Facultad de Ingeniería EléctricaLaboratorio de Electrónica

“Ing. Luís García Reyes”

Materia: “Laboratorio de Electrónica Digital II”

Práctica Número 1“Diseño de circuitos secuenciales asíncronos.”

Objetivo:Comprobación y aplicación de las técnicas vistas en clase para el diseño de circuitos

secuenciales asíncronos.

Introducción:En la lógica combinacional 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 combinacional 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. Es entonces, cuando los circuitos secuenciales aparecen y cobran relevancia conceptos que no eran tan trascendentes para los circuitos combinacionales, algunos de estos conceptos son: instante presente, instante siguiente, estado, retroalimentación, tiempo de propagación, sincronización, memoria, secuencia, conteo, etc. Obsérvese que el principal concepto involucrado en todos los anteriores es el tiempo.

Los circuitos combinacionales 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.

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.

Un circuito secuencial se especifica como una sujeción temporal de entradas y estados internos. En los circuitos secuenciales sincrónicos, el cambio de estado interno se da en respuesta a los pulsos de reloj sincronizados. Los circuitos secuenciales asíncronos NO UTILIZAN CICLOS

DE RELOJ. El cambio de estado interno se da cuando hay un cambio en las variables de entrada. Los elementos de memoria en los circuitos secuenciales asíncronos son LATCH’s o bien elementos de retardo. La capacidad de memoria de un dispositivo de retardo se debe al tiempo finito que la señal tarda en propagarse a través de las compuertas digitales. Debido a esto, MUCHOS CIRCUITOS SECUENCIALES ASÍNCRONOS SEMEJAN CIRCUITOS COMBINACIONALES CON RETROALIMENTACION.

Los circuitos secuenciales asíncronos tienen diversas aplicaciones, se les utiliza cuando la velocidad de operación es importante, sobre todo en casos en que el sistema digital debe responder rápidamente, sin esperar un pulso de reloj. Su uso es más económico en sistemas pequeños independientes que solo requieren de unos cuantos componentes. Los circuitos asíncronos también son útiles en aplicaciones en que las señales de entrada del sistema podrían cambiar en cualquier momento.

El diagrama de bloques anterior, consiste de un circuito combinacional y elementos de retardo conectados para formar lazos de retroalimentación, Hay n variables de entrada, m variables de salida y k estados internos. Los elementos de retardo pueden verse como una memoria a corto plazo para el circuito secuencial. En un circuito de compuertas, el retardo de propagación que hay en la trayectoria del circuito combinacional desde la entrada hasta la salida, proporciona un retardo suficiente en el lazo de retroalimentación, y es innecesario insertar elementos específicos de retardo en el lazo, sin embargo en este caso se utilizarán algunos elementos.

Retardo

Retardo

Retardo

X1X2

Z1

Xn

y1

Z2

Zm

y2

yk

Y1

Y2

Yk

n variablesde entrada

m variablesde salida

k variablesde excitación

(siguiente estado)

k variablessecundarias

(Estado Actual)

Circuito combinacional

Cuando una variable de entrada cambia de valor, las “y” variables secundarias no cambian instantáneamente. Se requiere de cierto tiempo para que la señal se propague desde las terminales de entrada, a través del circuito combinacional, hasta las variables de excitación “Y”, donde se generan nuevos valores para el siguiente estado. Estos valores se propagan a través de los elementos de entrada y se convierten en el nuevo estado actual de las variables secundarias. Por esto es importante la distinción entra las “y” y las “Y”. En condiciones de estado estable, son iguales no así durante la transición.

Para garantizar un funcionamiento correcto, debe permitirse que los circuitos secuenciales asíncronos alcancen un estado estable antes de cambiar sus entradas a un nuevo valor. Debido a los retardos de los conductores y en los circuitos de compuerta, es imposible hacer que dos o mas variables de entrada cambien exactamente al mismo tiempo sin que haya incertidumbre respecto a cual cambio primero. Por esto SE PROHIBEN CAMBIOS SIMULTANEOS DE DOS O MAS VARIABLES. A este tipo de funcionamiento se define como modo fundamental. El modo fundamental supone que las señales de entrada cambian una a una, y solo cuando el circuito esta en estado estable.

Desarrollo:Implementar el siguiente circuito:

El análisis del circuito se inicia considerando a las variables de excitación como salidas y a las variables de salida como entradas, luego se deducen las expresiones booleanas para las variables de excitación en función de las variables de entrada y las variables secundarias.

Así se obtienen las siguientes expresiones del diagrama:

Y1=xy1x y2

Y2= x y1x y2

Estas funciones predicen que la salida depende de la entrada, pero al aplicar la entrada la salida no cambia inmediatamente, esto permite evaluar el primer estado antes de que se actualice el estado siguiente. Esto se puede entender mejor al graficar las funciones Y1 y Y2 en un mapa como se ve a continuación:

Para Y1x

y1, y2 0 10,0 0 00,1 1 01,1 1 11,0 0 1

Para Y2x

y1, y2 0 10,0 0 10,1 1 11,1 1 01,0 0 0

Usamos los bits codificados de las variables “y” para rotular las filas y la variable de entrada “x” para designar a las columnas. Esta configuración produce un mapa de 3 variables. Este tipo de asignación es la más adecuada para manejar circuitos secuenciales asíncronos. Pero en estos mapas por separado no se puede obtener el proceso de “transición” el tercer mapa se obtiene combinando ambos mapas, así se obtiene la siguiente tabla:

xy1, y2 0 10,0 0,0 0,10,1 1,1 0,11,1 1,1 1,01,0 0,0 1,0

Esta ultima tabla muestra el valor de Y = Y1Y2 dentro de cada celda. El primer bit se obtiene de Y1 y el segundo de Y2. Para que un estado sea estable, el valor de la celda debe de coincidir con el valor de y1,y2, en la tabla de transición se han resaltado los valores donde Y = y, estos son los estados estables, los demás valores representan estados inestables.

Funcionamiento:Consideremos el primer caso, cuando x = 0 , y = 00, la tabla de transición muestra que Y =00,

puesto que Y representa “el siguiente” valor de y, es una condición estable. Si x cambia de 0 a 1 cuando y = 00, el circuito cambiará el valor de Y a 01. Esto representa una condición inestable temporal porque Y no es igual al valor de y, lo que sucede a continuación es que tan pronto la señal

se propaga para hacerla Y = 01, la trayectoria de retroalimentación del circuito hace que y cambie a 01. Esto se puede notar en la tabla de transición con una transición en la primera fila (y = 00) a la segunda donde y = 01. Ahora que y= Y, el circuito llega a la condición estable con una entrada de x = 1. En general SI UN CAMBIO EN LA ENTRADA PONE AL CIRCUITO EN UN ESTADO INESTABLE EL VALOR DE y CAMBIARA (EN TANTO x NO CAMBIE) HASTA LLEGAR A UN ESTADO ESTABLE. Esto quiere decir que al ir alternando a x entre 0 y 1, la salida variará desde 00,01,11,10.

Este tipo de funcionamiento lo podemos apreciar fácilmente al implementar el siguiente circuito:

De este circuito se puede obtener la siguiente función:

Y=x1 x 2 x2 y2

En este caso cuando x1=1 y x2=1, no tiene un estado estable, por lo que la salida oscilara a una frecuencia muy alta.

Requisitos:Hojas de datos de los circuitos a utilizar (dibujados en su libreta)Obtener la tabla de transición del segundo circuito

Reportar:Mediciones del circuito implementado.

Evaluación:La evaluación se realizará considerando el correcto diseño y funcionamiento de la práctica.