1.- CARACTERÍSTICAS DE LOS CIRCUITOS SECUENCIALES…………………………………………..
2.- BIESTABLES………………………………………………………………………………………………………….
2.1.- Báscula R-S NOR…………………………………………………………………………………………………
2.2.- Báscula R-S NAND……………………………………………………………………………………………….
2.3.- Biestable R-S síncrono………………………………………………………………………………………….
2.4.- Biestable R-S síncrono, con entradas asíncronas………………………………………………………
2.5.- Biestable R-S Master-Slave…………………………………………………………………………………….
2.6.- Biestable J-K……………………………………………………………………………………………………….
2-7.- Biestable T………………………………………………………………………………………………………….
2.8.- El biestable D………………………………………………………………………………………………………
2.9.- Parámetros reales de los biestables………………………………………………………………………..
3.- CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS SECUENCIALES………………………………………………
3.1.- Registros…………………………………………………………………………………………………………..
3.2.- Contadores………………………………………………………………………………………………………..
3.2.1.- Contadores Asíncronos……………………………………………………………………………………….
3.2.2.- Contadores Síncronos…………………………………………………………………………………………
3.2.3.- Contadores Especiales:……………………………………………………………………………………….
4.- CONCLUSIÓN……………………………………………………………………………………………………….
BIBLIOGRAFÍA.
A.P. Malvino, Principios de electrónica, McGraw Hill, Mexico 1991.
J.M. Angulo, Electrónica Funfamental, Paraninfo, Madrid 1993.
Janes E. Palmer, Introducción a los Sistemas Digitales, McGraw Hill, Mexico 1991.
1.- CARACTERÍSTICAS DE LOS CIRCUITOS SECUENCIALES
Los circuitos secuenciales son aquellos en que el valor actual de las salidas no sólo depende del valor actual de las entradas sino también de las situaciones por las que pasó el circuito anteriormente (valor anterior de las propias salidas).
El esquema general de un circuito secuencial consta de dos circuitos fundamentales: un sistema de memoria y una circuitería combinacional asociada a él.
El circuito de memoria sirve para almacenar temporalmente la información que indique el circuito combinacional, cuales son los estados previos por los que ha pasado el sistema. El circuito combinacional genera las salidas finales “z1“, que dependen de las entradas “x1” en ese instante y de las salidas “y1” del circuito de memoria. También genera unas salidas auxiliares “y1” que sirven para cambiar el estado de la memoria, de forma que as siguientes salidas finales z1 del sistema se obtengan de acuerdo con el nuevo estado previo.
El circuito de memoria almacena la información en binario, por lo que ha de utilizar elementos capaces de retener dicho tipo de información. El elemento básico de almacenamiento es el “Biestable”.
2.- BIESTABLES
Los biestables son circuitos lógicos elementales capaces de permanecer en uno de los dos posibles estados estables de salida que posee (llamados normalmente Q=0 y Q=1), aún después de desaparecer la señal de entrada que lo provocó (señal de disparo). De este modo se almacena la información binaria de un bit. Los hay de muchos tipos, pero su esquema general es el siguiente:
Todo biestable se construye con dos salidas, Q y Q, una inversa de la otra. La principal es Q, ya que define el estado del Biestable, aunque suelen ser las dos utilizadas como entradas a los circuitos combinacionales. Las entradas pueden ser dos o una, y sirven para cambiar o disparar al biestable de un estado a otro.
Los biestables pueden clasificarse de dos formas diferentes:
a) Según el tipo de las entradas de disparo R-S, J-K, D y T.
b) Según el sincronismo de disparo, el biestable puede ser Síncrono (con entrada de reloj) o Asíncrono. Los biestables Síncronos pueden ser a su vez de dos tipos: activados por nivel o activados por flanco de su señal de reloj.
