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Ein Zwei-Bit-Schieberegister: D-Latch mit 4013



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Bis auf den 4093-Blinker und das Umkippen des R-S-Flipflops war bisher alles mehr oder weniger statisch. Digitaltechnik ist aber meistens eine dynamische Angelegenheit: da wird getaktet, Bits werden geschoben, Takte werden gezählt, und alles unterliegt einem zeitlichen Wandel. Höchste Zeit, ein wenig von dieser Dynamik in die Experimentierreihe einzuführen, mit einem recht vielseitigen D-Flipflop.

So ein D-Flipflop hat mindestens vier Anschlüsse, hier sind sie:

D-Flipflop

Seine Funktionsweise ist einfach folgende: Dass der Zustand nur wechselt, wenn Takteingang von Low nach High wechselt, heißt bei Digitaltechnikern "positiv flankengetriggert". Englisch "to trigger" bedeutet so viel wie "anstoßen". Und natürlich gibt es auch negativ flankengetriggerte D-Flipflops, aber unserer reagiert nur auf positive Flanken.

Manche D-Flipflops haben noch zwei zusätzliche Eingänge, nämlich RESET oder CLEAR und SET. Damit lässt sich der Flipflop unabhängig vom Eingang D und vom Takt zurürücksetzen oder setzen, ganz so wie ein R-S-Flipflop. Bei Digitaltechnikers nennt man das dann "asynchron", weil es jederzeit zuschlagen kann und unabhängig ist von irgendwelchen Taktsignalen.

Mit solchen D-Flipflops bauen wir in diesem Experiment ein zwei-bittiges Schieberegister.

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Die Schaltung

Die Schaltung sieht so aus:

Schaltbild Schieberegister

Die erste Neuerung, die hier gelernt werden muss, ist, dass die Versorgungsleitungen nur noch mit einem umkringelten Plus und einem Strich für Minus eingezeichnet sind. Das spart einfach Striche und Tinte. Und das machen alle so, also auch wir ab hier.

Es beginnt links unten mit einem 0,8-Sekunden-Taktgenerator aus einem Viertel eines 4093, einem 100k-Widerstand und einem 10µF-Elko. Der Taktausgang taktet beide D-Flipflops des 4013.

Der linke D-Flipflop wird am Dateneingang mit einem DIP-Schalter eines Mäuseklaviers gefüttert. Der Dateneingang des rechten D-Flipflops ist mit dem Ausgang Q des linken D-Flipflops verbunden und übernimmt beim ansteigenden Signal des Taktgeneratores dessen Zustand.

An die Ausgänge Nicht-Q (Q-mit-Querstrich) der beiden D-Flipflops sind über 1k-Widerstände zwei Leuchtdioden gegen Plus angeschlossen, sie sind an, wenn die Q-Ausgänge High sind.

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Die Bauteile

Die beiden Widerstände von 100kΩ, den von 1 kΩ, den Elko von 10 µF, die LED, das CMOS-IC 4093 und die 14-polige IC-Fassung kennen wir schon.

Das CMOS-IC 4013

So sieht das IC 4013 äußerlich aus. Es ist 14-polig.

CMOS-IC 4013

Seine Innereien sind hier abgebildet.

Innenschaltung 4013

Die Betriebsspannungsanschlüsse VDD (plus) und VSS (minus) sind wie beim 4093 an zwei Ecken angeordnet (englisch: corner pinning). Ein D-Flipflop ist an die Pins 1 bis 6, der zweite an 8 bis 13 angeschlossen. Wie zu erkennen ist, hat der 4013 nach außen geführte RESET(CLR)- und SET-Anschlüsse, kann also auch asynchron manipuliert werden. Sowohl die normalen (Q) als auch die invertierten (Q-mit-Querstrich) Ausgänge sind herausgeführt.

Die Abblockkondensatoren 100 nK

Das hier ist ein Abblockkondensator mit 100 nF Kapazität und Keramikisolation:

C 100nK

Solche Kondensatoren kommen immer dann zum Einsatz, wenn die Betriebsspannung an MOS-ICs "sauber" gehalten werden muss. Die wird nämlich "dreckig", weil MOS-ICs an ihren Ausgängen zwei MOS-Transistoren haben. Einen, der den Ausgang nach Plus zieht, einen, der nach Minus zieht. Solange einer der beiden abgeschaltet ist, passiert nix dramatisches. Wenn aber die Polarität des Ausgangs wechselt, dann sind für eine sehr kurze Zeit beide ein kleines bisschen an. In diesem kurzen Moment ist der Stromverbrauch sehr groß, an den Versorgungsspannungsanschlüssen wird für eine sehr kurze Zeit viel Strom gebraucht, die Spannung kann dann kurzzeitig etwas zusammenbrechen.

