DISPOSITIVOS SECUENCIALES
1. Definición de sistema Secuencial: Un sistema de conmutación secuencial se define como un circuito bivaluado (las salidas dependen de las entradas) en el cual, la salida en cualquier instante depende de las entradas en dicho instante y de la historia pasada (o secuencia) de entradas.
Esto implica una serie de características a estos sistemas. Entre éstas podemos destacar las siguientes: Poseen uno o más caminos de realimentación, es decir, una o más señales internas o de salida se vuelven a introducir como señales de entradas. Gracias a esta característica se garantiza la dependencia de la operación con la secuencia anterior. Como es lógico, existe una dependencia explícita del tiempo. Esta dependencia se produce en los lazos de realimentación antes mencionados. En estos lazos es necesario distinguir entre las salidas y las entradas realimentadas. Esta distinción se traducirá en un retraso de ambas señales (en el caso más ideal) el cual puede producirse mediante dos elementos:
Elementos de retraso, ya sean explícitos o implícitos debido al retraso de la lógica combinacional. Este retraso es fijo e independiente de cualquier señal. Elementos de memoria, que son dispositivos que almacena el valor de la entrada en un instante determinado por una señal externa y lo mantiene hasta que dicha señal ordene el almacenamiento de un nuevo valor.
Por lo tanto, el modelo clásico de un sistema secuencial consta de un bloque combinacional, que generará la función lógica que queramos realizar, y un grupo de elementos de memoria con una serie de señales realimentadas.
Estos sistemas secuenciales se clasifican en: • Sistemas asíncronos: La sincronización depende exclusivamente de los retrasos de la lógica combinacional, sin necesidad de ninguna señal externa al sistema. • Sistemas síncronos: La sincronización depende exclusivamente de una señal externa al sistema, conocida generalmente como señal de reloj. Esta señal de reloj controlará el comportamiento de los elementos de memoria.
2. Definición de Latches Y Flip Flops El Latch (cerrojo) es un tipo de dispositivo de almacenamiento temporal de dos estados (biestable). Básicamente los Latches son similares a los Flip-Flops, ya que son dispositivos de dos estados que pueden permanecer en cualquiera de sus dos estados gracias a su capacidad de realimentación, lo que consiste en conectar cada una de sus salidas a la entrada opuesta. El símbolo lógico es:
Los Flip-Flops son dispositivos síncronos de dos estados. En este caso el término síncrono significa que la salida cambia de estado únicamente en un instante específico de una entrada de disparo denominada reloj (CLK), la cual recibe el nombre de entrada de control, C. Esto significa que los cambios de salida se producen sincronizadamente con el reloj. Un Flip-Flop disparado por flanco cambia de estado con el flanco positivo (flanco de subida) o con el flanco negativo (flanco de bajada) del pulso de reloj y es sensible a sus entradas sólo en esta transición del reloj. Un posible símbolo lógico es:
3. Tipos de Latches y Flip Flops Los dos tipos de memoria comúnmente utilizados en los circuitos de conmutación son los Latches y los flip-flops. • Un Latch es un elemento de memoria cuyas señales de entrada de excitación controlan el estado del dispositivo. • Un flip-flops difiere de un Latch por el hecho de que tiene una señal de control llamada reloj. La señal de reloj emite una instrucción al flip-flops permitiéndole cambiar de estado de acuerdo con las señales de entrada de excitación. En los Latches y los flip-flops, el siguiente estado queda determinado por las entradas de excitación. • Un Latch cambia de estado de inmediato, según sus señales de excitación de entrada, mientras que un flip-flops espera la señal de su reloj antes de cambiar de estado.
Tipos de Latches: Latch SR El más simple Latch lógico es el SR, donde R y S permanecen en estado 'reset' y 'set'. El Latch es construido mediante la interconexión retroalimentada de puertas lógicas NOR, o bien de puertas lógicas NAND.