2.1.- Báscula R-S NOR
Su circuito básico y su representación esquemática son los siguientes:
Para comprobar su funcionamiento, supongamos que inicialmente las salidas son Q=1, Q=0 y que en el instante t1 es activada la entrada R (R=1), permaneciendo S inactiva (S=0).
La puerta -1- tiene como entrada R=1 y Q=0, por lo que, transcurrido un tiempo de retardo t, su salida pasará a Q=0. En este instante las entradas de la puerta -2- valdrán Q=0 y S=0, y su salida pasará a Q=1 después de otro retardo t. Una vez alcanzado este estado estable (Q=0, Q=1),se mantiene inalterable incluso si la entrada R se desactiva (R=0):
Si ahora se activa la entrada S=1, el biestable cambiará de estado, tras el correspondiente intervalo de retardo:
Este otro estado también se mantiene con ambas entradas R y S inactivas.
Sin embargo se produce una situación anómala si son activadas a la vez R=1 y S=1, ya que las salidas pasan a valer ambas cero, lo cual es contradictorio con la definición de biestable. Por tanto, en un biestable R-S no deben activarse simultáneamente ambas entradas R y S.
La tabla de funcionamiento o “Tabla de transiciones” de este biestable R-S NOR es la siguiente:
2.2.- Báscula R-S NAND
Su circuito básico y su símbolo son los siguientes:
En este biestable asíncrono las entradas R y S son activas con 1 lógico, es decir, un 0 en S efectúa el paso a set (salida Q=1), y un 0 lógico en R hace Reset del circuito (salida Q=0). Si ambas entradas permanecen a 1 lógico, el estado del biestable no cambia. Ahora la combinación no deseable de entrada es la R=S=0.
Este funcionamiento se describe en la tabla de transición siguiente:
2.3.- Biestable R-S síncrono
Los biestable asíncronos vistos hasta ahora son rara vez utilizados en la práctica, ya que presentan problemas en cuanto a almacenamiento de la información binaria, y además están expuestos a la aparición de impulsos transitorios en sus entradas (debido a los diferentes retardos en os circuitos combinacionales previos) que pueden hacer que el biestable conmute de forma no prevista.
Un biestable R-S síncrono se obtiene a partir de uno asíncrono, añadiendo en cada una de las entradas de disparo una puerta lógica gobernada por la señal de reloj.
El símbolo del biestable R-S síncrono y un cronograma de funcionamiento:
Estos biestables con entrada de reloj siempre son biestables Síncronos activados por nivel, ya que las salidas pueden conmutar durante todo el nivel activo de la señal de reloj (normalmente nivel alto). Reciben también el nombre de biestables tipo Latch.
2.4.- Biestable R-S síncrono, con entradas asíncronas
Este biestable es una ampliación del biestable Síncrono, que, además de las entradas síncronas R y S (gobernadas por el reloj), aporta otras dos entradas que actúan de forma asíncrona, es decir, independientes de la seña de reloj, de forma que harán conmutar las salidas del biestable en el mismo momento que sean activadas.
Estas dos entradas suelen ser llamadas PRESET (Pr) y CLEAR (Cl). La entrada Preset es equivalente a Set (puesta de Q=1), y la entrada Clear funciona igual que Reset (puesta Q=0). Suelen ser activas con 0 lógico, y tienen prioridad sobre las entradas síncrona R-S.
El símbolo y tabla de transición resumida de este biestable son los siguientes:
2.5.- Biestable R-S Master-Slave
Los biestables síncronos normales (tipo Latch) solucionan los problemas de almacenamiento y de eliminación de respuestas transitorias indeseables en los sistemas secuenciales. Sin embargo, presentan graves problemas en muchos circuitos con respecto a la duración de los impulsos de la señal se reloj. Si estos son demasiado largos en un circuito con varios biestables síncronos conectados en serie, dichos biestables conmutarán mas de una vez con cada pulso de la señal de reloj, produciendo salidas no deseables en la mayoría de los casos.
