CIRCUITOS LÓGICOS SECUENCIALES

Asignatura: Electrónica DigitalDocente: Paolo Castillo Rubio

INTRODUCCIÓN

• Los circuitos lógicos se clasifican en dos grupos: combinacionales (con las compuertas AND, OR y NOT) y secuenciales (que involucran dispositivos de temporización y de memoria). El bloque funcional básico de los circuitos lógicos combinacionales es la compuerta lógica, mientras que para el caso de los circuitos lógicos secuenciales es el flip-flop (FF).

El flip-flop tipo R-S

• La figura muestra el símbolo lógico del FF R-S. Éste cuenta con dos entradas (set y reset) y dos salidas (normal y complemento). Este FF se conoce también como latch R-S, donde su nombre hace referencia a que puede almacenar un bit de información.

• La tabla de verdad muestra la operación del FF R-S. El primero de los casos no cumple el complemento de la salida, por lo que se conoce como estado prohibido y no se utiliza.

• Los FF R-S pueden comprarse como CI (circuito integrado) o cablearse a partir de compuertas lógicas. En la figura, se muestra el cableado del FF R-S a través de compuertas NAND.

El flip-flop R-S temporizado• En la figura, se muestra el símbolo lógico de este FF R-

S, que difiere del original solo por su entrada extra identificada como CLK (reloj). Las salidas cambian solo ante un pulso de éste, por lo que se dice que opera de manera síncrona.

• A continuación se muestra la correspondiente tabla de verdad. Resulta importante que una vez que se halla en set o reset, permanece en ese estado aun cuando cambien algunas de las entradas, ésta es una característica de memoria.

• Los FF R-S temporizados pueden cablearse a partir de compuertas lógicas. En la figura, se muestra el cableado del FF R-S temporizado a través de compuertas NAND.

El flip-flop tipo D• Solo cuenta con una entrada de datos (D) y una de reloj

(CLK), también es llamado FF con retardo, ya que la entrada de datos sufre un retardo de un pulso de reloj para llegar a la salida Q. En la figura se muestra su símbolo lógico y tabla de verdad simplificada.

• Los FF tipo D pueden cablearse a partir de compuertas lógicas (NAND). Equivale, también a un FF R-S temporizado, si se agrega un inversor, como se muestra en la figura.

El flip-flop J-K

• Tiene las mismas características de los FF anteriores, pero posee una región de activación, en la que los pulsos del reloj, activan y desactivan la salida alternadamente.

• A continuación se muestra la correspondiente tabla de verdad. La principal característica, es que este FF no cuenta con región prohibida, que es reemplazada por la de activación, por este motivo se le considera como el flip-flop “universal”.

Contadores

• La tarea de un contador, como es evidente, consiste en contar eventos o periodos o colocar eventos en determinada secuencia. Asimismo, los contadores efectúan otras tareas no tan obvias: dividen la frecuencia, direccionan y sirven como unidades de memoria. Estos contadores se forman utilizando como base los flip-flops.

Contadores de rizo o asíncronos

• Están formados por FF J-K (no se disparan a la vez) con sus entradas de datos en 1, para estar en región de activación. Cada pulso de reloj, genera una reacción en cadena (rizo) a través del contador. A continuación veremos el contador módulo 16 (cuenta con 16 estados diferentes) o contador de 4 bits (cuenta desde 0000 a 1111).

• La figura muestra, el contador de 4 bits, que utiliza 4 FF J-K, el que realiza un conteo binario.

Contador de rizo módulo 10• Este contador realiza una cuenta decimal (0 a

9), pero en binario (0000 a 1001). Para implementarlo, al contador de rizo se le agrega una compuerta NAND, para poner en cero todos los FF después de la cuenta 1001.

Contadores síncronos

• Para efectuar operaciones en alta frecuencia, es necesario que todas las etapas del contador disparen al mismo tiempo, para esto se le conecta en paralelo a cada FF J-K, la señal de reloj (CLK). Analizaremos el contador síncrono de 3 bits (módulo 8), cada FF J-K se utiliza en su modo de activación (J y K en 1) o en su modo de almacenamiento (J y K en 0).

• La figura muestra el contador síncrono módulo 8.