El funcionamiento del Latch es el siguiente: La entrada R activa (1) realiza un RESET del Latch (pone la salida a 0). La entrada S activa (1) realiza un SET del Latch (pone la salida a 1). Si las entradas están desactivadas (R=0 y S=0) la salida del Latch no cambia Si se activan las dos entradas (R=1 y S=1) el circuito no funciona correctamente
Latch R-S con entrada de habilitación El diagrama lógico de un Latch con entrada de habilitación se muestra en la figura Las entradas S y R controlan el estado al que va a cambiar el Latch cuando se aplica un ‘1’ en la entrada de habitación (E, enable). El Latch no cambiará de estado hasta que la entrada E esté a nivel alto. Esta tercera entrada (E) permite habilitar o inhibir las acciones del resto de entradas.
Latch D con entrada de habilitación Existe otro tipo de Latch con entrada de habilitación que se denomina Latch D. Se diferencia del Latch S-R en que sólo tiene una entrada (D), además de la de habilitación (E). Cuando la habilitación (E) está activa la salida Q toma el valor de la entrada D, y cuando está desactiva, la salida permanece en su estado anterior. Este dispositivo también es conocido como báscula D transparente y se emplea para almacenar un bit de información.
Tipos de Flip Flops Flip-Flop maestro-esclavo Un flip-flops maestro-esclavo se construye con dos FF, uno sirve de maestro y otro de esclavo. Durante la subida del pulso de reloj se habilita el maestro y se
deshabilita el esclavo. La información de entrada es transmitida hacia el FF maestro. Cuando el pulso baja nuevamente a cero se deshabilita el maestro lo cual evita que lo afecten las entradas externas y se habilita el esclavo. Entonces el esclavo pasa al el mismo estado del maestro. El comportamiento del flip-flops maestro-esclavo hace que los cambios de estado coincidan con la transición del flanco negativo del pulso.
Flip-Flop disparado por flanco Otro tipo de FF que sincroniza el cambio de estado durante la transición del pulso de reloj es el Flip Flop disparado por flanco. Cuando la entrada de reloj excede un nivel de umbral específico, las entradas son aseguradas y el FF no se ve afectado por cambios adicionales en las entradas hasta tanto el pulso de reloj no llegue a cero y se presente otro pulso. Algunos FF cambian de estado en la subida del pulso de reloj, y otros en el flanco de bajada. Los primeros se denominaran Flip Flop disparados por flanco positivo y los segundos Flip Flops disparados por flanco negativo. La distinción entre unos y otros se indicará con la presencia o ausencia de una negación en la entrada de reloj como se muestra en la figura.
Flip Flop tipo S-R La operación del FF S-R disparado por flanco es similar a la operación analizada anteriormente, el cambio de estado se efectúa en el flanco ascendente del pulso
de reloj. El estado S=R=1 sigue siendo un estado prohibido. La tabla resume el comportamiento del FF tipo S-R disparado por flanco positivo.
Flip Flop tipo J K La operación de un FF tipo J K es muy similar a la de un FF S-R. La entrada J es la equivalente a la entrada S de un flip-flops R-S y la entrada K, al equivalente a la entrada R. La única diferencia es que no tiene un estado inválido. Para la condición J=K=1 el FF complementa el estado presente. La tabla característica de la tabla 7 resume el comportamiento del FF tipo J K disparado por flanco positivo.
Flip Flop tipo D Su comportamiento es similar al del Latch D descrito con anterioridad, la salida del flip-flops tipo D se igualará a la entrada en el instante en el que se produzca el flanco ascendente o descendente de la señal de reloj (CLK).
Flip Flop tipo T Solo posee una entrada además de la del reloj. Se le denomina “trigger o toggle, disparador o alternancia". La función de este dispositivo consiste en cambiar (alternar) su estado con cada transición en sentido negativo de su señal de entrada de excitación. Si hay un 0 en la entrada T, cuando se aplica el pulso de reloj la salida mantiene el valor del estado presente. Si hay un 1 se complementa.
4. Aplicación de los Flips Flops Una de las aplicaciones de un Flip-Flop es la división (reducción) de frecuencia de una señal periódica. Cuando se aplica un tren de pulsos a la entrada de reloj de un Flip-Flop J-K conectado en modo de conmutación (J = K = 1), la salida Q es una señal cuadrada que tiene una frecuencia igual a la mitad de la frecuencia de la señal de reloj. Por lo tanto se puede utilizar un único Flip-Flop como un divisor por 2. Se pueden conseguir divisiones sucesivas de frecuencia de reloj conectando la salida de un Flip-Flop a la entrada de reloj de un segundo Flip-Flop.
