Figura 1.1 Diagrama en bloque de un Circuito Lógico Secuencial

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1 CAPITULO Circuitos Lógicos Secuenciales síncronos. Introducción Los circuitos lógicos secuenciales síncronos son aquellos circuitos donde los valores lógicos de salida dependen de las combinaciones de los valores lógicos de las entradas y de los estados lógicos almacenados anteriormente. Los cambios de estado de estos circuitos están sujetos a una señal de sincronía llamada reloj o. En la figura. se puede observar que un circuito lógico secuencial síncrono lo constituye: dos bloques de lógica combinacional: uno de entrada y otro salida, y un bloque de memoria. Estructura de un circuito secuencial: Entradas Externas.. Circuito Lógico Combinacional de Entrada Memoria (Biestables) Circuito Lógico Combinacional De s Externas Entradas de excitación Variables de estados () Figura. Diagrama en bloque de un Circuito Lógico Secuencial

2 2 Bloque de memoria: Este bloque lo conforman dispositivos electrónicos capaces de almacenar un bit, es decir biestables. Para n biestables, se tienen n salidas del bloque de memoria, pudiéndose así tener un máximo 2 n estados diferentes a la salida de este bloque. Bloque combinacional de entrada: Se encarga de colocar los valores adecuados en las entradas de excitación de cada uno de los biestables utilizados, para que cuando llegue la señal de reloj, la salida de cada biestable almacene el nuevo estado lógico deseado. El valor lógico que se le debe colocar a cada entrada de excitación para obtener el estado lógico deseado va depender del dato almacenado en los biestables y de la combinación lógica de sus entradas externas. Por ejemplo si se utilizan flip-flop J-K para diseñar un contador ascendente/descendente modulo 8, que tiene como señal de entrada externa M, donde esta señal de entrada indica que si M=0 el conteo binario es ascendente y M= es descendente, entonces sí a la salida se tiene la cuenta 2 ( dato almacenado) y M=0 (entrada externa) este circuito debe colocar los valores lógicos adecuados en las entradas de excitación de los flip- flop J-K para que cuando llegue la señal de reloj los biestables pasen a almacenen la cuenta 3 (estado futuro), ó si M= colocar los valores lógicos adecuados en las entradas de excitación de los flip- flop J-K para que cuando llegue la señal de reloj los biestables pasen a almacenen la cuenta (dato futuro). El bloque combinacional de salida: se encarga de implementar la función lógica de salida deseada, en algunos casos este bloque se implementa únicamente en función de la salida de los biestables (metodología de Moore), y en otros casos en función de las entradas externas y salidas de los biestables (metodología de Mealy). Pasos a seguir para el diseño de circuitos secuenciales siguiendo metodología de Moore: ) Número de estado: Identificar los diferentes estados que debe tener el CLS. 2) Número de flip-flop: Calcular el número de flip-flop mínimos para obtener los estados del paso.

3 3 3) Asignación de estado: a todas las posibles combinaciones de estado con los flip-flop se le da un nombre. 4) Diagrama de estado: Describe de forma gráfica el comportamiento del sistema. Los estados se representan por círculos y las transiciones entre estados con flechas. Cada flecha se marca con los valores de las señales de entrada que originan la transición. En la metodología de Moore los estados lógicos de las salidas se colocan en los círculos, indicando que la salida solo depende del estado lógico almacenado. Ej. para una entrada externa M- Nombre del Entada Externa M= Entada Externa M=0 Nombre del Nombre del 5) Tabla de Estado: Indica mediante una tabla los estados lógicos de las salidas en función del dato almacenado (Estado presente) e indica el estado futuro en función del dato almacenado (Estado presente) y de la entrada externa. Ej. para una entrada externa M.

