Tema 64 – Circuitos secuenciales

Tema 64 – Circuitos secuenciales

1.- INTRODUCCION

2.– CIRCUITOS SECUENCIALES

3.– BIESTABLES ASÍNCRONOS

3.1.-BIESTABLES R-S

3.2.-BIESTABLE J-K

3.3.-BIESTABLE T

4.-BIESTABLES SÍNCRONOS ACTIVADOS POR NIVEL

4.1.-BIESTABLE R-S ACTIVADO POR NIVEL

4.2.-BIESTABLE D

5.– BIESTABLES SÍNCRONOS ACTIVADOS POR FLANCO

6.– APLICACIONES DE LOS CIRCUITOS SECUENCIALES.

6.1.-REGISTROS

6.1.1.-Registros de almacenamiento.

6.1.2.-Registros de desplazamiento.

6.2.-CONTADORES

6.2.1.- Contadores Asíncronos

6.2.2.-Contadores síncronos

6.2.3.-Contadores cíclicos

7.-CONCLUSION

8.- BIBLIOGRAFÍA

Electrónica digital moderna. Ed. Paraninfo.

Electrónica digital y microprogramable. Ed. McGrawHill.

Electrónica digital y microprogramable. Ed. Paraninfo.

1.- INTRODUCCION

En este tema trataremos los circuitos secuenciales, que como ya sabemos existen dos tipos de circuitos digitales, los secuenciales y combinacionales. En los combinacionales las salidas para un instante T depende de las entradas, pero en los secuenciales, las salidas dependen de las entradas y del estado interno del circuito. Los secuenciales se caracterizan por su capacidad de memorizar información, de ahí surgen los contadores de impulsos, la conexión telefónica, etc.

Los circuitos secuenciales son de 2 tipos, asíncronos y síncronos.

Los Asíncronos, en que los cambios de estado se producen en el momento en que están presentes las entradas adecuadas o

Los Síncronos, donde los cambios se dan además de cuando están presentes las entradas adecuadas, cuando se produce la señal de reloj que sincroniza en funcionamiento.

Con esta clasificación simple, desarrollaremos el tema donde se explican los biestables y algunas aplicaciones como son los registros y los contadores.

Este tema tiene importancia en el currículo de tecnología por su alta aplicación a nivel de electrónica digital, con lo que también tiene un amplio desarrollo en el currículo de Bachillerato tecnológico.

2.- CIRCUITOS SECUENCIALES

Los circuitos secuenciales se caracterizan porque el valor en cada instante de las salidas no sólo es función de los valores de las entradas, sino de la historia pasada del sistema, es decir, el o los estados anteriores de las salidas. Se dice, por tanto, que son circuitos con memoria.

Como ejemplos, podemos citar los contadores de impulsos, la conexión telefónica, la combinación de apertura de una caja fuerte, etc.

Los circuitos secuenciales más elementales son los biestables, que pueden situarse en uno cualquiera de dos estados estables, que son circuitos construidos a partir de puertas lógicas y que son capaces de almacenar información binaria de 1 bit.

Los circuitos biestables se clasifican según los siguientes criterios. Por el sincronismo del disparo pueden ser síncronos o asíncronos. Los Síncronos: necesitan una señal de reloj para activarse

Los Asíncronos: sin señal de reloj

Por el tipo del disparo, Pueden dispararse por flanco o por nivel.

La lógica del disparo: Es función de cómo se efectúa el cambio de un estado a otro. Pueden ser: R-S, J-K, D y T.

La característica más importante de los biestables es que están dotados de memoria. Su implementación se hace con puertas NAND o NOR. Las generalidades de los biestables es que siempre tienen varias entradas y dos salidas, Q y Q negada.

La activación o sincronización se puede producir por la presencia de un determinado nivel lógico en la entrada o por el flanco de subida o de bajada de la señal de reloj.

3.- BIESTABLES ASÍNCRONOS

3.1.-Biestables R-S

Los biestables asíncronos no cambian ninguna señal externa o de reloj sino que mantienen el valor que hayan tomado hasta que entre otra señal. El biestable RS tiene 2 entradas llamadas set S y reset R, de forma que distinta a las puertas lógicas, los biestables tienen dos salidas complementarias llamadas Q y Q negada. La salida Q es normal y la Q negada es para complementar la Q, es decir toma valor contrario.

