Taktgesteuerte Schaltwerke

Parallel ladendes 4-Bit-Register

Auf vier Leitungen ankommende Daten sollen von einem Register gleichzeitig übernommen werden.

4-Bit-Rechtsschieberegister

Bei fallender Taktflanke soll der Inhalt eines Registers um eine Stelle nach rechts geschoben werden. Von links her kann ein Wert nachgeschoben werden, der am Eingang E anliegt. Der Anfangswert kann durch statisches Setzen und Löschen in das Register geschrieben werden.

Parallel ladendes 4-Bit-Schieberegister

Schieberegister und Laderegister sollen miteinander kombiniert werden. Bei fallender Taktrate sollen Daten übernommen werden. Die Steuerleitung S gibt an, ob Daten parallel geladen oder verschoben werden sollen.

Asynchroner 4-Bit-Zähler

Synchroner 4-Bit-Zähler

Asynchron arbeitende Zähler haben keinen gemeinsamen Takt. Die Flip-Flops in einen asynchronen Zähler werden zu unterschiedlichen Zeiten geschaltet. Die Steuerung sieht im Prinzip so aus, dass das erste Flip-Flop das zweite steuert, das zweite Flip-Flop das dritte, usw.. D. h., die Flip-Flops schalten nicht gleichzeitig, sondern in Abhängigkeit der Signallaufzeit bzw. Schaltzeit des vorherigen Flip-Flops, zu einem späteren Zeitpunkt.
Bei Flip-Flops aus der Standard-Flip-Flop-Schaltkreisfamilie dauert die Signallaufzeit wenige Nanosekunden. Je höher die zählbare binäre Zahl ist (z. B. 12 Bit), desto länger dauert es, bis der Impuls vom ersten Flip-Flop sich am letzten Flip-Flop auswirkt. Diese lange Laufzeit des Zählimpulses kann zu Störungen und so zu Fehlern beim Zählen führen. Je höher die Zählfrequenz, desto eher treten Probleme auf. Werden nur Sekunden gezählt, dann ist ein Asynchronzähler kein Problem. Damit die Flip-Flops zur gleichen Zeit kippen ist eine Steuerung mit einem gemeinsamen Takt notwendig. So arbeitende Zähler sind Synchronzähler. Zur Erstellung der Schaltung wird eine Schaltwerttabelle benötigt. Im folgenden Beispiel wird ein 4-Bit-Zähler gesucht. z0 bis z3 geben den momentanen Zustand der Flipflops an. k0 bis k3 bzw. j0 bis j3 geben die Eingangsbelegung wieder, die nötig ist, um den nächsten Wert zu erreichen.

j3 = j2 ∧z2
k3 = j2 ∧ z2
j2 = z0 ∧ z1
k2 = z0 ∧ z1
j1 = z0
k1 = z0
j0 = ¬z0
k0 = z0

Asynchroner modulo 5 Zähler

Ein Modulo-n-Zähler beginnt bei 0 zu zählen. Er zählt bis zum Wert n. Bei diesem Zählschritt wird dann auf 0 zurückgesetzt. Das n steht also für die Anzahl der Zählschritte des Zählers. Die Zählweise des gesuchten Zählers wäre also 0-1-2-3-4-0-1-2-3-4-0-1-....Ein asynchroner Zähler besteht aus Flip-Flops und einem Auswerte-Baustein. Die Flip-Flops müssen einen taktunabhängigen Rücksetzeingang haben. In diesem Beispiel hat der Zähler 3 Flip-Flops als Zähler und eine UND-Verknüpfung für die Auswertung.

Synchroner modulo 5 Zähler

Für den synchronen modulo-5-Zähler benötigt man wieder eine Schaltwerttabelle.

j2 = z0 ∧ z1
k2 = z2
j1 = z0
k1 = z0
j0 = ¬z0 ∧ ¬z2
k0 = z0

Asynchroner BCD-Zähler

BCD-Zähler sind grundsätzlich 4-Bit-Dual-Zähler. An den Ausgängen müssen die Signale des BCD-Codes abnehmbar sein. Obwohl BCD-Zähler als Dezimalzähler bezeichnet werden, zählt der Zähler im dualen Zahlensystem. BCD sind binär codierte Dezimalzahlen. BCD-Zähler gibt es als Vorwärts-, Rückwärts- und umschaltbare Zähler. Die Zählrichtung eines Zählers ist abhängig von der Nutzung der Ausgänge. Das Ausgangssignal Q wird für die Vorwärtsrichtung, das Ausgangssignal Q (neg.) für die Rückwärtszählrichtung verwendet. Das bedeutet, dass je nachdem, welche Ausgänge verwendet werden, ein Zähler vorwärts oder rückwärts zählt.
Um die Zählrichtung steuern bzw. umschalten zu können muss man zwischen die Flip-Flops eine Steuerschaltung einsetzen, mit der die Zählrichtung umgeschaltet werden kann.

Serielles Addierwerk mit Taktstopp

Es soll ein 4-Bit Addierwerk entwickelt werden, in dem zwei Zahlen nacheinander bitweise addiert werden. Nach vier Takten soll die Rechnung automatisch beendet werden.

Ein 4*4-Bit Speicher