UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL VALLE DEL MEZQUITAL

ENERGÍAS RENOVABLES

ELECTRÓNICA INDUSTRIAL

Circuitos Lógicos Secuenciales

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ÍNDICE Introducción 3

Circuito lógico secuencial Flip-Flop 4

Biestable RS 4

Biestable D 6

Biestable T 7

Biestable JK 7

Contador - Síncrono 10

Contador – asíncrono 11

Registro de corriente 12

Aplicaciones 14

Conclusión 15

Referencias 16

CIRCUITOS LÓGICOS SECUENCIALES

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Introducción

A diferencia de los circuitos combinacionales, en los circuitos secuenciales se guarda memoria de estado. Las salidas no dependen tan solo del valor de las entradas en un instante dado, sino que también están determinadas por el estado almacenado en el circuito. Dicho de otra forma, un circuito secuencial tiene memoria. En los circuitos secuenciales se distinguirá entre circuitos secuenciales asíncronos y síncronos.

Un circuito secuencial asíncrono evoluciona ante cualquier cambio en las entradas de forma inmediata, no tiene periodicidad de funcionamiento, se rige por eventos. Aunque los circuitos secuenciales más básicos siempre tendrán una parte con comportamiento asíncrono, para los circuitos secuenciales complejos no es deseable que sigan este comportamiento (los cambios de estado se producen de forma esporádica, ante eventos en las entradas, sin periodicidad, se pueden producir comportamientos que dependen del orden de sucesión de eventos cuando no se desea ese comportamiento etc.)

Los circuitos secuenciales complejos se diseñan para comportamiento síncrono, los cambios se producen de forma periódica y controlada, ante cambios de una señal denominada señal de reloj (“clock”). Todas las entradas se muestrean de forma simultánea en un instante determinado por la señal de reloj, la evolución del estado y las salidas queda determinada por el valor que tenían las entradas y el estado en el instante de muestreo. Se puede decir que el sistema evoluciona entre estados discretos para instantes (k-1)T, kT, (k+1)T, ..., siendo T el periodo de reloj

Como se menciono antes los circuitos secuenciales tienen una característica, tienen unidades de memoria, hechas a base de biestables.

FLIP-FLOP

Un biestable, también llamado (flip-flop en inglés), es un multivibrador capaz de permanecer en un estado determinado o en el contrario durante un tiempo indefinido.

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Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica digital para memorizar información. El paso de un estado a otro se realiza variando sus entradas. Dependiendo del tipo de dichas entradas los biestables se dividen en:

Asíncronos: sólo tienen entradas de control. El más empleado es el biestable RS.

Síncronos: además de las entradas de control posee una entrada de sincronismo o de reloj. Si las entradas de control dependen de la de sincronismo se denominan síncronas y en caso contrario asíncronas. Por lo general, las entradas de control asíncronas prevalecen sobre las síncronas.

Biestable RS (Set Reset) asíncrono

Sólo posee las entradas R y S. Se compone internamente de dos puertas lógicas NAND o NOR, según se muestra en la siguiente figura:

Biestables RS con puertas NOR (a), NAND (c) y sus símbolos normalizados respectivos (b) y (d).Tabla de verdad biestable RS

R S Q (NOR) Q' (NAND)

0 0 q N. D.

0 1 1 0

1 0 0 1

1 1 N. D. q

N. D.= Estado no deseado q= Estado de memoria

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Biestable RS (Set Reset) síncrono

Circuito Biestable RS síncrono a) y esquema normalizado b).

Además de las entradas R y S, posee una entrada C de sincronismo cuya misión es la de permitir o no el cambio de estado del biestable. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de un biestable síncrono a partir de una asíncrona, junto con su esquema normalizado:

Su tabla de verdad es la siguiente:

Tabla de verdad biestable RS

C R S Q (NOR)

0 X X q

1 0 0 q

1 0 1 1

1 1 0 0

1 1 1 N. D.

