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Praktische Elektronik


Wir lernen, wie man mit NAND-Gattern einen einen Daten-Speicher aufbaut.


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Daten-Speicher

Alles NAND, ODER?


Daten-Speicher

Wir haben in dem Praktikum NAND-Gatter mit Gedächtnis gelernt, wie mit zwei NAND-Gattern ein einfacher Speicher, ein R-S-Flip-Flop aufgebaut wird.

Nand_RS.png
Bild 1: Ein RS-Flip-Flop aus NAND-Gattern

Ein R-S-Flip-Flop ist allerdings nicht einfach anzusteuern. Wir müssen vermeiden, dass beide Eingänge 0 werden.

Die folgende Schaltung vermeidet diesen Nachteil.

Nand-D-Speicher.png
Bild 2: D-Speicher (D-Latch) aus Nand-Gattern

Die Schaltung in Bild 2 ist ein einfacher Daten-Speicher, meistens D-Latch genannt. Er hat drei Anschlüsse:

  • den Dateneingang D,
  • den Takteingang C und
  • den Datenausgang Q.

Eine Änderung des Zustands am Dateneingang (über Taster D) hat keine Wirkung auf die Ausgänge, wenn C 0 ist. Ist der Eingang C 1, folgt der Ausgang Q dem Dateneingang D. Q behält den Zustand, wenn C 0 ist.

Die LED1 und LED2 zeigen, wie die Signale für das RS-Flip-Flop gebildet werden. Nur wenn C 1 kann der Ausgang der Gatter IC1A und IC1B 0 werden. IC1A wird nur dann 0 ausgeben, wenn D = 1 und C = 1 ist. Dann ist der Eingang 4 von IC1B 0 und IC1B erzeugt eine 1. Wenn D = 0 ist, gibt IC1A immer 1 aus. Daher erzeugt IC1B eine 0, wenn C = 1 ist. Damit wird das RS-Flip-Flop zurückgesetzt.

Diese Schaltung ist grundlegend und wir sollten sie auf dem Steckbrett aufbauen.

Wir betrachten die Wahrheitstabelle eines D-Latches:

D C Q
0 1 0 1
1 1 1 0
x 0 Q

x meint 0 oder 1.

Das D-Latch hat den Nachteil, dass der Ausgang dem Eingang folgt. Wenn wir den Ausgang über eine Logik dem Eingang wieder zuführen würden, können wir Chaos erzeugen.

Auf der anderen Seite können gerade über die Bestimmung des nächsten Zustands aus dem derzeitigen intelligente Schaltungen (Zustands-Maschinen) aufgebaut werden. Wir werden darauf noch eingehen. Moderne D-Speicher übernehmen deshalb den Zustand nicht während der Takt aktiv ist, sondern mit einer Taktflanke.

74HC175

Es gibt zwar den 74HC75 mit vier D-Latches. Wir nehmen jedoch aus den oben genannten Gründen ein 74HC175.

D-Register-74HC175.png
Bild 2: Vierfach D-Register 74HC175

Das D-Register 74HC175 hat alles, was zum Bau von Zustandsmaschinen benötigt wird.

  • Der Zustand wird übernommen, wenn der Takt CLK von 0 nach 1 übergeht, mit der positiven Flanke des Übergangs von 0 nach 1.
  • Änderungen vor oder nach der Flanke haben keinen Einfluss auf den Wert im D-Register.
  • Es hat den Eingang CLR mit dem alle Q-Ausgänge auf 0 gesetzt werden.
    Der Kreis am Eingang von CLR besagt, das vor CLR ein NOT liegt, d.h. wenn and den Pin 1 eine 0 gelegt wird werden alle D-Register zurückgesetzt.
  • Wenn der 74HC175 eingeschaltet wird, hat er einen zufälligen Wert.
  • Durch CLR wird der 74HC175 auf einen definierten Wert.
  • Es hat für jeden Ausgang Q einen invertierten Ausgang Q̅.
    Diese sind hilfreich an das D-Register komplexe Logiken anzuschließen.

Die Wahrheitstabelle für jedes D-Register ist:

CLR CLK D Q
0 x x 0 1
1 1 1 0
1 0 0 1
1 0 x Q
1 0 x Q

Mit x ist ein beliebiger Wert (0 oder 1) gemeint.
Mit dem ist die Flanke von 0 nach 1 gemeint. Entsprechend ist die Flanke von 1 nach 0.

Der 74HC175 hat wieder die Stromversorgung unten rechts Minus und oben links Plus.

Weitere Versuche

1.
In der Schaltung Bild 3, wird der Ausgang Q̅3̅ auf den Eingang D3 zurückgeführt. Der Taster D und R1 werden natürlich entfernt. Wie verhält sich die Schaltung, wenn der Taster C betätigt wird?
3.
Können wir uns auf das Verhalten im Versuch 2. verlassen?
Der Zustand von Q3 sollte bei jedem Takt umschalten.
Wenn nicht, prellt der Taster für den Takt.
Welche Lösung gibt es gegen Prellen?

Regeln

  • D-Latches und D-Register werden über einen Takt gesteuert.
  • Zustands-gesteuerte D-Latches übernehmen das Datum am Eingang, wenn der Takt aktiv ist.
  • Flanken-gesteuerte D-Register übernehmen das Datum am Eingang mit einer Taktflanke.
  • Eine Flanke ist der Übergang
  • von 0 nach 1, positiv oder steigend
  • von 1 nach 0, negativ oder fallend
  • Mit einem CLR oder Reset-Eingang können D-Register auf einen definierten Wert (meisten 0) gesetzt werden.
  • Fast immer ist es besser, flankengesteuerte D-Register zu verwenden.