Der Zusammenbruch ist umso stärker, je länger die Leitung bis zur Batterie ist. Nicht wegen des Widerstands der Leitung (der sehr klein ist), sondern weil die Leitung auch wie eine kleine Spule wirkt und sich dem plötzlichen Stromanstieg entgegenstemmt. Der kurze Spannungszusammenbruch und die umgekehrte Spulenwirkung, wenn der Strom wieder steil abnimmt, kann weitere, sehr kurze Schaltvorgänge im IC selbst oder auch bei benachbarten ICs nach sich ziehen. Bei Digitaltechnikers heißt das "Noise auf der Versorgungsleitung".

So ein kleiner Keramikkondensator macht Schluss mit diesem Noise, weil er beim Spannungszusammenbruch mit seiner geladenen Kapazität erst mal selbst Strom in das IC leitet, und deswegen die kurze Belastung auf der Versorgungsleitung überbrückt, und weil er auch noch so gebaut ist, dass er möglichst wenig selbst wie eine Spule wirkt (induktionsarm). Klassische Wickelkondensatoren oder Folienkondensatoren sind viel zu viel selbst Spule, nur die sehr speziellen Keramikkondensatoren können das. Und auch nur dann, wenn sie möglichst nahe an den Versorgungsspannungspins des IC sitzen.

Also immer wenn es dynamisch wird, einen Keramikkondensator, auch "Abblockkondensator" genannt, pro IC spendieren, dann bleibt auch alles sauber. Meister Proper der Versorgungsleitung. Aber nicht irgendeinen, der kann es sogar verschlimmbessern, sondern Keramik (deswegen heißt er auch 100 nK!).

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 beginnt mit dem Taktgeber um den 4093:

Aufbau Taktgenerator

Dann folgt der Rest:

Aufbau Schieber

Wie es funktioniert, steht weiter unten. Index Top

Wie es funktioniert



Bei Inbetriebnahme der Schaltung und offenem DIP-Schalter 1 sind alle beiden Leuchtdioden aus. Wird der DIP-Schalter 1 geschlossen, dann geht die erste LED nach dem ersten Takt des Taktgebers an, die zweite bleibt aus. Mit dem nächsten Takt geht auch die zweite LED an.

Wird der DIP-Schalter wieder geöffnet, dann geht nach dem ersten Takt die erste LED wieder aus, die zweite bleibt an. Beim nächsten Takt geht auch die zweite LED wieder aus.

Die Animation zeigt die Zusammenhänge beim D-Flipflop in einer etwas anderen Darstellung.

Zuswtände D-Flipflop Am D-Eingang (schwarze Kurve) liegen mit der Zeit irgendwelche Zustände an. Der CLK-Eingang (grüne Kurve) wechselt regelmäßig, die ansteigenden Flanken sind gekennzeichnet und takten den Flipflop.

Ist der Eingang D während (oder besser: ganz kurz vor) einer solchen Flanke auf High (erste und dritte Flanke), dann geht der Ausgang Q (blaue Kurve) auf High.

Ist der Eingang D kurz vor der Flanke auf Low (zweite Flanke), dann geht der Ausgang Q ebenfalls auf Low. Der Ausgang Nicht-Q (Q-mit-Querstrich), die violette Kurve, folgt dabei einfach dem invertierten Q-Ausgang.

Was der D-Eingang zwischen den positiven Flanken macht hat keinen Einfluss auf das Ergebnis, entscheidend ist nur der Zustand kurz vor der Flanke am CLK-Eingang.

Mit "kurz davor" ist ein Zeitraum von 15 Nanosekunden, also 0,000.000.015 Sekunden, gemeint, also ein extrem kurzer Zeitraum davor. Nichts was irgendwie mit Schaltern zu tun hat, weil die 100.000 mal länger brauchen um tatsächlich mechanisch umzuschalten.

Dieses Verhalten bezeichnet man als "Schieberegister". Wir könnten noch weitere D-Flipflops hinten dran bauen und könnten dann z. B. acht oder 64 Schiebevorgänge brauchen, bis das am Dateneingang hereingeschobene Bit am letzten D-Flipflop wieder herauskommt.

Natürlich gibt es auch mehr Schieberegister pro IC fertig zu kaufen, z. B. Es ist also für jedem Geschmack etwas dabei.

Man kann mit solchen Schieberegistern z. B. Hauptsache, wir haben erst mal das digitale Schieben verstanden, dann durchschauen wir auch solche komplizierteren Schiebtricks.

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©2012 by Gerhard Schmidt