circuitos secuenciales

Circuitos secuenciales

Ing. Diego Avalos

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En lógica combinatoria los circuitos producen una respuesta instantánea, es decir, las salidas se pueden calcular a partir de la combinación de los valores de las entradas en el mismo instante. La lógica combinatoria no sirve para construir circuitos con capacidad de memoria, es decir, funciones lógicas cuya salida en el instante presente depende de entradas en el pasado.

Introducción

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Los circuitos combinatorios tienen muchas limitantes debido a que no son capaces de reconocer el orden en que se van presentando las combinaciones de entradas con respecto al tiempo, es decir, no pueden reconocer una secuencia de combinaciones, ya que no poseen una manera de almacenar información pasada, es decir no poseen memoria.

Un circuito cuya salida depende no solo de la combinación de entrada, sino también de la historia de las entradas anteriores se denomina Circuito Secuencial. La historia de las entradas anteriores en un momento dado se encuentra resumida en el estado del circuito, el cual se expresa en un conjunto de variables de estado.

Introducción

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El circuito secuencial debe ser capaz de mantener su estado durante algún tiempo, para ello se hace necesario el uso de dispositivos de memoria. Los dispositivos de memoria utilizados en circuitos secuenciales pueden ser tan sencillos como un simple retardador o tan complejos como un circuito completo de memoria denominado multivibrador biestable o Flip Flop.

Los circuitos secuenciales se clasifican de acuerdo a la manera como manejan el tiempo en circuitos secuenciales síncronos y circuitos secuenciales asíncronos.

Introducción

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En un circuito secuencial asíncrono, los cambios de estado ocurren al ritmo natural marcado por los retardos asociados a las compuertas lógicas utilizadas en su implementación, es decir, estos circuitos no usan elementos especiales de memoria, pues se sirven de los retardos propios (tiempos de propagación) de las compuertas lógicas usados en ellos. Esta manera de operar puede ocasionar algunos problemas de funcionamiento, ya que estos retardos naturales no están bajo el control del diseñador y además no son idénticos en cada compuerta lógica.

Circuitos asíncronos

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Los circuitos secuenciales síncronos, sólo permiten un cambio de estado en los instantes marcados por una señal de sincronismo de tipo oscilatorio denominada reloj. Con esto se pueden evitar los problemas que tienen los circuitos asíncronos originados por cambios de estado no uniformes en todo el circuito.

Circuitos síncronos

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Un circuito secuencial puede entenderse simplemente como un circuito combinacional en el cual las salidas dependen tanto de las entradas como de las salidas en instantes anteriores, esto implica una retroalimentación de las salidas

Circuitos secuenciales

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El modelo de Moore consiste en dos bloques de lógica combinacional mas un bloque de memoria. La lógica de estado siguiente define la manera de generar las variables de estado a partir de las entradas. La Lógica de salida define la manera en que se obtienen las salidas del circuito a partir de las variables de estado.

Modelo de Moore

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Las salidas en instantes anteriores están expresadas por un conjunto de variables de estado, de manera que las salidas actuales dependen tanto de las entradas como de las variables de estado las cuales son guardadas en dispositivos de memoria.

Modelo de Mealy

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El 555 tiene diversas aplicaciones, como: Control de sistemas secuenciales, divisor de frecuencias, modulación por ancho de pulso, generación de tiempos de retraso, repetición de pulsos, etc.

Temporizadores: LM555

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Como circuito astable se tiene una forma de onda rectangular a la salida, en la cual el ancho de la onda puede ser manejado con los valores de ciertos elementos en el diseño.


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donde


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El timer 555 en su modo monoestable funcionará como un circuito de un solo disparo.


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donde


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Es un dispositivo con dos entradas (Set y Reset) y una variable de estado o salida (Q) capaz de “guardar” un bit de información y funciona como sigue:

• Si su entrada Set se activa su estado Q se pone en Alto

• Si su entrada Reset se activa su estado Q se pone en Bajo

• Si no se activa ni Set ni Reset su estado no cambia • Por supuesto, no se permite activar Set y Reset

simultáneamente.