X=no importa

Biestable D (Delay)

Símbolos normalizados: Biestables D a) activo por nivel alto y b) activo por flanco de bajada.

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El flip-flop D resulta útil cuando se necesita almacenar un único bit de datos (1 o 0). Si se añade un inversor a un flip-flop S-R obtenemos un flip-flop D basico. El funcionamiento de un dispositivo activado por el flanco negativo es, por su puesto, idéntico, excepto que el disparo tiene lugar en el flanco de bajada del impulso del reloj. Recuerde que Q sigue a D en cada flanco del impulso de reloj.

Para ello, el dispositivo de almacenamiento temporal es de dos estados (alto y bajo), cuya salida adquiere el valor de la entrada D cuando se activa la entrada de sincronismo, C. En función del modo de activación de dicha entrada de sincronismo, existen dos tipos:

Activo por nivel (alto o bajo), también denominado registro o cerrojo (latch en inglés).

Activo por flanco (de subida o de bajada).

La ecuación característica del biestable D que describe su comportamiento es:

y su tabla de verdad:

D Q Qsiguiente

0 X 0

1 X 1

X=no importa

Biestable T (Toggle)

Símbolo normalizado: Biestable T activo por flanco de subida.

Dispositivo de almacenamiento temporal de dos estados (alto y bajo). El biestable T cambia de estado ("toggle" en inglés) cada vez que la entrada de sincronismo o de reloj se dispara mientras la entrada T está a nivel alto. Si la entrada T está a

nivel bajo, el biestable retiene el nivel previo. Puede obtenerse al unir las entradas de control de un biestable JK, unión que se corresponde a la entrada T.

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La ecuación característica del biestable T que describe su comportamiento es:

y la tabla de verdad:

T Q Qsiguiente

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Biestable JK (Jack Kilby)

Es versátil y es uno de los tipos de flip-flop mas usados. Su funcionamiento es idéntico al del flip-flop S-R en las condiciones SET, RESET y de permanencia de estado. La diferencia está en que el flip-flop J-K no tiene condiciones no validas como ocurre en el S-R.

Este dispositivo de almacenamiento es temporal que se encuentra dos estados (alto y bajo), cuyas entradas principales, J y K, a las que debe el nombre, permiten al ser activadas:

J: El grabado (set en inglés), puesta a 1 ó nivel alto de la salida. K: El borrado (reset en inglés), puesta a 0 ó nivel bajo de la salida.

Si no se activa ninguna de las entradas, el biestable permanece en el estado que poseía tras la última operación de borrado o grabado. A diferencia del biestable RS, en el caso de activarse ambas entradas a la vez, la salida adquirirá el estado contrario al que tenía.

La ecuación característica del biestable JK que describe su comportamiento es:

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Y su tabla de verdad es:

Una forma más compacta de la tabla de verdad es (Q representa el estado siguiente de la salida en el próximo flanco de reloj y q el estado actual):

J K Q

0 0 q

0 1 0

1 0 1

1 1

El biestable se denomina así por Jack Kilby, el inventor de los circuitos integrados en 1958, por lo cual se le concedió el Premio Nobel en física de 2000.

Biestable JK Maestro-Esclavo

Símbolos normalizados: Biestable JK Maestro-Esclavo a) activo por nivel alto y b) activo por nivel bajo

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J K Q Qsiguiente

0 0 0 0

0 0 1 1

0 1 X 0

1 0 X 1

1 1 0 1

1 1 1 0

X=no importa

Aunque aún puede encontrarse en algunos equipos, este tipo de biestable, denominado en inglés J-K Flip-Flop Master-Slave, ha quedado obsoleto ya que ha sido reemplazado por el tipo anterior.

Su funcionamiento es similar al JK activo por flanco: en el nivel alto (o bajo) se toman los valores de las entradas J y K y en el flanco de bajada (o de subida) se refleja en la salida.

