Digitaltechnik - Teil 4a

Monostabile Kippschaltung

Eine monostabile Kippschaltung oder auch Monoflop, One-Shot oder Univibrator kennt nur einen stabilen Zustand. Wird eine solche Schaltung von außen angestoßen (getriggert), ändert sie ihren Schaltzustand für eine bestimmte Zeit t_X (Verweilzeit) und kippt anschließend wieder in den Ausgangszustand.

Bessere und stabilere Eigenschaften als die aus einfachen Gattern aufgebauten Schaltungen haben integrierte Univibratoren, da ihre Schaltungen umfangreicher ausgelegt sind. Ein solcher Vertreter wird in Übung 2 näher angeschaut.

Ausgelöst werden Univibratoren durch eine steigende oder fallende Flanke. Der Auslöse- oder Triggerimpuls muss eine Breite zwischen ca. 25 – 100 ns haben und kann kürzer oder länger als der Ausgangsimpuls sein.

Es gibt zwei Typen von monostabilen Kippschaltungen:

1. Diejenigen, bei denen die Verweilzeit konstant bleibt, auch wenn ein neuer Triggerimpuls eintrifft, bevor die Schaltung in die Ausgangslage zurückgekippt ist.
2. Ein Triggerimpuls löst immer einen Ausgangsimpuls aus und die Verweilzeit verlängert sich jedes mal (sog. Retriggerbarer Monoflop).

Wir beschäftigen uns zunächst mit einer einfachen, aus Gattern aufgebauten monostabilen Kippschaltung, da daran die Physik gut erklärt werden kann (Übung 1). Für die elektronische Alltagspraxis empfiehlt es sich auf eine integrierte Univibratorschaltung zurückzugreifen.

Das Zeitverhalten eines Monoflops wird über ein RC-Glied verändert bzw. beeinflusst, dass den Ausgang des einen Gatters mit dem Eingang eines zweiten Gatters verbindet. Abbildung 1 zeigt eine mögliche Variante.

Übung 1 - Monostabile Kippschaltung mit NAND-Gatter

Schaltskizze

Schaltungsaufbau

Oszillogramme

Deutung der Messergebnisse an Hand des Oszillogramms

1. Ausgangslage: 1B = 1, P = 0 und 1A = 1; 1Y = 0
2. Sobald 1B von 1 auf 0 fällt (bei ca. -0,018 ms in Abb. 3), wird 1Y = 1, 2Y = 1A = 0; Potential an P wächst linear (ohmsch) auf ca. 2,6 V.
3. Exponentiell baut sich über C jetzt eine Ladespannung auf; damit sinkt U_R. Potential bei P sinkt auf ca. 1,2 V; dann erkennt der Eingang von NAND2 ein Potential LOW und sein Ausgang 2Y = 1A kippt auf 1 (bei ca. 0,082 ms in Abb. 3).
4. Solange 1B auf 0 liegt, lädt sich der Kondensator weiter auf; Potential von P geht gegen 0. Kondensator ist fast vollständig geladen. 1B = 0, 1A = 1.
5. 1B = 1, 1A = 1 (bei ca. 0,5 ms in Abb. 3) führt zu 1Y = 0. P wird negativ, 1A = 1 und 1B = 1.
6. Die monostabile Zeit liegt gemessen bei ca. 92 µs (siehe Abb. 3). Verglichen mit der rechnerisch ermittelten Zeitkonstante Tau des RC-Gliedes, die bei 84,6 µs liegt, ein im Toleranzbereich liegendes Ergebnis.

Übung 2 - Nicht-retriggerbarer One-Shot 74LS221

Schaltungsaufbau

Oszillogramme zum One-Shot-Verhalten

Die aufgenommenen drei Oszillogramme aus Abb. 5 wurden mit unterschiedlichen Werten der Kapazität und gleichbleibendem ohmschen Widerstand R = 10 kOhm aufgenommen. Stellt man die gemessenen Werte den errechneten Werten gegenüber, zeigt sich eine hohe Genauigkeit.

Oszillogramm

Getriggert wird die Schaltung bei der vorliegenden Beschaltung mit einer negativen Flanke (von HIGH nach LOW). An A1 wird eine Rechteckspannung bestimmter Frequenz gelegt. Solange der Impuls an Q1 auf HIGH liegt, löst die fallende Flanke an A1 den Monoflop nicht aus.