Flip-flops: SR

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Diagrama de Bloques. Aunque el FF-SR posee dos entradas (S y R) y sólo una salida (Q), es común la implementación que provee además de Q su versión complementada Q.

Flip-flops: SR

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Tabla de Funcionamiento. Los fabricantes de los circuitos integrados usan una tabla de funcionamiento para describir la operación de un circuito de una manera compacta.

Flip-flops: SR

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Diagrama de estado. Es una alternativa gráfica que tiene la particularidad de enfatizar el número y nombre de los estados del circuito.

Flip-flops: SR

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Tabla de excitación. Se genera un renglón de la tabla por cada transición y anotando los valores necesarios de las entradas para producir dicha transición.

Flip-flops: SR

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Este circuito de memoria básico se puede formar con compuertas nand y nor.

Flip-flop asíncrono

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Flip-flop asíncrono

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A diferencia de su similar asíncrono este flip-flop sólo cambia su salida con la presencia de la señal del reloj.

Flip-flop síncrono

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Este flip-flop tiene como entradas J-K. La condición principal de este FF es que J=K=1 no generan una salida ambigua, para esta condición 11, el FF siempre pasará a su estado opuesto cuando se efectúe la transición con pendiente positiva de la señal del reloj. A esta operación se le denomina modo de complemento. En este modo, si J y K se dejan en estado ALTO, el FF cambiará al estado complementario con cada pulso del reloj.

Flip-flop JK

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Flip-flop JK

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A diferencia de los flip-flops SR y JK, el tipo D sólo tiene una entrada síncrona de control, D. La salida Q va hacia el mismo estado en que se encuentra la entrada D en cada flanco de subida del reloj.

Flip-flop tipo D

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En este flip-flop la única entrada es la del disparador (reloj). Se obtiene a partir de un flip-flop J-K, llevando las entradas J y K permanentemente al nivel 1. Cuando se pulsa la entrada T, el biestable cambia de estado.

Flip-flop tipo T

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Se quiere implementar un control para una cisterna y un tinaco con las siguientes características:

El tinaco tendrá un sensor para el nivel alto y uno para el nivel bajo. Cuando el nivel del tinaco este por debajo del sensor de nivel bajo, el controlador debe encender la motobomba que proporciona la entrada de agua al tinaco. Una vez que el tinaco ha alcanzado el nivel alto, la motobomba debe detenerse.

El sistema de control tiene una restricción. En la cisterna se encuentra un sensor de nivel bajo. Cuando el nivel de la cisterna esté por debajo del nivel determinado por el sensor, la motobomba no debe encenderse y se debe activar un led para informar del nivel bajo de la cisterna.

Problema de aplicación de FF

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Construir flip-flops JK y T a partir de flip-flops tipo D. Para el FF JK tenemos

Ejemplo

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Para el FF T tenemos

Ejemplo

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Se pretende construir un circuito que podrá actuar como FF SR, D, T o JK dependiendo del valor de C1 y C0. Diseñar como único elemento de memoria un FF tipo T.

Ejercicio

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Un contador es un circuito secuencial que pasa por una secuencia prescrita de estados.

La secuencia puede seguir un conteo binario o cualquier otra secuencia de estados.

Los contadores se utiliza para contar el número de ocurrencias de un evento o para generar secuencias de temporizado para controlar operaciones en un sistema digital.

Un contador con n flip-flops no necesariamente debe contar 2n números. Puede truncarse la secuencia para contar un numero menor de estados.

Contadores

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En los sistemas asíncronos los FF no están conectados al mismo reloj, por lo que no cambian simultáneamente. La señal de reloj sólo está conectada 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.