Otra forma de expresar la tabla de verdad del biestable JK es mediante la denominada tabla de excitación:

CONTADOR-SÍNCRONO

A diferencia de su contraparte el contador de rizo, el contador síncrono o "Paralelo" lleva una conexión un tanto diferentes sobre los FF, esto puede aumentar su complejidad, pero es la única manera de obtener el menor retraso posible para operar de manera confiable y alcanzar mayores velocidades de conteo.

En los contadores paralelos, todos los FF cambian al mismo tiempo, lo que reduce la propagación a un solo valor (el tiempo que tarda en cambiar de estado un solo FF).

La siguiente figura ilustra el circuito de un contador síncrono (Paralelo):

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q Q j K

0 0 0 X

0 1 1 X

0 0 X 1

1 1 X 0

Figura 1

Al comparar el circuito síncrono y el asíncrono, podremos observar diferencias muy marcadas:

1. En este circuito, todas las entradas de reloj (CP) están conectadas a un mismo punto, logrando así que la señal de reloj sea la misma para todos los FF del contador.

2. Únicamente el primer BIT (FF) tiene sus entradas "J-K" conectadas a V+, y por consiguiente, será el único que se complemente (Toggle) libremente.

CONTADOR-ASÍNCRONO

En los sistemas asíncronos los FF no están conectados al mismo reloj, por lo que no cambian simultaneamente. La señal de reloj sólo ataca al flip-flop que representa al bit menos significativo. Los otros FF se conectan en cascada sirviendo su salida de reloj para el siguiente, hasta llegar al bit mas significativo.

Contador binario ascendente tipo ripple

Está constituido con dos flip flop J K con ambas entradas conectadas a 1, por lo que cambiarán de estado en el flanco de bajada de su entrada de reloj. El reloj externo se conecta solamente a la entrada

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de reloj del primer flip flop (FF0). Este cambiará de estado en cada flanco de bajada del reloj. El siguiente flip flop(FF1), tiene como entrada de reloj la salida de FF0 por lo que cambiará de estado cada vez que la salida Q0 cambie de 1 a 0.Debido a que cada flip flop responde con cierto retardo, los flip flop no son disparados simultáneamente, por lo que operan de forma asincrona. De hecho, la salida Q0 se producirá un tiempo después de que baje el reloj, y como esta es la entrada de reloj de FF1, la salida Q1 se producirá un tiempo después de que Q0 cambie de 1 a 0. De esta forma el retardo se irá propagando a medida que se vayan agregando flip flops, como las olas en el agua, de aquí que estos contadores se denominan tipo "ripple"

Note que por simplicidad, en el diagrama de tiempo no se toma en cuenta este retardo, y se muestra como si las transiciones ocurrieran simultáneamente.

Usualmente todas las entrada de CELAR se conectan juntas, de manera que un pulso pueda poner todos los FF en cero antes de comenzar la cuenta.

Como se mostró anteriormente este contador de 2 bit tipo ripple pasa por 4 estados diferentes, dependiendo del valor de la cuenta (00,01,10,11). De igual forma, un contador con n flip flops, pasará por 2n estados diferentes. El numero de estados diferentes por lo que pasa un contador se denomina modulo. El contador de 2 bits se denomina entonces contador modulo 4.

Un contador mod-n (modulo n) puede denominarse también contador divisor por n (divide-by-n counter) . Esto porqué el FF correspondiente al bit mas significativo ( el mas lejos desde el que está conectado al pulso de reloj original) produce un pulso de reloj por cada n pulsos del reloj de entrada del FF correspondiente al bit menos significativo ( el FF disparado por el reloj principal)

El contador mod-4 analizado anteriormente puede llamarse también contador divisor por 4 (divide-by-4 counter).

El siguiente es un contador asincrono de 3 bits. Trabaja exactamente como el de dos bits, solo que ahora, debido al tercer FF se contarán 8 estados.

