CIRCUITOS SECUENCIALES [ 7 ]

Los circuitos lógicos que hemos trabajado hasta el momento son circuitos lógicos combinatorios, en los cuáles sus niveles de salida, en cualquier instante, dependen de los niveles presentes en las entradas del circuito en ese momento. Cualquier condición anterior al nivel de entrada no afecta las salidas, porque los circuitos lógicos combinatorios no tienen memoria.

Los sistemas digitales, en su gran mayoría, están constituidos por circuitos combinatorios y elementos de la memoria. La sección combinatoria acepta señales lógicas de entradas externas y de las salidas de los elementos de la memoria. El circuito combinatorio opera sobre estas entradas externas a fin de producir diversas salidas, algunas de las cuales se utilizan para determinar los valores binarios que se almacenarán en los elementos de la memoria. Las salidas de algunos elementos de la memoria, a su vez, se dirigen hacia entradas de compuertas lógicas en los circuitos combinatorios. Este proceso indica que las salidas externas y de un sistema digital son función de sus entradas externas y de la información almacenada en sus elementos de memoria.

¡Error!

1. BIESTABLES Y FLIP-FLOPS

1.1 Flip-flops y dispositivos relacionados

El elemento más importante de una memoria semiconductora es el flip-flop, el cual está formado por un ensamble de compuertas lógicas. Aunque, como hemos visto,

Compuertas lógicas combinatorias

Elementos de memoria Salidas combinatorias Salidas de memoria

una compuerta lógica por sí sola no tiene la capacidad de almacenamiento, pueden conectarse varias de ellas en una arreglo especial, de manera que permitan almacenar información.

La siguiente figura muestra el símbolo general empleado para un flip-flop ( FF ). El símbolo indica que el FF tiene dos salidas, marcadas como Q y Q , que son inversas entre sí. En realidad se puede utilizar cualquier letra, pero la Q es la de uso más común. La salida Q recibe el nombre de salida normal del FF, mientras que Q es la salida negada o invertida del FF.

Un FF puede tener una o más entradas. Estas se emplean para provocar que el FF haga transiciones hacia atrás y hacia delante ( “flip-flop” ) entre sus posibles estados de salida. Como se verá más adelante, las entradas del FF sólo tienen que recibir un pulso momentáneo para cambiar el estado de su salida y ésta permanecerá en el nuevo estado aún después de la desaparición del pulso de entrada. Esta es la característica de memoria en un FF.

Con respecto a los estados de un FF, podemos decir éste sólo puede tomar dos ( 2 ) estados, los cuáles se presentan en su salida normal Q ( se sobreentiende que la salida invertida Q se encuentra en el estado opuesto ) Por ejemplo, si se afirma que el FF se encuentra en el estado alto ( 1 ), significa que Q = 1 y si se señala que el FF se encuentra en el estado bajo ( 0 ), entonces Q = 0.

¡Error!

Existen varias configuraciones de compuertas que se utilizan para producir estos flip-flops. A continuación se presentan las más utilizadas con su correspondiente

Q = 1, Q = 0 Denominado estado ALTO o 1, también _{recibe el nombre de ESTABLECER}

Q = 0, Q = 1

Denominado estado BAJO o 0, también recibe el nombre de BORRADO O RESESTABLECIMIENTO

F F Q Q Entradas Salida normal Salida invertida

Registro básico con compuertas NOR

Se puede construir un FF con 2 compuertas NOR en la configuración presentada. En este FF sus entradas S ( set ) y R ( reset ) están normalmente en estado bajo. Mientras permanezcan en este estado el valor almacenado en su salida Q no cambia.

Para cambiar el estado de su salida Q se debe aplicar un pulso momentáneo en alguna de sus entradas, es decir, que la entrada pasa a alto ( 1 ) y retorna a su estado bajo ( 0 )

Si el pulso momentáneo se aplica en la entrada R, el FF va a estado RESET o RESTABLECER. En este caso se almacena un “0” en el FF ( Q = 0 )

Si el pulso momentáneo se aplica en la entrada S, el FF va a estado SET o ESTABLECER. En este caso se almacena un “1” en el FF ( Q = 1 )

Si las señales se aplican en las dos entradas, se crea una condición de trabajo ambigua, por lo tanto es una operación no deseada.

Registro básico con compuertas NAND

Se puede construir también un FF con 2 compuertas NAND en la configuración presentada. En este FF sus entradas S ( set ) y R ( reset ) están normalmente en

estado alto. Mientras permanezcan en este estado el valor almacenado en su salida Q no cambia.

