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Ein Ein-Bit-Speicher: R-S-Latch mit 4093



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In der Wirklichkeit und auch in der Digitaltechnik kommt es oft darauf an festzustellen, ob sich irgendwann etwas ereignet hat. Das Ereignis soll festgestellt und diese Tatsache festgehalten werden, egal ob es noch einmal passiert oder nur einziges Mal. Hat ein Sensor einmal festgestellt, dass der erste Wettläufer die Ziellinie überschritten hat oder dass ein Fenster oder eine Tür aufgehebelt worden ist, soll das festgehalten und gespeichert werden. Selbst wenn der Wettläufer in seiner Gewinnerfreude wieder hinter die Ziellinie läuft oder der Einbrecher die Tür wieder zumacht, ändert das am eingetretenen Ereignis nichts. Was danach noch alles passiert, soll nichts mehr am Zustand ändern.

Dafür braucht man bei Digitaltechnikers Flipflops. Nämlich R-S-Flipflops, wobei "R" für Rücksetzen oder englisch RESET steht, "S" für Setzen oder englisch SET. Die Flipflops kippen bei bei dem Ereignis um (S) und bleiben dann so stehen. Sie halten den Zustand so fest, deshalb heißen sie englisch auch Latch, was so viel bedeutet wie "Auffangregister" oder "Einraster". Erst wenn die Polizei mit dem Schlüssel für die Alarmanlage kommt, wird der Einbruchsmelde-Flipflop wieder auf RESET gestellt (R). Dazwischen bleibt der Flipflop stur so stehen wie es der Einbrecher mit dem S-Ereignis gesetzt hat. Selbst wenn er noch weitere Türen oder Fenster öffnet oder den Sensor ausbaut, er kriegt den Alarm nicht mehr abgestellt. Und wenn die Alarmanlage auf Batterie oder Akku läuft, hilft auch Stromabstellen nichts.

So einen R-S-Flipflop bauen wir in diesem Experiment, mit zwei NAND-Gattern in einem 4093.

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Die Schaltung

Die Schaltung sieht so aus:

Schaltbild R-S-Latch

Das Latch sind die beiden linken NAND-Gates, deren Ausgänge jeweils mit einem Eingang des jeweils anderen NANDs verbunden sind. Die beiden anderen NAND-Gatter des 4093 dienen nur als Verstärker zum Antreiben der Leuchtdioden.

Die beiden Eingänge sind mit Widerständen von 470 kΩ an die positive Betriebsspannung gelegt. Wird der untere oder obere Sensoreingang berührt, dann werden der untere bzw. der obere Eingang auf logisch Null gezogen und der Flipflop kippt.

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Die Bauteile

Das NAND-IC 4093, sein Inneres, die 14-polige IC-Fassung, die Widerstände von 1 kΩ und die LEDs kennen wir schon, bleiben nur die 470k-Widerstände.

Die Widerstände 470 kΩ

So sehen die beiden 470k-Widerstände aus.

Widerstand 470k

Die Ringe gelb (vier), violett (sieben), schwarz (null) und orange (drei Nullen) geben den Wert an.

Bauteilliste

Die für dieses Experiment benötigten Bauteile sind in der Bauteilliste für den Elektronikladen Zimmermann in Darmstadt und für den Versandhandel Reichelt aufgelistet.

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Aufbau der Schaltung

Der Aufbau erfolgt so:

Aufbau R-S-Latch

Die Rückseite des 4093 sieht im Detail so aus:

Aufbau R-S-Latch Detail

Man beachte die beiden Brücken, die die beiden Eingänge miteinander kurzschließen.

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Wie es funktioniert

Wenn beide Eingänge High sind, kennt so ein RS-Latch zwei stabile Zustände:

Zuswtände R-S-Latch

Im rückgesetzten Zustand (links) sind beide Eingänge des oberen NAND High, sein Ausgang ist folglich Low. Da damit einer der beiden Eingänge des unteren NAND immer Low ist, ist sein Ausgang immer high. Das ändert sich auch nicht, wenn wir den freien Eingang des unteren NAND auf Low ziehen würden, denn dadurch ändert sich der untere NAND-Ausgang nicht.

Das untere NAND ist inaktiv, nur der freie Eingang des oberen NAND hört uns zu. Geht der obere freie Eingang auf Low, dann wechselt der Ausgang des oberen NAND auf High. Dadurch kriegt das untere NAND an beiden Eingängen High und sein Ausgang wechselt auf Low. Dadurch wird aber auch der über Kreuz verkoppelte Eingang des oberen NAND auf Low und hält den Ausgang des oberen NAND auf High. Selbst wenn der freie Eingang des oberen NAND jetzt wieder auf High wechselt, hält das untere NAND das obere weiter im gleichen Zustand. Der Flipflop ist gekippt und hat jetzt den Zustand rechts im Bild.

Jetzt hört das obere NAND nicht mehr zu, nur das untere. Wenn dessen freier Eingang auf Low geht, dann kippt der Flipflop wieder zurück.

Etwas verwirrend ist die Unterscheidung in "Rückgesetzt" und "Gesetzt" deshalb, weil wir eigentlich dazu sagen müssten, aus welcher Sicht wir das sehen: aus Sicht des oberen oder des unteren NAND. Beide sind ja spiegelverkehrt. Wir werden später noch an anderen Fällen sehen, dass gesetzt und rückgesetzt sinnvolle Begriffe sind, um den Zustand von Flipflops zu benennen.

Gehen beide freien Eingänge auf Low, dann sind beide NAND-Ausgänge High. Das bleibt so lange so, bis einer der beiden freien Eingänge wieder High wird, dann gewinnt also die Seite, die ein klein wenig länger auf Low bleibt. Und mit "ein klein wenig" meinen wir in diesem Fall weniger als eine Millionstel Sekunde.

Gehen aber beide wirklich gleichzeitig auf High, dann haben wir ein unvorhersehbares Ergebnis: einer der beiden gewinnt den Zweikampf, weil nicht beide gewinnen können. Welche Seite das ist, ist unbekannt. Solche Fälle sind in der Digitaltechnik des Teufels, weil sie zu unvorhersehbaren Reaktionen führen. Man stelle sich vor, dass das Garagentor wegen so einem blöden Fehler zugeht, während man sein Auto gerade mitten drunter stehen hat und in die Garage herein- oder herausfahren will. Ein verbeultes Dach und Lackschäden sind das Mindeste.

Entwicklungsingenieure müssen solche Ausnahmesituationen in ihren Schaltungen sorgfältig vermeiden. Wir können in unserer Schaltung die beiden Eingänge zusammenschalten und auf Null ziehen und loslassen und so herauskriegen, welches NAND den Zweikampf gewonnen hat und mit mehrfachen Versuchen feststellen, ob immer dasselbe gewinnt.

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©2012 by Gerhard Schmidt