Contadores asíncronos

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En los contadores síncronos las entradas de reloj de todos los flip flops se conectan juntas a un reloj común. De esta manera todos los FF cambian de estado simultáneamente (en paralelo).

Contadores síncronos

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1. Realizar la tabla de transiciones. De la tabla se obtienen las funciones de entradas de los flip flops. El número de flip-flops que se requerirán está dado en función del número de estados del contador.

2. Se selecciona el tipo de flip flop para el diseño (JK, T, D)

3. Minimización de las funciones de entradas utilizando mapas de Karnaugh. 4. Dibujar el diagrama.

Diseño de contadores

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Ejemplo: Diseñar un contador binario síncrono ascendente de 3 bits.


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Ejemplo

Diseño de contadores.

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Ejercicio: Diseñar un contador binario síncrono de tres bits utilizando primero sólo flip-flops tipo T y después sólo flip-flops tipo D.


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Ejercicio: Solución para flip-flops tipo T


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Ejercicio: Solución para flip-flops tipo T


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Ejercicio: Solución para flip-flop tipo D


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Ejercicio: Solución para flip-flop tipo D


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Los registros son circuitos secuenciales conectados por una serie de flip-flops conectados en cascada. Tienen diversas aplicaciones como:

Transmitir y recibir datos en serie y en paralelo. Conversión de datos en formato serie y

paralelo y viceversa. Almacenamiento de información. La operación que se realiza con más frecuencia

sobre los datos almacenados en un registro es la transferencia.

Registros

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En el caso de la transferencia síncrona, todos los flip-flops del registro tienen una entrada de reloj.

Transferencia síncrona

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En este caso la trasferencia se realiza a través de las entradas preset y clear de los flip-flops

Transferencia asíncrona

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En este caso la transferencia de datos se realiza en forma paralela, es decir, se conecta más de un flip-flop en paralelo de tal forma que la transferencia se realice en todos a la vez. La transferencia en paralelo se realiza de manera síncrona. Es importante notar que la transferencia en paralelo no modifica el contenido del registro fuente.

Transferencia en paralelo

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La transferencia de datos en serie se realiza a través de registros de corrimiento. Un registro de corrimiento es un grupo de flip-flops conectados en serie de tal manera que en cada pulso de reloj el dato contenido del primer flip-flop es desplazado al siguiente flip-flop.

Transferencia en serie

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El contador en anillo es un registro de corrimiento que tiene su salida conectada a la entrada. Normalmente se implementa con flip-flops con entradas de PRESET y CLEAR, conectados en cascada y disparados de forma síncrona.

Contador en anillo

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Contador en anillo

Pulso Q3 Q2 Q1 Q0

0 0 0 0 1

1 0 0 1 0

2 0 1 0 0

3 1 0 0 0

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Contador Johnson

Pulso Q3 Q2 Q1 Q0

0 0 0 0 0

1 0 0 0 1

2 0 0 1 1

3 0 1 1 1

4 1 1 1 1

5 1 1 1 0

6 1 1 0 0

7 1 0 0 0

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En el caso de circuitos secuenciales es necesario analizar un diagrama lógicos para obtener la tabla de transición de estados y el diagrama de estados.

Ejemplo: Considerando la figura siguiente, obtener la tabla de transición de estados, las ecuaciones lógicas y el diagrama de transición de estados. Describir brevemente la operación del circuito.

Análisis de circuitos secuenciales.

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Ejemplo

Análisis de circuitos secuenciales

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Ejercicios: Para cada uno de los siguientes circuitos, obtener la tabla de transición de estados, las ecuaciones lógicas y el diagrama de transición de estados. Describir brevemente la operación del circuito.


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Ejercicios: para cada uno de los siguientes diagramas de transición de estados determinar la tabla de transiciones, diseñar un circuito lógico utilizando sólo flip-flops J-K, T y D y explicar brevemente su funcionamiento:


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circuitos secuenciales

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