So funktioniert es

Zwei NOR-Gatter oder zwei NAND-Gatter können als Flip-Flop agieren:

In beiden Fällen musst du einen Wechselschalter (Umschalter) benutzen.

Ich habe den Wechselschalter jetzt drei Mal erwähnt (sogar viel Mal, wenn du diesen Satz dazu nimmst!), weil aus einem merkwürdigen Grund die meisten Einführungsbücher diesem Aspekt nicht genügend Rechnung tragen. Als ich das erste Mal etwas über Elektronik gelernt habe, bin ich fast verrückt geworden, als ich verstehen wollte, wie zwei NOR- oder NAND-Gatter einen einfachen Drucktaster (einen Schließer) entprellen können – bis ich dann herausgefunden habe, dass sie es gar nicht können. Der Grund ist der, dass die NOR-Gatter (oder NAND-Gatter) beim Einschalten der Schaltung wissen müssen, in welchem Zustand sie anfangen sollen. Sie brauchen eine anfängliche Ausrichtung, die daher kommt, dass sich der Schalter in dem einen oder anderen Zustand befindet. Es muss also ein Wechselschalter sein (Jetzt habe ich es fünf Mal gesagt.)

Ich benutze noch einen vereinfachten Schaltplan. In Abbildung 4.99 ist er in mehreren Phasen dargestellt, um zu die Veränderungen zu zeigen, die auftreten, wenn der Schalter an zwei NOR-Gattern hin und her geschaltet wird. Um deine Erinnerung aufzufrischen, habe ich auch eine Wahrheitstabelle der logischen Ausgänge von NOR-Gattern für alle Eingangskombinationen hinzugefügt.

Gehen wir davon aus, dass der Schalter nach links gekippt ist. Er leitet positive Spannung an die linke Seite der Schaltung und überwindet die negative Spannung vom pull-down-Widerstand. Wir können also sicher sein, dass das NOR-Gatter auf der linken Seite einen positiven logischen Ausgang hat. Weil jeder positive logische Eingang dafür sorgt, dass das NOR-Gatter ein negatives Ausgangssignal hat (wie die Wahrheitstabelle zeigt), geht der negative Ausgang an das rechte NOR-Gatter, das damit zwei negative Eingänge hat, worauf sein Ausgangssignal positiv wird. Das geht überkreuz wieder zurück zum linken NOR-Gatter. In diesem Zustand ist also alles stabil.

Jetzt kommt der schlaue Teil. Stell dir vor, du bewegst den Schalter so, dass er keinen seiner beiden Arbeitskontakte berührt. (Oder stell dir vor, dass die Schaltkontakte prellen und keine leitende Verbindung mehr herstellen oder dass du den Schalter ganz absteckst.) Ohne eine positive Versorgungsspannung vom Schalter fällt der linke Eingang des linken NOR-Gatters wegen des pull-down-Widerstands von positiv zu negativ. Der rechte Eingang dieses Gates ist aber immer noch positiv, und da ein positiver Eingang reicht, damit das NOR-Gatter seinen negativen Ausgangspegel beibehält, ändert sich auch nichts. Anders gesagt, die Schaltung ist in diesem stabilen Zustand eingerastet.

Wenn der Schalter jetzt ganz nach rechts umgelegt wird und positive Spannung an den rechten Pins des rechten NOR-Gatters leitet, erkennt das Gatter blitzschnell, dass es jetzt einen positiven logischen Input hat, so dass sein logischer Ausgang negativ wird. Dieser liegt ja am anderen NOR-Gatter an, das dann zwei negative Eingänge hat, so dass sein Ausgangspegel positiv wird und der wiederum an das rechte NOR-Gatter zurückgekoppelt wird.

Dadurch vertauschen die Ausgangszustände der zwei NOR-Gatter ihre Plätze. Sie kippen um und bleiben in diesem stabilen Zustand, auch wenn der Schalter den Kontakt unterbricht oder ausgesteckt wird. Die zweite Reihe von Zeichnungen in Abbildung 4.100 zeigt dieselbe Logik mit einem negativ versorgten Schalter und zwei NAND-Gattern. Du kannst das mit deinem 74HC00-Chip selbst ausprobieren, der in der Bauteilliste dieses Experiments aufgeführt ist.

So ein Flip-Flop wird auch als RS-Kippstufe (Reset/Set) bezeichnet, weil die Ausgänge beim Umlegen des Schalters in den jeweilig anderen Zustand kippen und dort bleiben. Du kannst diese Schaltung überall benutzen, wo du einen Schalter entprellen musst (solange es sich um einen Wechselschalter handelt).

Eine anspruchsvollere Ausführung ist das taktgesteuerte Flip-Flop, bei dem du den Zustand jedes Eingangs zuerst festlegen musst und dann ein Taktsignal anlegst, worauf das Flip-Flop reagiert. Der Impuls muss deutlich und präzise sein. Das bedeutet: Wenn du so ein Flip-Flop an einen Schalter anschließt, muss der Schalter z.B. erst mit einem anderen Flip-Flop entprellt werden. Diese Überlegungen haben mich zögern lassen, taktgesteuerte Flip-Flops in diesem Buch einzusetzen. Sie fügen einen weiteren Schwierigkeitsgrad hinzu, den ich in diesem Einführungstext gerne vermeiden würde.

Was machst du, wenn du einen Taster oder einen einfachen (Ein-)Schalter entprellen willst? Dann hast du ein Problem! Eine Lösung bestünde darin, einen Spezial-Chip wie den Entprell-Chip 4490 zu benutzen, der eine digitale Verzögerungsschaltung enthält; z.B. den MC14490PG von On Semiconductor. Dieser enthält sechs Schaltungen für sechs einzelne Eingänge mit internen pull-up-Widerständen. Er ist aber relativ teuer und kostet fast zehnmal soviel wie ein 74HC02 mit NOR-Gattern. Es könnte also wirklich einfacher sein, Wechselschalter zu benutzen und sie einfach zu entprellen, wie es hier beschrieben wurde.