaltzeichen eines richtigen RS-Flip-Flops.
Wahrheitstabelle
| E1 (S) | E2 (R) | Q1 | Q2 | Zustand |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 1 | 0 | Setzen (set) |
| 0 | 0 | X | X | Speichern |
| 0 | 1 | 0 | 1 | Rücksetzen (reset) |
| 1 | 1 | 0 | 0 | nicht speicherbar |
Erläuterung der Zustände in der Wahrheitstabelle
Setzen: Bei H-Pegel am S-Eingang wird der Ausgang Q1 auf H-Pegel gesetzt.
Speichern: Führt der S-Eingang L-Pegel, so bleibt der Ausgang Q1 unverändert.
Rücksetzen: Wird der R-Eingang mit H-Pegel beschaltet, wird der Ausgang Q1 auf L-Pegel gesetzt.
Nicht speicherbar: Werden beide Eingänge auf H-Pegel gesetzt, führen beide Ausgänge L-Pegel. Dieser Zustand kann nicht gespeichert werden. In der üblichen Fachliteratur wird dieser Zustand als "unbestimmt" oder "verboten" bezeichnet. Doch die Unbestimmtheit tritt nur dann auf, wenn beide Eingänge nach diesem Zustand gleichzeitig L-Pegel erhalten. Dieser Folgezustand ist "unbestimmt", weil nicht klar ist, welcher Ausgang H-Pegel führt.
Ein Problem ist es, wenn nach einem H-Pegel an beiden Eingängen, ein L-Pegel an beiden Eingängen folgt.
RS-Flip-Flop aus NAND-Verknüpfungen (NAND-Flip-Flop / NAND-Latch)
Ein einfaches nicht-taktgesteuertes Flip-Flop kann auch aus NAND-Verknüpfungen zusammengeschaltet werden. Diese Grundschaltung nennt man dann NAND-Flip-Flop oder NAND-Latch. Wenn also die NOR-Verknüpfungen durch NAND-Verknüpfungen ersetzt werden, dann erhält man ein Flip-Flop mit negierten Eingängen (siehe Schaltzeichen). Erst dann, wenn vor die Flip-Flop-Eingänge jeweils eine NICHT-Verknüpfung geschaltet wird, wird das Flip-Flop zu einem RS-Flip-Flop.
Dieses wird durch L-Pegel am S-Eingang gesetzt und am R-Eingang rückgesetzt. Der Speicherzustand wird durch H-Pegel an beiden Eingängen hergestellt.
In der Regel sind die beiden Ausgänge (Q1 und Q2) zueinander negiert. Doch weil die Ausgänge gleichzeitig einen L-Pegel ausgeben können, müssen sie immer getrennt betrachtet werden.
Schaltzeichen (eines NAND-Flip-Flop)
Ein RS-Flip-Flop mit NAND-Verknüpfungen erkennt man an den negierten Eingängen.
Im Schaltzeichen werden die Eingänge mit S (setzen) und R (rücksetzen) bezeichnet. Q2 ist zu Q1 negiert.
Bei diesem Schaltzeichen handelt es sich allerdings nicht um ein richtiges RS-Flip-Flop. Es handelt sich eher um das Schaltzeichen eines NAND-Flip-Flops. Erst mit jeweils einer NICHT-Verknüpfung vor den Eingänge wird es zu einem richtigen RS-Flip-Flop. Das bedeutet, erst mit zusätzlicher Beschaltung, von zwei NICHT-Verknüpfungsgliedern wird ein NAND-Flip-Flop zum RS-Flip-Flop.
Wahrheitstabelle
| E1 (S) | E2 (R) | Q1 | Q2 | Zustand |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 1 | 0 | Setzen (set) |
| 1 | 1 | X | X | Speichern |
| 1 | 0 | 0 | 1 | Rücksetzen (reset) |
| 0 | 0 | 1 | 1 | nicht speicherbar |
Wie lässt sich der verbotene Zustand bei einem RS-Flip-Flop vermeiden?
Der verbotene Zustand bei einem RS-Flip-Flop (NOR) tritt dann auf, wenn beide Eingänge (Set und Reset) gleichzeitig auf High-Pegel (1) gesetzt werden. Um diesen Zustand zu vermeiden, gibt es verschiedene Ansätze.
Eingangssignale mit einer zusätzlichen logische Schaltungen überwachen
Man kann eine zusätzliche logische Schaltungen verwenden, um sicherzustellen, dass niemals beide Eingänge gleichzeitig auf High-Pegel gesetzt werden.
Verwendung eines D-Flip-Flops
Ein D-Flip-Flop ist eine modifizierte Version des RS-Flip-Flops, bei dem der Rücksetz-Eingang zum Setzeingang negiert ist. Dadurch wird verhindert, dass der unbestimmte Zustand eintritt.
Übersicht: Logische Schaltung in der Elektronik
Übersicht: Flip-Flops
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