Schaltungs- und Systementwurf

Die Grundbauelemente der Mikroelektronik sind die aus Transistoren gebauten Logikgatter. Die Information zwischen diesen Gattern wird nur Bitweise übertragen, das heißt es gibt nur EINS (high) oder NULL (low). High und Low bedeuten die Spannungspotentiale, bei denen die Transistoren durchschalten. 0V bis ca. 5 V entsprechen Low, High dagegen sind ca. 7V bis 15V, je nach verwendeter Logikfamilie. Die dazwischen liegenden 2V sind eine Übergangsschicht.

Einleitung - Die einfachsten Logikgatter

Name	Funktion	DIN40900Teil 12	US-Norm	Logiktabelle
AND / UND	$E_{1}\wedge E_{2}\wedge ...En=A$	Datei:Logikgatter and.jpg AND	Datei:Logikgatter and us.jpg AND_US	E1 E2 A 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1
OR / ODER	$E_{1}\vee E_{2}\vee ...E_{n}=A$	Datei:Logikgatter or.jpg OR	Datei:Logikgatter or us.jpg OR_US	E1 E2 A 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
NOT / NICHT	${\bar {E}}=A$(Inverter)	Datei:Logikgatter not.jpg NOT	Datei:Logikgatter not us.jpg NOT_US	E1 A 0 1 1 0
NAND / nicht UND	${\bar {(E_{1}\wedge E_{2}\wedge ...E_{n})}}=A$	Datei:Logikgatter nand.jpg NAND	Datei:Logikgatter nand us.jpg NAND_US	E1 E2 A 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0
NOR / nicht ODER	${\bar {(E_{1}\vee E_{2}\vee ...E_{n})}}=A$	Datei:Logikgatter nor.jpg NOR	Datei:Logikgatter nor us.jpg NOR_US	E1 E2 A 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0
XOR / Exklusiv-ODER	$E_{1}\wedge {\bar {E_{2}}}\vee {\bar {E_{1}}}\wedge E_{2}=A$	Datei:Logikgatter xor.jpg XOR	Datei:Logikgatter xor us.jpg XOR_US	E1 E2 A 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

Flip-Flops

Flip-Flops sind speichernde Logikgatter, die bei einem Impuls (>0 sec) an den Eingängen den Ausgang setzen, beziehungsweise zurücksetzen. Dieser Zustand wird dann solange gehalten, bis an den Eingängen wieder ein Impuls (>0 sec) ankommt.

Die einfachsten sind RS-Flip-Flops, JK-Flip-Flops:

Das RS-Flip-Flop

Ein RS-Flip-Flop wird gesetzt, wenn am Setz (Set)-Eingang ein High-Signal (>0 sec.) anliegt. Dann liegt am Ausgang ein High-Signal. Liegt ein High-Signal (> 0 sec.) am Rücksetz (Reset)-Eingang, ist der Ausgang "Low". Ist ein RS-Flip-Flop dominant setzend, ist der Ausgang High bei gleichzeitem Signaleingang an R und S und umgekehrt.

Name	Zeichen	Impulsdiagramm
RS-Flip-Flop	Datei:Rs FlipFlop.jpg RS FlipFlop	Datei:Rs impulsdiagramm.jpg Impulsdiagramm

Das JK-Flip-Flop

Das JK-Flip-Flop hat zusätzlich zu den R und S Eingängen 3 weitere Eingänge J,K,C). Die RS- Eingänge bleiben aber dominierend, dass heißt die Ausgänge reagieren primär auf Signale an diesen Eingängen. Der Eingang C kann für steigende Flanken (Wechsel von 0 auf 1) oder für fallende Flanken (Wechsel von 1 auf 0) ausgelegt werden. Bei einem Flankenwechsel, werden die Signale von den Eingängen J (entspricht S) und K (entspricht R) abgerufen und (sofern keine Signale an R und S anliegen) und wirken sich auf die Ausgänge aus.

Name	Zeichen	Impulsdiagramm	Erläuterung
JK-Flip-Flop	Datei:Jk FlipFlop.jpg JK FlipFlop	Datei:Jk impulsdiagramm.jpg Impulsdiagramm	während des Taktes nach neg. Taktflanke J K Q 0 0 Zustand bleibt erhalten 0 1 FlipFlop zurückgesetzt 1 0 FlipFlop gesetzt 1 1 Zustand ändert sich (Frequenzteiler)

Schaltungen

einfache Grundschaltungen

Logikverknüfung

einfache Schaltung

einfache Schaltung

Diese einfache Logikverknüpfung ist eine der einfachsten Grundschaltungen.
Am Schaltungsausgang F liegt ein Signal an wenn:
- an den Eingängen b UND c ein Signal anliegt ODER
- am Eingang a ein Signal ansteht

Speicherschaltung

einfache Speicherchaltung

einfache Speicherchaltung

Diese Schaltung speichert, wenn ein Signal b am Speichereingang S anliegt. Dann ist der Ausgang Q HIGH. Dieser Ausgang wird so lange gespeichert, bis das Signal c am Rücksetzeingang R anliegt.
Der Schaltungsausgang F ist HIGH, wenn:
- am Eingang a ein Signal anliegt UND
- das FlipFlop gesetzt ist (Q = 1)