4 4 M=0 M= Nombre del Estado lógico de salida en Nombre del Nombre del función del estado presente estado futuro estado futuro ) Tabla de transición: Se elabora a partir de la tabla de estado, es decir a cada estado que se indica en la tabla de estado se le dan los valores lógicos. Ejemplo para N biestables y N salidas ( N- ) n..( 0 ) n (S N- )..(S 0 ) ( N- ) n+..( 0 ) n+ M=0 M= ) Escoger flip-flop 8) Mapas K, para encontrar las ecuaciones de Excitación de cada flip-flop y las ecuaciones de salidas. 9) Elaborar el Diseño- 0) Comprobar el funcionamiento. Ejemplo Diseñar un contador con la siguiente secuencia arbitraria a la salida 0,2,3,,0.2 Pasos a seguir para el diseño de circuitos secuenciales siguiendo metodología de Moore: ) Numero de estado: 4 2) Numero de flip-flop: 2 3) Asignación de estado:

5 5 s de los Estados Flip-flop n n o Asignación 0 0 A 0 B 0 C D 4) Diagrama de estado: Para este ejercicio no se tiene señal de entrada externa, es decir de un estado presente determinado el estado futuro va ser el mismo cada vez que se tiene el flanco activo en la entrada de reloj de los flip-flop. A 00 D B 0 C 0 5) Tabla de Estado n n o S S0 n+ n+ o A 00 C B 0 A C 0 D D B Tabla.

6 6 6) Tabla de transición n n o S S0 n+ n+ o Tabla.2 7) Escoger flip-flop: tipo J_K activo en bajo n n+ J K 0 0 X 0 0 X 0 X 0 X Tabla.3 Tabla de excitación del flip-flop J-K activo en bajo 8) Mapas K, para encontrar las ecuaciones de Excitación de cada flip-flop y las ecuaciones de salidas. A partir de la tabla de transición y la tabla de excitación del flip-flop escogido, se elabora la tabla de la verdad de los circuitos lógicos combinacionales que gobernaran cada una de las entradas de los flip-flop. Si de un estado presente( n ) se desea un determinado estado futuro( n+l ) a la salida del flip flop, entonces se debe colocar los valores adecuado a las entradas de excitación, así por ejemplo en la tabla de transición si del estado presente 00 se quiere como estado futuro 0, es decir el flip-flop debe pasar de almacenar un 0 a almacenar un entonces se deben colocar J= 0 y K= o 0, es decir este flip fliop con estos valores en su entada de

7 7 excitación, cuando llegue la señal de reloj adecuada almacenará el deseado. Siguiendo esta metodología se construye la siguiente tabla. ENTRADAS SALIDAS Excitación n n o J K J 0 K X X 0 0X X 0 X0 0X X0 X0 Luego a partir de esta tabla, aplicamos encontramos la ecuación lógica para cada una de las entradas de excitación de los flip-flop. Para J0 0 ` 0 0 x 0 x Jo = Para K0 0 ` 0 0 x 0 x Ko =

8 8 Para J 0 ` x x J = o PARA K 0 ` 0 0 x x 0 k = o 9) Elaborar el Diseño 0) Mediante diagrama de tiempo comprobar el funcionamiento.

9 9 Pasos a seguir para el diseño de circuitos secuenciales siguiendo metodología de Mealy: ) Número de estado: Identificar los diferentes estados que debe tener el CLS. 2) Número de flip-flop: Calcular el número de flip-flop mínimos para obtener los estados del paso. 3) Asignación de estado: a todas las posibles combinaciones de estado con los flip-flop se le da un nombre. 4) Diagrama de estado: Describe de forma gráfica el comportamiento del sistema. Los estados se representan por círculos y las transiciones entre estados con flechas. Cada flecha se marca con los valores de las señales de entrada que originan la transición. En la metodología de Mealy los estados lógicos de las salidas se colocan en las transiciones, indicando que las salidas dependen tanto del estado lógico almacenado como de los estados lógicos de las señales de entradas. Ej. Para una entrada externa M Entada Externa M=/ Nombre del Entada Externa M=0 / Nombre del Nombre del 5) Tabla de Estado: Indica mediante una tabla los estados lógicos de las salidas y el estado futuro ambos en función del dato almacenado y de las entradas externas. Ej. Para una entrada externa M

10 0 (S N- )..(S 0 ). M=0 M= M=0 M= Nombre del Estado lógico Estado lógico Nombre del Nombre del de salida de salida estado futuro estado futuro ) Tabla de transición: Se elabora a partir de la tabla de estado, es decir a cada estado que se indica en la tabla de estado se le dan los valores lógicos. Ejemplo para N biestables y N salidas (S ( N- ) n..( 0 ) n N- )..(S 0 ). ( N- ) n+..( 0 ) n+ M=0 M= M=0 M= ) Escoger flip-flop 8) Mapas K, para encontrar las ecuaciones de Excitación de cada flip-flop y las ecuaciones de salidas. 9) Elaborar el Diseño. 0) Comprobar el funcionamiento.