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REGISTROS DE CORRIMIENTO

En el procesamiento digital de datos se necesita con frecuencia retener los datos en ciertas ubicaciones intermedias del almacenamiento temporal, con el objeto de realizar algunas manipulaciones específicas, después de las cuales los datos modificados se pueden enviar a otra localización similar.Los dispositivos digitales donde se tiene este almacenamiento temporal se conocen como registros de corrimiento o registros de desplazamiento. Dado que la memoria y el desplazamiento de información son sus características básicas, los registros son circuitos secuenciales constituidos por flip-flops, donde cada uno de ellos maneja un bit de la palabra binaria.

Registro de Corrimiento Básico

Un registro de corrimiento básico es un conjunto de flip-flops conectados de tal forma que los números binarios almacenados en él son desplazados de un flip-flop al siguiente con cada pulso de reloj aplicado.Existen diversas formas de cargar o extraer información en un registro de corrimiento. Las combinaciones de Entrada/Salida más comunes en los registros de corrimiento son: Entrada Serie/Salida Paralelo y Entrada Paralelo/Salida Serie.

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Registros de Corrimiento Bidireccionales

Este tipo de registro tiene la opción de elegir la dirección en que se transmiten los datos. Estos registros tienen una señal de control que permite seleccionar el sentido de desplazamiento de los datos.En esta práctica se analizará el funcionamiento del registro de corrimiento 74194, el cual es un registro de corrimiento de 4 bits bidireccional con carga en paralelo (estas opciones controladas por el pulso de reloj) y reset asíncrono.

Configuración de terminales

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Como podemos apreciar en la tabla de verdad la señal de CLEAR’ no requiere que la señal de reloj se encuentre en alguna posición determinada, ya que inmediatamente después de poner esa señal en cero las salidas estarán también en cero. En cambio las otras señales de control requieren que la señal de reloj de un cambio de 0 a 1.

Aplicaciones de los Registros de Corrimiento

Los registros de corrimiento tiene varias aplicaciones en la Electrónica Digital, entre las cuales se pueden mencionar las siguientes:• Transmisión de datos.• Conversión de protocolo serie en paralelo y viceversa.• Puertos de salida de los microcomputadores.• Secuenciadores (luces y anuncios publicitarios).• Multiplicaciones y divisiones por 2, 4, 8, 16 bits.• Operaciones que se hacen en forma secuencial.

Conclusiones:

Los flip flop que son celdas binarias que son capaces de almacenar 1 bit de información, los cuales están conformados por las entradas del mismo, las cuales se marcan como J y K y sus salidas marcadas como Q y Q´, además están integrados por una entrada de reloj, así como por el clear y preset.

Retroalimentamos el conocimiento acerca del circuito integrado 555 y fuimos capaces de sincronizarlo con el flip flop gracias a la entrada de reloj.

A diferencia de los circuitos combinacionales, en los circuitos secuenciales se guarda memoria de estado. Las salidas no dependen tan solo del valor de las entradas en un

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instante dado, sino que también están determinadas por el estado almacenado en el circuito. Dicho de otra forma, un circuito secuencial tiene memoria. En los circuitos secuenciales se distinguirá entre circuitos secuenciales asíncronos y síncronos.

Un circuito secuencial asíncrono evoluciona ante cualquier cambio en las entradas de forma inmediata, no tiene periodicidad de funcionamiento, se rige por eventos. Aunque los circuitos secuenciales más básicos siempre tendrán una parte con comportamiento asíncrono.

Referencias:

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2000477/lecciones/060401.htm

http://medusa.unimet.edu.ve/sistemas/bpis03/contadores_asincronos.htm

http://www.forosdeelectronica.com/tutoriales/contadores-sincronos.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Familia_l%C3%B3gica

Teoría de conmutación y diseño lógico Frederick J. Hill.Limusa 1979

Electrónica de potenciaCircuitos, dispositivos y aplicacionesPearson Educación, 2004 - 878 páginas

Electrónica de potenciaDaniel W. Hart

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Prentice Hall, 2005 - 451 páginas

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