Registros de desplazamiento

• Un registro es un grupo de celdas de memoria agrupadas y consideradas una sola unidad. Puede utilizarse para almacenar información o para que actúe sobre los datos, como es el caso del registro de desplazamiento que modifica su contenido si se desplazan los datos. Las características principales de éste serían: memoria y corrimiento.

• Existen 4 categorías de registros de desplazamiento:1. Entrada serial, salida serial2. Entrada serial, salida paralelo3. Entrada paralelo, salida serial4. Entrada paralelo, salida paralelo

Registro de desplazamiento de carga serie

• En la figura se muestra el registro de desplazamiento de 4 bits, éste se construye a partir de 4 FF tipo D, que crean un retardo sucesivo. Carga serie indica que se puede ingresar de un dato a la vez.

• Éste acepta carga en paralelo, en este caso de 4 bits, lo que quedan almacenados en los FF tipo D.

Registro de desplazamiento de carga paralelo

Circuitos generadores de reloj• Los FF tienen dos estados estables; por ende se

puede decir que son multivibradores (MV) estables. Los MV de un disparo tienen un estado estable, por lo que se pueden llamar MV monoestables. Un tercer tipo de MV no tiene estados estables; se llama MV astable o de operación libre. Este tipo de circuito lógico cambia hacia delante y hacia atrás (oscila) entre dos estados de salida inestables. Es útil cuando se quieren generar señales de reloj para circuitos digitales síncronos.

Oscilador con disparo tipo Schmitt• Un inversor con disparo tipo Schmitt (diseñado

para aceptar señales que cambian lentamente y produce una salida con transiciones libres de oscilaciones), se puede conectar como oscilador, de la siguiente manera:

Temporizador 555 usado como MV astable• Un temporizador 555 puede operar como un oscilador

de operación libre, mediante la siguiente configuración:

Generadores de reloj controlados por cristal

• Las frecuencias de salida de las señales de los circuitos generadores de reloj antes descritas dependen de los valores de las resistencias y capacitores, y de esta manera, no son extremadamente precisos o estables. Si la precisión y estabilidad de la frecuencia son críticas, se debe utilizar un generador de reloj controlado por cristal, que utiliza un cristal de cuarzo cortado a un tamaño y forma específico para que vibre (resuene) a una frecuencia exacta, y sea extremadamente estable sin importar la temperatura y el envejecimiento.

• Los osciladores de cristal están disponibles como encapsulados de CI y son utilizados en todos los sistemas basados en microprocesadores.

CONVERSORES A/D

• Un convertidor análogo a digital, es un tipo especial de codificador, que convierte una entrada analógica en información digital. En la figura se muestra un esquema básico de un convertidor de 4 bits.

• La correspondiente tabla de verdad sería:

• A continuación se muestra el diagrama de un convertidor A/D tipo rampa.

• Formas de onda del conversor A/D tipo rampa, cuando se aplican 3 V.

Especificaciones del conversor A/D

• Tipo de Salida. Puede ser binaria o decimal• Resolución. Está dada por el número de bits en

la salida tipo binario y por la cantidad de dígitos en la tipo decimal

• Precisión. Con salida binaria se hallan en el rango de más menos 0,5 LSB a 2 LSB, con salidas digitales entre 0,01 y 0,05% de exactitud (precisión total de un conversor A/D, sumando todos los errores inherentes)

• Tiempo de conversión. Tiempo que le toma convertir el voltaje analógico de entrada en datos binarios (o decimales)

CONVERSORES D/A

• Si se requiere convertir un número binario de una unidad de procesamiento a una salida de 0 a 3 V, se debe trabajar de manera inversa que con la conversión A/D.

• La correspondiente tabla de verdad sería:

Conversor D/A básico• La figura muestra el conversor D/A básico

conformado por dos secciones: la red de resistencias y el amplificador sumador.

Conversor D/A tipo escalera• Tiene como gran ventaja, la utilización solo de dos valores de resistencias,

por lo que se le suele llamar convertidor D/A tipo escalera R-2R.

REFERENCIAS

• Tocci, R & Widmer, N. (2003). Sistemas digitales. Principios y aplicaciones (8ª Ed.). Pearson Educación: México.

• Tokheim, R. (2008). Electrónica digital. Principios y aplicaciones (7ª Ed.). McGraw-Hill Interamericana: México.