11 Ejemplo: Detector de Secuencia (Mealy) Realizar el diseño de un circuito que sea capaz de detectar la siguiente secuencia: 0 Pasos a seguir para el diseño de circuitos secuenciales siguiendo metodología de Mealy: Y:Entrada:0 Detector de Secuencia S:salida:al detectarla ) Diagrama de estado 0/0 A 0/0 B /0 /0 0/0 C /0 0/0 D 0/0 E /0 / 2. Número de estados: Numero de flip-flop:3

12 2 4.- Asignación de estados n 2 n n o Asignación 000 A 00 B 00 C 0 D 00 E 0 F 0 G H 5.-Tabla de estado n 2 n n o n+ 2 n+ n+ o Y=0 Y= Y=0 Y= A 0 0 A B B 0 0 A C C 0 0 D C D 0 0 A E E 0 A C F 0 0 A A G 0 0 A A H 0 0 A A Si al encender el circuito en la salida de los biestables se tienen el estado F,G ó H el circuito debe estar protegido para ello, por tanto para estos caso se envían a el estado inicial.

13 3 6.- Tabla de transición n 2 n n o n+ 2 n+ n+ o Y=0 Y= Y=0 Y= Escoger el flip-flop Tipo J_K n n+ J K X 0 X 0 X X 0 Tabla de excitación del flip-flop J-K activo en Alto 8.- Encontrar las ecuaciones para cada entrada de excitación de los flip-flop: Elaborar las tablas de la verdad para encontrar las ecuaciones de cada una de las entradas de excitación de los flip-flop usados en el diseño, y las tablas de verdad para encontrar las ecuaciones de salida. Usando la metodología de Mealy las entradas en todos los bloques combinacionales dependen de las salidas de los flip-flop (estado presente) y de las entradas externas (en este caso Y)

14 4 0 2 Y CLC 0 2 Y J GRB CLC J 0 2 Y GRB CLC J GRB K CLR K CLR K CLR Vcc CLC ECUACIÓN DE SALIDA Tabla de verdad para encontrar las ecuaciones de las entradas de excitación de los flip-flop J 0, K 0, J,K, J 2,K 2 : Entradas ( X, n 2, n, n o ), s J 0, K 0, J,K, J 2,K 2. Basada en la tabla de transición ( que indica los estados a la cual debe ir la máquina de estado) y utilizando la tabla de excitación del flip-flop escogido, se encuentran los estados lógicos de las salidas J 0, K 0, J,K, J 2,K 2. Ejemplo si estamos en el estado 000 y la entrada X es entones los valores que deberían colocarse a las entradas de excitación para ir al estado 00 son: J 2 =0, K 2 =X, J =0, K 2 =X, J 2 =, K 2 =X. Estado Y=0 Y= Presente 2 n n o n J 2 K 2 J K J 0 K 0 J 2 K 2 J K J 0 K X 0X 0X 0X 0X X 00 0X 0X X 0X X X 00 0X X0 X 0X X0 0X 0 0X X X X X X 00 X X 0X X X 0X 0 X 0X X X 0X X 0 X X 0X X X 0X X X X X X X

15 5 Encontrar J 2 y K 2 X 2 0` x x x x 0 0 x x 0 0 x x 0 J 2= X 0 X 2 0` x x 0 x x x x x 0 x x k 2 = Encontrar J y K X 2 0` x x x x 0 x x x x J = X 2 0 X 2 0` x x x x 0 x x x x k = 2+ 0

16 6 Encontrar J 0 y K 0 X 2 0` x x x x x x x x J 0 = X 2 + X 2 Encontrar la ecuación de salida X 2 0 ` x x x x 0 0 x x x x 2 n n o n k 0 = Y=0 Y=

17 7 X 2 0` S = X diseño R2 0k U:A U5:A LS 2 U7:A 2 74LS04 U2:A 2 74LS08 3 U6:A LS U3:B U3:C 74LS 8 R C u U3:A LS 2 U6:B LS LS U6:C 74LS S 5 J 6 K R LS S J K R LS S J K R LS76 D LED-RED U4:B LS08 6 U4:A 3 2 U4:C 74LS LS08 R Comprobar