Si se conectan varios Flip-Flops de esta manera, se puede conseguir una división de frecuencias de 2 n, donde n es el número de Flip-Flops.
5. Contadores Contador digital: Es todo circuito o dispositivo que genera una serie de combinaciones a sus salidas sincronizadas por una señal de reloj externa. 6. Clasificaciones de contadores Según el comportamiento con la señal de reloj:
Contadores asincrónicos. Contadores sincrónicos.
Según el formato de salida del conteo:
Binario. BCD (Decimal Codificado en Binario) Arbitrario.
Según sentido de conteo:
Conteo ascendente o progresivo. Conteo descendente o regresivo.
Contador asincrónico: Formado en principio por Flip-Flops y lógica combinatoria adicional. Se llaman así ya que la señal externa de reloj en general se conecta a la entrada de un solo Flip-
Flop y se propaga luego internamente. La ventaja es su sencillez. Su principal desventaja es su limitada velocidad de respuesta que depende fuertemente de la cantidad de bits que maneje. Contador sincrónico: Formado en principio por Flip-Flops y lógica combinatoria adicional. Se llaman así ya que la señal externa de reloj en general se conecta a las entradas de reloj de todos los Flip-Flop simultáneamente. La ventaja es su mayor velocidad de respuesta respecto al asincrónico. Su relativa desventaja es su mayor complejidad circuital y consumo de energía. Contador Binario: Un contador binario se puede construir con flip-flops J-K tomando la salida de una celda como la entrada de clock del siguiente. Las entradas J y K de cada flip-flops se conectan a 1 (alta), para producir una conmutación con cada ciclo del clock de entrada. Por cada dos conmutaciones de la primera celda, se produce una conmutación en la segunda celda, y así sucesivamente hasta la cuarta celda. Esto produce un número binario igual al número de ciclos de la señal de clock en la entrada. Este dispositivo se denomina a veces contador de "propagación". El mismo dispositivo es útil como divisor de frecuencia.
Contador BCD: Un contador BCD es un contador de décadas que sigue concretamente los
estados . Su módulo es por tanto 10 y ya que 2 3<10<24, necesitaremos 4 flip-flops para construirlo. Evidentemente estaremos desperdiciando 16-10=6 estados - por eso se dice que la secuencia de conteo de un contador BCD es truncada -. La forma más sencilla de truncar un contador consiste en decodificar el estado de numeración más alto (el 9 en este caso) y utilizarlo para llevar el contador hasta el estado de numeración más bajo (el 0). Para dicho fin, pueden utilizarse las entradas asíncronas de CLEAR. Puede observarse que aparece un glitch en la señal de Q 1, inevitable y de duración igual al tiempo de propagación a través de la puerta NAND, más el tiempo que tarda el flip-flops primero en ponerse a cero.
Contador arbitrario: Un contador arbitrario realiza una cuenta con algún patrón establecido, en vez de siempre ascendente o descendente. Por ejemplo: 0, 2, 4, 6, 3, 0, 2, 4, 6…
Modelar un contador arbitrario requiere de varios pasos: Diseñar el diagrama de transición Construir la tabla de transiciones Deducir las ecuaciones de excitación Programar el circuito Comprobar su funcionamiento
7. Aplicación de los contadores Contaje de objetos y de sucesos: La cuenta directa de unidades (pulsos, objetos, sucesos,…) encuentra aplicación en muchos procesos. Para ello se precisa que el fenómeno (evento) a contabilizar sea primeramente transformado en señal eléctrica, mediante el correspondiente sensor al que seguirá un circuito de conformación de pulsos adecuado.
Por ejemplo, se pueden contar objetos haciéndolos pasar en fila de a uno por una cinta transportadora entre una célula fotoeléctrica y un foco luminoso. La utilización de fotodetectores y otros tipos de sensores de interposición o de proximidad para detectar presencia de objetos, personas o marcas es tan amplia que existe una gran diversidad en la oferta de tales componentes.
Relojes digitales:
El caso más general de medida de tiempos corresponde a los relojes digitales (reloj horario en horas, minutos y segundos) cuyo esquema de bloques puede ser el siguiente: