Aufgabe 3 - Erweiterter RS-Flip-Flop
Aufgabenstellung
Abschnitt betitelt „Aufgabenstellung“Ein erweiterter RS-Flip-Flop (kein Standard-RS-FF!) in einer SPS-Steuerung soll bei der verbotenen/fehlerhaften Eingangskombination R = S = 1 die nachfolgenden Schalthandlungen ausführen:
- War der FF gesetzt, so wird in einen Fehlerzustand ZF1 übergegangen, ein zusätzliches binäres Ausgangssignal F1 gesetzt, und der Ausgang Q des FF bleibt unverändert.
- War der FF rückgesetzt, so wird in einen weiteren zusätzlichen Fehlerzustand ZF2 übergegangen, ein weiteres zusätzliches binäres Ausgangssignal F2 gesetzt und der Ausgang Q des FF bleibt ebenfalls unverändert.
- Beide Fehlerfälle werden erst wieder bei R = S = 0 hin zu dem Zustand verlassen, wo der Fehler auftrat. Die beiden Fehlerbits F1 und F2 werden dann gelöscht.
Ergänzen Sie in dem nachfolgenden Diagramm den Verlauf des Ausgangssignals Q und der beiden Fehlersignale F1 und F2.
Abbildung 3.1: Vorgegebener Verlauf der Eingangssignale S und R.
5 Pkt.
Zeichnen Sie den Zustandsgraphen des Flip-Flops als Moore-Automat.
15 Pkt.
Σ 20 Pkt.
a) Verlauf der Ausgangssignale
Abschnitt betitelt „a) Verlauf der Ausgangssignale“Am Anfang sind Q, F1 und F2 gleich 0. Der Flip-Flop befindet sich damit zunächst im rückgesetzten Zustand Z0.
Für den Verlauf sind besonders die Zeitpunkte wichtig, an denen sich ein Eingang ändert:
| Zeitpunkt | Eingänge danach | Reaktion | Zustand danach |
|---|---|---|---|
| t1 | R = 0, S = 1 |
Flip-Flop wird gesetzt | Z1 |
| t2 | R = 0, S = 0 |
gesetzter Zustand wird gespeichert | Z1 |
| t3 | R = 1, S = 0 |
Flip-Flop wird rückgesetzt | Z0 |
| t4 | R = 1, S = 1 |
Fehler tritt im rückgesetzten Zustand auf | ZF2 |
| t5 | R = 1, S = 0 |
Fehler bleibt gespeichert | ZF2 |
| t6 | R = 0, S = 0 |
Fehler wird gelöscht, Rückkehr zum vorherigen Zustand | Z0 |
| t7 | R = 0, S = 1 |
Flip-Flop wird gesetzt | Z1 |
| t8 | R = 1, S = 1 |
Fehler tritt im gesetzten Zustand auf | ZF1 |
| t9 | R = 0, S = 0 |
Fehler wird gelöscht, Rückkehr zum vorherigen Zustand | Z1 |
| t15 | R = 0, S = 1 |
Flip-Flop ist bereits gesetzt | Z1 |
| t16 | R = 0, S = 0 |
gesetzter Zustand wird gespeichert | Z1 |
Tabelle 3.1: Zustandsänderungen im vorgegebenen Signalverlauf (eigene Darstellung).
Im Fehlerzustand bleibt Q unverändert. F2 ist daher von t4 bis t6 aktiv. F1 ist von t8 bis t9 aktiv. Beide Fehlerzustände werden erst bei R = S = 0 verlassen.
Abbildung 3.2: Ergänzter Verlauf von Q, F1 und F2 (eigene Darstellung).
b) Zustandsgraph als Moore-Automat
Abschnitt betitelt „b) Zustandsgraph als Moore-Automat“Der Automat benötigt vier Zustände. Die Ausgänge werden direkt den Zuständen zugeordnet. Dadurch handelt es sich um einen Moore-Automaten.
| Zustand | Bedeutung | Q | F1 | F2 |
|---|---|---|---|---|
Z0 |
rückgesetzt | 0 | 0 | 0 |
Z1 |
gesetzt | 1 | 0 | 0 |
ZF1 |
Fehler trat in Z1 auf |
1 | 1 | 0 |
ZF2 |
Fehler trat in Z0 auf |
0 | 0 | 1 |
Tabelle 3.2: Zustände und zugehörige Ausgaben des Moore-Automaten (eigene Darstellung).
Die Übergangstabelle zeigt für jede Eingangskombination den Folgezustand. Die Eingänge sind dabei in der Reihenfolge RS angegeben. Somit bedeutet RS = 01, dass R = 0 und S = 1 gilt.
| Aktueller Zustand | RS = 00 |
RS = 01 |
RS = 10 |
RS = 11 |
|---|---|---|---|---|
Z0 |
Z0 |
Z1 |
Z0 |
ZF2 |
Z1 |
Z1 |
Z1 |
Z0 |
ZF1 |
ZF1 |
Z1 |
ZF1 |
ZF1 |
ZF1 |
ZF2 |
Z0 |
ZF2 |
ZF2 |
ZF2 |
Tabelle 3.3: Übergangstabelle des erweiterten RS-Flip-Flops (eigene Darstellung).
In den Fehlerzuständen führen RS = 01, RS = 10 und RS = 11 jeweils zurück in denselben Fehlerzustand. Nur bei RS = 00 wird der Fehler verlassen. ZF1 führt dann zurück zu Z1, während ZF2 zurück zu Z0 führt.
Abbildung 3.3: Zustandsgraph des erweiterten RS-Flip-Flops als Moore-Automat (eigene Darstellung).