Para solucionar este problema y poder utilizar pulsos de reloj de cualquier duración, se han ideado los Biestables Master-Slave (Maestro-Esclavo), constituidos por dos biestables síncronos conectados en serie y con sus respectivas señales de reloj invertidas.
El circuito correspondiente a un Biestable Master-Slave (RS M/S) es el siguiente:
Cuando la señal de reloj pasa a nivel alto (CK=1), el biestable Maestro se carga al valor indicado por las entradas de disparo R-S, pero el biestable Esclavo de salida no conmuta, ya que su señal de reloj está inactiva (CK’=O).
En el instante en que el reloj externo pasa de nivel alto a nivel bajo (flanco de bajada, CK=0), el Maestro se bloquea almacenando la información que contenía en dicho instante, y esta información pasa a las entradas del biestable Esclavo (se activa su señal de reloj CK`=1), con lo que se conmuta a la misma situación en que quedó el Maestro.
Por lo tanto, este biestable Maestro-Esclavo conmuta solamente en los flancos de bajada de la señal de reloj.
El símbolo y Tabla de Transición resumida correspondiente a este Biestable R-S Master-Slave activado por flanco de bajada son os siguientes:
También se pueden encontrar biestables Master-Slave activos con flanco de subida, sin mas que cambiar de posición el inversor del circuito anterior y hacer que actúe sobre el biestable Maestro. Su símbolo es entonces el siguiente:
Igualmente podemos encontrar biestables Master-Slave con entradas asíncronas Preset y Clear, cuyo funcionamiento es idéntico a explicado en los biestables síncronos.
Todos los biestables activados por flanco (no por nivel) suelen recibir el nombre de biestables Flip-Flop.
2.6.- Biestable J-K
El biestable J-K surge como una mejora del biestable R-S con e fin de eliminar a indeterminación de salida producida al activar simultáneamente ambas entradas R=S=1.
El biestable J-K se comporta de forma idéntica al R-S, funcionando la entrada J como Set, y la entrada K como Reset. Sin embargo ahora si pueden ser activadas a la vez ambas entradas J=K=1, produciéndose como resultado a conmutación de biestable a estado opuesto a que tenía.
E biestable J-K mas elemental es e J-K Asínrono, cuyo circuito se obtiene a partir del biestable R-S asíncrono, añadiéndole una realimentación especial a través de un par de puertas adicionales:
Su funcionamiento viene expresado por la siguiente tabla de transición, de la que podemos obtener a ecuación de próximo estado de todo biestable J-K:
Este biestable J-K asíncrono no tiene aplicación práctica, ya que da lugar a oscilaciones de salida (llamadas races o carreras) al activar ambas entradas J=K=1.
El biestable J=K mas utilizado, y que evita los problemas de oscilaciones, es el J-K Master-Slave, cuyo circuito interno y símbolo son los siguientes:
Este es un biestable J=K Master-Slave activado por flanco de bajada de a señal de reloj. Funciona de forma análoga al R-M/S (con J=S y K=R), pero ahora al activar ambas entradas J=K=1 el biestable conmutará a estado contrario al que tenía, al llegar el flanco de bajada del reloj.
Muchos de los bistables JK M/S comerciales añaden también entradas asíncronas (Preset y Clear). El símbolo correspondiente a tal biestable es el siguiente:
2-7.- Biestable T
Este biestable solamente es práctico en modo Master-Slave, y tiene una sola entrada de disparo T, que obedece a la siguiente tabla de transición:
Es decir , con T=0 el biestable mantiene el estado que tenía (almacena la información), y con T=1 conmuta al estado opuesto, al llegar e flanco activo de la señal de reloj.
Se obtiene un biestable T directamente a partir de un J-K, uniendo las dos entradas (J=K):
2.8.- El biestable D
Tiene una sola entrada D que, en la modalidad síncrona Latch, se ajusta a la siguiente tabla de transición:
Es decir, la salida copia el valor de la entrada D cuando llega el impulso de reloj.