Este tipo de biestable se puede construir a partir de puertas NOR o a partir de puertas NAND.

Biestables por puertas NOR.

Su símbolo es:

 

S Q

_

R Q

 
   
   

Este biestable responde a esta tabla de verdad. Una tabla con 4 columnas R, S, Q (t) y Q (t+1)

R

S

Q (t)

Q (t+1)

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

1

0

1

1

0

X

1

1

1

X

En la tabla se ven que los valores para cada combinación de entrada Q (t) es el valor de la salida Q en el estado anterior, mientras que en Q (t +1), es

el valor de la salida en el estado presente. Q y Q negada son siempre complementarias, menos cuando las entradas R y S valen a la vez uno.

Biestables por puertas NAND.

Se construye con dos puertas NAND, donde la combinación prohibida es cuando R negada y S negada valen cero a la vez.

3.2.-Biestable J-K

Es un biestable R-S al cual se le ha eliminado la indeterminación que presenta cuando ambas entradas valían 1. Ahora, al presentar en la entrada J y

K el valor 1 simultáneamente, el biestable cambia el valor de salida que tenía. Su símbolo es

 

J Q

_

K Q

 
   
   

Cuando se tienen J y K simultáneamente en estado 1, las salidas Q y Q negada no adoptan el mismo estado, simplemente ambas invierten su estado

anterior. El problema que surge en este biestable es que si se mantienen las entradas J y K en 1, la salida Qt estará pasando constantemente de a 0 a 1, dando oscilación. Este biestable no se comercializa y se usa el biestable JK master/esclavo activado en flanco de bajada.

3.3.-Biestable T

Si en un biestable J-K se unen las dos entradas, obtenemos otro dispositivo llamado biestable T, el cual cambia de estado cada vez que se activa la entrada.

Su símbolo es el siguiente

Es un dispositivo de almacenamiento temporal de dos estados (alto y bajo). La báscula T cambia de estado cada vez que la entrada de sincronismo o

de reloj se dispara. Si la entrada T está a nivel bajo, la báscula retiene el nivel previo. Puede obtenerse al unir las entradas de control de un biestable

JK, unión que se corresponde a la entrada T.

La tabla de verdad es la siguiente, 3 columnas T, Qt y Q t+1

T Qt Qt+1

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

4.-Biestables síncronos activados por nivel

4.1.-Biestable R-S activado por nivel

Es el biestable síncrono más elemental. Consta de un biestable asíncrono R-S al cual se le han añadido puertas AND a las entradas, de forma que la información no pasa a la salida si la entrada de reloj Clock no está en el nivel alto.

En este tipo de biestables también pueden existir otras entradas asíncronas, habitualmente denominadas entradas de PRESET y CLEAR, que producen cambios en la salida independientemente del estado de la señal de reloj. En particular, si PRESET es 0, el biestable se fuerza a Q = 1. Si CLEAR es 0, el biestable se fuerza a Q = 0. El símbolo es el siguiente:

Su símbolo es este

PRESET

R PR Q

CLOCK

C

clip_image005_

S CLR Q

clip_image006clip_image008

clip_image009CLEAR

4.2.-Biestable D

El biestable D más sencillo de tipo comercial es el D síncrono, que se puede obtener a partir del RS síncrono, añadiendo un inversor. En este biestable sólo existe una entrada marcada como D y debido al uso de un inversor, las entradas R y S estarán opuestas y nunca se produce la indeterminación.

Su símbolo lógico es

clip_image010

CLK Q D Q

En este biestable la Q seguirá todas las variaciones que siga la entrada D durante todo el tiempo en que la señal de reloj se encuentre activa a nivel

alto, y cuando esta señal se desactive, el biestable quedará cargado a último valor que tenía en el momento del flanco de bajada del reloj.

En el biestable D activado por nivel, la característica fundamental es que la salida sigue a la entrada mientras la entrada de reloj está a nivel alto. En cambio, si está a nivel bajo, la salida mantiene su nivel anterior.

La tabla de verdad es la siguiente, una tabla con 4 columnas D, CLK, Qt y Qt +1), con 8 filas de valores que son:

D

CLK

Q (t)

Q (t+1)

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

1

0

0

0

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

5.- BIESTABLES SÍNCRONOS ACTIVADOS POR FLANCO

Los biestables síncronos activados por nivel cambian de estado cuando la señal de reloj está a 1. Pero puede ocurrir que si ésta dura lo suficiente, el biestable cambie más de una vez.

Para evitarlo, se han diseñado unos biestables llamados MASTER-SLAVE, que almacenan en una memoria auxiliar el estado final mientras dura el impulso de reloj a nivel alto, y transfieren el resultado a otra memoria cuando en la señal de reloj tiene lugar una transición a nivel bajo.

Para evitar que se tenga lugar más de un cambio de estado por cada pulso de reloj, independientemente de la duración del impulso, se almacena la información en una memoria temporal MASTER, transfiriéndose a la memoria básica SLAVE cuando baja la señal de reloj. Este sería el funcionamiento del biestable R-S MASTER-SLAVE, cuyo diseño sería el siguiente.

El flanco de subida de la señal de reloj introduce en la memoria temporal el estado del biestable y desconecta la memoria temporal de la básica. Al bajar la señal de reloj, flanco de caída, se conecta la memoria temporal a la básica, introduciéndose el estado definitivo en el biestable básico.

En este tipo de biestables no pueden alterarse las entradas mientras dure la señal de reloj.

Además de los biestables R-S, podemos encontrar dentro de esta categoría los de tipo J-K y los de tipo D.

El símbolo que representa a los biestables activados por flanco consiste en una pequeña modificación que se hace en la entrada de reloj.

6.- APLICACIONES DE LOS CIRCUITOS SECUENCIALES.

Las aplicaciones son los registros y los contadores. Donde se han desarrollado en forma de circuitos integrados de la familia T T L, aunque también los hay con tecnología MOS.

6.1.-REGISTROS

Los registros son circuitos secuenciales conectados por una serie de biestables conectados en cascada. Tienen diversas aplicaciones prácticas como:

• Transmitir y recibir datos en serie y en paralelo.

• Conversión de datos en formato serie y paralelo y viceversa y

• Almacenamiento de información como memoria

Según la capacidad para recibir y transmitir información se clasifican en registros de almacenamiento o de desplazamiento.

6.1.1.-Registros de almacenamiento.

Los registros de almacenamiento están formados por un conjunto de biestables aislados entre sí y con la misión de almacenar temporalmente la información binaria y cederla en el momento en que se utilice.

6.1.2.-Registros de desplazamiento.

Los registros de desplazamientos tenemos 4 clases, según su entrada y salida sea en serie o paralelo.

1. Registros de desplazamiento ENTRADA SERIE – SALIDA SERIE. Es el registro más sencillo, donde recibimos la información en

serie y en la salida obtenemos también en serie, pero retardada tantos ciclos de reloj como número de biestables compongan el registro. Funcionan de la siguiente forma, partiendo de que en el inicio todos los biestables están reseteados a Q=0, en el primer flanco de subida de la señal de reloj (o bajada, dependiendo del biestable), el contenido de la entrada del primer biestable pasa a la su salida que es a su vez la entrada del segundo biestable. Este tipo de registro se suele usar como unidad de retardo.

2. Registros de desplazamiento ENTRADA SERIE – SALIDA PARALELO. En este tipo de registros, la información se recibe en serie y la salida la obtenemos en paralelo, una vez transcurridos tantos ciclos de reloj como biestables compongan el registro. Las salidas Q están conectadas a las entradas del biestable y a su vez a la salida en paralelo, el funcionamiento es igual que el anterior pero dependiendo del número de biestables y al terminar el ciclo de reloj, tememos una salida de tantos bits en paralelo como número de biestables.

3. Registros de desplazamiento ENTRADA PARALELO – SALIDA SERIE. En este tipo de registro, la información es introducen en el registro en paralelo simultáneamente en todos los biestables, por el contrario, la salida de los bits se obtienen en serie, una vez transcurridos tantos ciclos de reloj como número de biestables compongan el registro. Se realizan conjugando con un circuito combinacional y otra entrada que llamamos Shift/Load con una entrada directa y otra invertida, cuando se producen un flanco activo de reloj, se produce un paso de las entradas al registro de datos a través del circuito combinacional, cuando está a nivel alto, las puertas permiten el desplazamiento en serie hacia la derecha de los bits almacenados, produciéndose la salida de todos los datos una vez transcurridos los ciclos de reloj, es útil a la hora de convertir datos paralelos a serie para poderlos enviar por un cable.

4. Registros de desplazamiento ENTRADA PARALELO – SALIDA PARALELO. En este tipo de registros la información es introducida simultáneamente en los biestables paralelo y cuando se producen un flanco activo de la señal de reloj, los datos se obtienen también a la salida en paralelo.

6.2.-CONTADORES

Los contadores son circuitos secuenciales cuya salida representa el número de impulsos que se la aplica a la entrada de reloj. Está formado básicamente por biestables interconectados. Pueden contar de forma ascendente si su contenido se incrementa con cada impulso o si decrece, aunque por lo general los contadores pueden realizar esta función de ambas maneras según el estado de una entrada. Las aplicaciones de los contadores son las siguientes: Relojes y temporizadores, divisores de frecuencia y frecuencímetros.

Según la forma de conectar la señal de reloj, los contadores pueden clasificarse en asíncronos, síncronos o cíclicos.

6.2.1.- Contadores Asíncronos

En este tipo, la señal de reloj se conecta sólo al primer biestable, mientras que las otras entradas se conectan a la salida del biestable anterior. El conectarse de esta forma la señal de reloj provoca que todos los biestables no cambien de estado al mismo tiempo, por ello reciben el nombre de asíncronos. Las salidas pueden atacar a un display visualizador de siete segmentos, por ejemplo. Su funcionamiento es el siguiente, se parte de que todos los flip-flops están reseteados, cuando se produce un flanco activo de la señal de reloj, las salidas del primer biestable cambian Q=0 y Q’=1. Q’ conectada a la señal de reloj del segundo biestable, produce un flaco activo, cambiando el segundo biestable el estado de sus salidas, este proceso se produce de forma indefinida a lo largo de los biestables. Podemos realizar un contador descendente si lo que conectamos a la señal de reloj es la salida Q y no Q’. El asíncrono además de indicar el número de impulsos de señal recibidos puede dividir la frecuencia de la señal de reloj. Como ejemplo la salida de la señal del primer flip-flop tiene la mitad de frecuencia que la salida de señal de reloj original, la salida del segundo flip-flop, una frecuencia 4 veces menor, así sucesivamente obteniendo divisiones en cada salida múltiplos de 2. El inconveniente de este divisor de frecuencias viene dado por el tiempo de propagación de la señal, que hace que si cambiamos el estado del primer biestable deben cambiar de estado éste y el siguiente, provocando que la señal de reloj tenga un retardo al bascular. Si se conectan más, el tiempo de espera que corresponde con el tiempo de propagación, aumenta, lo que limita la frecuencia de funcionamiento del contador.

Ampliación de contadores asíncronos

El método para conseguir contadores asíncronos de más bits consiste en conectar en cascada tantos biestables como número de bits que queramos que tenga el contador, llevando la señal de reloj externa al primero de ellos y la salida de cada biestable a la entrada del reloj siguiente. El número máximo de estados por los que pasa un contador se denomina módulo del contador. Este número viene determinado por la expresión 2n donde n indica el número de bis del contador.

6.2.2.-Contadores síncronos

En este tipo de biestables, la señal de reloj externa se conecta a todos los biestables. Con ello se consigue que todos los biestables evolucionen a la vez, y por lo tanto no se produzcan tiempos de retardo ni transitorios. Para conseguirlo hay que añadir una lógica combinacional para implementarla en el contador, mientras que los biestables hacen de memoria para saber en qué estado se encuentra, la lógica combinacional se encargará de calcular cual será el siguiente estado al que debe pasar el contador.

6.2.3.-Contadores cíclicos

Que están basados en registros de desplazamiento. Son síncronos y dentro de ellos están los contadores de anillo y los Johnson. Los de anillo, son cadenas de biestables cerradas en las que cada uno de ellos está conectado al anterior.

Los Johnson, son parecidos pero la alimentación del último al primer biestable es cruzada.

7.-CONCLUSION

Hemos vistos las características más importantes de los circuitos secuenciales y sus aplicaciones………