Para cambiar el estado de su salida Q se debe aplicar un pulso momentáneo en alguna de sus entradas, en este caso, que la entrada pase a bajo ( 0 ) y retorne a su estado alto ( 1 )

Si el pulso momentáneo se aplica en la entrada R, el FF va a estado RESET o RESTABLECER. En este caso se almacena un “0” en el FF ( Q = 0 )

Si el pulso momentáneo se aplica en la entrada S, el FF va a estado SET o ESTABLECER. En este caso se almacena un “1” en el FF ( Q = 1 )

Si las señales se aplican en las dos entradas, se crea una condición de trabajo ambigua, por lo tanto es una operación no deseada.

El flip-flop también se conoce como registro básico o multivibrador biestable. El término multivibrador biestable es el nombre más técnico para un flip-flop, pero es muy largo para ser utilizado con frecuencia.

1.2 Señales de reloj y flip-flops sincronizados por reloj

Los sistemas digitales pueden operar en forma asíncrona o síncrona. En los sistemas asíncronos las salidas de los circuitos lógicos cambian de estado en el momento en que una o más de las entradas cambie. Este sistema es difícil de diseñar y reparar.

En los sistemas síncronos, los tiempos exactos en que alguna salida puede cambiar de estado se determinan por una señal que comúnmente se denomina

reloj ( CLK ). Esta señal de reloj consiste en una serie de pulsos rectangulares o

cuadrados, como se muestra en la siguiente figura.

La señal del reloj se distribuye a todas las partes del sistema y muchas, por no decir todas las salidas del sistema, pueden cambiar de estado sólo cuando el reloj

Tiempo Transición pendiente positiva (TPP)

con pendiente positiva (TPP) si cambia 0 a 1, o con pendiente negativa (TPN) si la señal de reloj pasa de 1 a 0.

Los circuitos síncronos son más sencillos de diseñar y reparar. Esta característica se da ya que las salidas del circuito sólo pueden variar en instantes específicos de tiempo y casi todas las partes del sistema se sincronizan a las transiciones de las señales del reloj.

Esta acción de sincronización de las señales del reloj en un flip-flop, se logra por medio de FF sincronizados por reloj, los cuáles están diseñados para cambiar de estado sólo en las transiciones del reloj.

El ejemplo más sencillo de FF sincronizado es el FLIP-FLOP tipo D.

En este caso el FF tiene dos entradas, una para los datos ( D ) y otra para la señal de reloj, que en este caso es por flanco positivo.

Su operación consiste en el paso de la salida Q hacia el estado de la entrada de datos, en el momento en que ocurre una transición en la señal de reloj. Hay que destacar que la salida Q sólo almacena el valor del dato en el instante de la transición. ( ver la figura )

2. CONTADORES DIGITALES

Podemos definir un contador digital, como aquel sistema electrónico capaz de realizar el cómputo de los impulsos que recibe la entrada destinada para tal efecto, indicando dicho conteo en un código binario previamente elegido. Generalmente se tiene la opción de visualizar el conteo mediante dispositivos como displays de siete segmentos.

Los contadores pueden ser asíncronos ó síncronos. Los primeros tienen un retardo de respuesta, contrario con lo que sucede en los contadores síncronos. Dependiendo del tipo de aplicación para la cual se emplea el contador se elige uno

u otro. Por ejemplo, si se necesita que el conteo se esté comparando en cada instante con un número preestablecido, el tiempo de retardo adquiere gran importancia, por lo tanto el contador síncrono es la opción más conveniente.

2.1 Contador decimal

Generalmente, nos interesa conocer el número de pulsos que el contador lleva en algún instante en concreto o durante todo momento. Esta información resulta complicada de obtener directamente de un contador binario, ya que lo más común es el manejo de cifras decimales.

Para obtener un contador que proporcione esta información decimal, se dispone de un elemento base, que se denomina década. Una década es la unidad encargada de obtener un conteo de 0 a 9 unidades y es capaz de activar otra década, que contará las decenas, y así sucesivamente. Es evidente que cada década debe reinicializar al iniciar la siguiente. La salida puede ser llevada a un decodificador BCD-7segmentos para visualizar los dígitos de las cifras decimales. La siguiente figura muestra la conexión y los modos de selección de la década integrada o circuito integrado 74LS90.

ENTRADAS SALIDAS