El biestable D mas sencillo de tipo comercial es el D Síncrono o D Latch, que se puede obtener a partir del RS síncrono, añadiendo un inversor:
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.
Cuando se haba de un circuito Latch (sin mas), suele hacerse referencia a un biestable D Latch.
2.9.- Parámetros reales de los biestables
Además de los parámetros propios de la familia lógica a la que pertenecen, tales como niveles lógicos de tensión o características de corriente de entrada y salida, en los biestables suelen especificarse una serie de parámetros relativos a la temporización de as diferentes señales que intervienen en la conmutación del biestable. Los mas importantes son:
a) Tiempo de Asentamiento ( Set up )
Es el mínimo tiempo anterior al flanco activo de toma de datos durante el cual los niveles lógicos de las señales de entrada no deben cambiar.
b) Tiempo de mantenimiento (Hold o Release time)
Es el tiempo posterior al flanco activo de toma de datos durante el cual las entradas no deben cambiar.
c) Frecuencia máxima de reloj
Es la máxima frecuencia admisible de la señal de reloj para la cual el fabricante garantiza un correcto funcionamiento.
d) Duración de tiempo alto de reloj
Es el tiempo mínimo que debe durar la parte alta del impulso de reloj.
e) Duración del tiempo bajo de reloj
Es el tiempo mínimo que debe durar la parte baja del reloj.
f) Tiempo activo de Preset y de Clear
Es el tiempo mínimo que deben permanecer activadas las entradas asíncronas para garantizar un correcto funcionamiento.
g) Tiempo de retardo o de propagación.
Es el tiempo que transcurre desde el flanco activo del reloj hasta el momento en que se completa la correspondiente transición de las salidas.
3.- CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS SECUENCIALES
El esquema de un circuito secuencial, como se vio al principio, consta de un bloque lógico combinacional y un bloque de memoria. El bloque de memoria consta de una serie de biestables cuyas salidas reciben el nombre de “variables de estado” (y1). Cada una de las 2n combinaciones de estas n variables son un posible “estado” del sistema.
Las variables de estado (salidas de los biestables) actúan como entradas al bloque combinacional junto con las entradas externas del circuito (x1). Este bloque combinacional genera una serie de líneas llamadas “variables de excitación” que sirven de entrada de disparo a los biestables. Las salidas finales del sistema se pueden obtener, dependiendo del tipo de sistema, del circuito combinacional o directamente de los biestables.
Dependiendo del tipo de biestables utilizados y del tipo de señales con que trabajan se pueden distinguir dos tipos de circuitos secuenciales:
a) Síncronos: los biestables del sistema son síncronos y la evolución de los estados internos es gobernada por los impulsos de un generador exterior.
Dentro de este grupo los mas utilizados son los registros de desplazamiento y los circuitos contadores.
b) Asíncronos: los biestables de la memoria son asíncronos y no requieren señales externas de sincronismo.
3.1.- Registros
Un registro es todo circuito lógico capaz de almacenar una cantidad limitada de información binaria durante un cierto tiempo.
Los registros normales, llamados registros de almacenamiento, suelen estar compuestos por un conjunto de biestables D aislados entre si, con la señal externa de reloj común para que todos carguen a vez, y teniendo accesibles sus entradas D y sus salidas Q.
Existen dos modalidades de Registros de Almacenamiento: los tipo Latch que son activos por nivel de la señal de reloj y los Master-Slave que son activados por flanco de la señal de reloj.
Si un registro además de almacenar la información binaria, es capaz de desplazar los bits de un biestable al siguiente se le llama Registro de Desplazamiento.
La información binaria puede ser introducida a un registro de desplazamiento de dos formas: serie o paralelo.
Una información se presenta en paralelo, bien como salida o como entrada, cuando existen tantos conductores como bits de información. Por el contrario se presenta en serie cuando la información se presenta por una sola línea bit tras bit de forma sucesiva, normalmente en sincronismo con una señal de reloj.
Un registro de desplazamiento esta formado por un conjunto de biestables colocados en cascada, de forma que la salida de uno es la entrada del siguiente y con una señal de reloj común a todos ellos. Los biestables, a fin de evitar problemas con la duración de los pulsos, han de ser Master-Slave y están conectados de manera que su funcionamiento corresponde al del biestable tipo D.
Según como se presenta la información en su entrada y en su salida podemos distinguir cuatro tipos:
a) Registro Serie-Serie: Son registros con entrada serie y salida serie.
En el circuito la información serie introducida por la entrada A se desplaza una posición a derecha en cada pulso de reloj apareciendo en serie al cabo de 4 pulsos por la salida Q. Este tipo de circuitos se suele utilizar para introducir retardos en la transmisión de información serie.
b) Registro Serie-Paralelo: Son registros con entrada serie y salida paralelo. La salida se toma de cada una de las salidas de los biestables.
La información serie introducida por la entrada A se obtiene al cabo de 4 pulsos por las salidas de los biestables.
Su aplicación fundamental es la conversión de información binaria transmitida en serie a información binaria en paralelo.
c) Registro Paralelo-Serie: Son registros de entrada en paralelo y salida en serie.
En estos circuitos los datos en paralelo se cargan a través de las entradas asíncronas (Preset y Clear) de los biestables. La carga se realiza al activarse una señal de control que puede ser síncrona o asíncrona.
d) Registros paralelo-paralelo:
Son registros con entrada paralelo (de carga asíncrona o síncrona) y salida paralelo, tomada de cada uno de los biestables. Suelen añadir también una entrada serie, convirtiéndose así en registros de desplazamiento universales ya que aportan todo tipo de entradas y salidas.
Si a un registro de desplazamiento se une la entrada serie del primer biestable con la salida del ultimo, obtenemos un Registro de Desplazamiento Circular. En ellos la información se desplazará circularmente y sin perderse.
3.2.- Contadores
Un contador puede ser considerado como un circuito que cuenta y recuerda el número de impulsos que se le aplican a través de una entrada externa de reloj.
Consta normalmente de una cadena de biestables Maestro-Esclavo en cuyas “n” salidas se lee un numero binario puro que indica la cuenta realizada hasta el momento. Por tanto para conseguir un contador que cuente hasta “m” números, necesitamos una cantidad de “n” biestables tal que: 2n > m.
Los contadores se pueden clasificar de diversas formas:
– Según la forma en que conmutan los biestables, podemos hablar de contadores síncronos (todos los biestables conmutan a la vez, con una señal de reloj común) o asíncronos (el reloj no es común y los biestables conmutan uno tras otro).
– Según el sentido de la cuenta, se distinguen en ascendentes, descendentes y UP-DOWN (ascendentes o descendentes en función de una señal de control).
– Según la cantidad de números que pueden contar, se puede hablar de contadores binarios de n bits (cuentan todos los números posibles de n bits, desde 0 hasta 2n-1 ), contadores BCD (cuentan del 0 al 9) y contadores Modulo N (cuentan desde el 0 al N-1).
Todos los contadores cuentan de forma cíclicas, es decir, una vez que alcanzan el número máximo de cuenta, vuelven a comenzar de 0.
En muchas aplicaciones, los contadores se utilizan como temporizadores, en los que la señal de reloj de impulsos es generada por un circuito oscilador de frecuencia fija que permite controlar tiempos.
3.2.1.- Contadores Asíncronos
Se caracterizan porque los impulsos de reloj de los biestables no actúan simultáneamente sino de forma secuencial (una después de otra).
Se basan en una cadena de biestables de tipo T con la entrada T=1, de manera que con cada pulso de reloj la salida conmuta al estado contrario que tenia. La cadena se establece conectando la salida de un biestable con la entrada de reloj del siguiente.
El circuito de la figura muestra un contador asíncrono ascendente binario de 4 bits, formado por biestables JK Maestro-Esclavo activos con flanco de bajada, y con ambas entradas fijas a “1”.
Todos los contadores pueden ser utilizados como divisores de frecuencia, ya que por sus salidas obtenemos señales cuyas frecuencias mantienen una relación fija respecto a la frecuencia de la señal de reloj.
La principal desventaja de estos circuitos asíncronos es su lentitud, ya que los biestables conmutan en serie y se suman los retardos de propagación
3.2.2.- Contadores Síncronos
Están formados por una cadena de biestables MAESTRO-ESCLAVO de cualquier tipo a los que se le aplica una misma señal de reloj, que es la entrada externa de impulsos a contar (todos lo biestables conmutan a la vez, y cuyas entradas síncronas son activadas por un conjunto de circuitos combinacionales (puertas lógicas) de manera que el circuito vaya pasando por los estados de cuenta deseados.
En el circuito de la figura se muestra el esquema de un contador síncrono de 4 bits realizado mediante biestables tipo D.
Resumiendo las características de los contadores asíncrono podemos decir:
– Todos los biestables están gobernados por la misma señal de reloj y conmutan al mismo tiempo.
– La frecuencia máxima de funcionamiento viene determinada por el retardo de un solo biestable mas el de una o dos puertas lógicas.
– Las funciones obtenidas para las entradas síncronas son cada vez mas complejas a medida que aumenta el peso binario del biestable.
3.2.3.- Contadores Especiales:
CONTADOR EN ANILLO
Esta formado por un conjunto de biestables conectados como un registro de desplazamiento, con un lazo de realimentación que se obtiene uniendo la salida del ultimo biestable con la entrada del primero.
Como veremos a continuación el inconveniente que presentan es que solo pueden contar n impulsos. El modo de funcionamiento es el siguiente:
– Puesta a “1000” del contador, es decir, el biestable 1 se pone a “1” y el resto a “0”. Se consigue aplicando un “0” al terminal de PUESTA A 1000.
– Al llegar el primer impulso a contar, el “1” del primer biestable se transfiere al segundo, quedando el primero a “0”.
– Con los sucesivos impulsos se va desplazando el “1” ,volviendo al estado inicial después del 4 impulso gracias al lazo de realimentación.
–
Los posibles estados de este contador son los que se muestran en la tabla:
CONTADOR JOHNSON
La diferencia con el de anillo es que este tiene una realimentación cruzada, es decir, su salida Qn esta unida a la entrada K1 y Qn a la entrada J1.
En la figura se muestra el esquema correspondiente a un contador Jonson de 4 etapas:
– Si se aplica un “0” al terminal PUESTA A “0”, todos los biestables se ponen a cero. Por tanto Q4=J1=1 y Q4=0=K1.
– Al aplicar el primer impulso a contar, el primer biestable se pone a “1” ( Q1=1), mientras que el ultimo biestable Q4 no se pone a “1” hasta el cuarto pulso, ya que el “1” deberá desplazarse por los cuatro biestables.
– A partir del quinto impulso las cosas cambian y Q4=1=K1
y Q4=0=J1, sucediendose los unos en sentido inverso como muestra la tabla.
Con n biestables se pueden contar 2n pulsos, el doble que con el contador cíclico.
4.- CONCLUSIÓN
La mayor parte de los registros y contadores descritos en los apartados anteriores se encuentran fabricados en circuitos integrados. Por tanto el usuario solo necesita conocer nada mas que las características de terminales hacia fuera de dichas pastillas. Características tales como su forma de disparo, tensión de alimentación, potencia consumida, Fan-Out y frecuencia máxima de funcionamiento
La familia lógica en que se han desarrollado mayor número de estos circuitos es la TTL, debido a su buena velocidad fundamentalmente. Sin embargo, hay circuitos disponibles en el mercado como la tecnología MOS que compiten con los anteriores en precio, consumo e incluso velocidad.