Tema 14: Sistemas Secuenciales

Transcripción

1 Tema 14: Sistemas Secuenciales Objetivos: (CONTADORES) Introducción. Características de los contadores. Contadores Asíncronos. Contadores Síncronos. 1

2 INTRODUCCIÓN Los contadores son sistemas secuenciales con una sola entrada de impulsos a contar, cuyo estado interno en cada instante representa el número de impulsos que se han aplicado. Si los impulsos ocurren a intervalos de tiempo conocidos, un contador puede utilizarse como un instrumento de medida de tiempos Fundamentalmente están constituidos por biestables sincronizados por flancos que serán realimentados de diferentes formas. Existen básicamente dos tipos de contadores: Contadores Síncronos. Contadores Asíncronos. 2

3 Características de los contadores Frecuencia máxima de los impulsos a contar : Esta será la mayor frecuencia (rapidez de pulsos a contar) que es capaz de seguir el contador. Este valor dependerá de la tecnología utilizada en su fabricación y del diseño del contador Código de contaje : El código binario utilizado para realizar el contaje de los impulsos puede ser cualquiera. Si el contador está integrado en un C.I. dicho código vendrá especificado en sus hojas de características. Capacidad de contaje o Módulo del contador : El número de estados diferentes por lo que pasa un contador antes de volver a su estado inicial se denomina módulo del contador o capacidad de contaje, este parámetro determina el número de biestables que ha de tener el contador. Si N es el número de impulsos a contar, el número de biestables (n) ha de cumplir: 2 n-1 N 2 n 3

4 Características de los contadores Modo de funcionamiento: Los contadores pueden ser síncronos o asíncronos. Los asíncronos son aquellos en los que las entradas de reloj que los gobiernan no actúan simultáneamente en todos los flip-flops sino secuencialmente, es decir, los impulsos a contar no se aplica a las entradas de reloj de todos los flip-flops a la vez, sino generalmente sólo a la del primero, y las entradas de reloj del resto son gobernadas por las salidas del biestable precedente. Los síncronos son aquellos en los que los impulsos a contar se aplican a todas las entradas de reloj de todos los biestables a la vez. En general los contadores síncronos son más rápidos que los asíncronos, pero más complejos, además los asíncronos presentan el problema de adquirir transitoriamente estados indeseados. No es obligatorio que los contadores agoten todas las posibles combinaciones. El contaje no tiene porque realizase de forma ordenada. Existen contadores crecientes y decrecientes. Existen también contadores programables en los que mediante entradas paralelas puedo cargar la cifra inicial pudiendo ser a su vez esta carga síncrona o asíncrona. 4

5 Contadores Asíncronos La estructura más simple de un contador es la que se muestra en la figura. Se trata de un contador asíncrono ya que la entrada de reloj de los cuatro biestables no es común: En este caso, al disponer de cuatro biestables, el contador será de módulo 16 ya que disponemos de 16 estados de salida diferentes ( ) La entrada del contador es la entrada de reloj del primer biestable A, su salida (QA) se conecta a la entrada de reloj del siguiente biestable y así sucesivamente. Como las entradas JK de todos los biestables están conectadas a 1, éstos cambiarán de estado en los flancos de bajada de la entrada de reloj de cada uno de ellos. 5

6 Contadores Asíncronos 6

7 Contadores Asíncronos El principal inconveniente de los contadores asíncronos es su relativa lentitud debido principalmente a que los biestables conmutan de forma secuencial, y por lo tanto van sumando sus tiempos de propagación. Esto limita la frecuencia máxima de reloj que es capaz de funcionar correctamente en el contador: 1 f = N*Tp Si además se desea tener un intervalo T1 para leer el estado del contador: 1 f = (N*Tp) + T1 7

8 Contadores Asíncronos No sólo existen contadores que cuenten un número de impulsos que sea potencia de 2; sino que podemos contar un número cualquiera de impulsos haciendo que el contador pase por el número de estados que se desee. Existen diversos métodos para realizar un contador asíncrono de módulo N siendo N un número cualquiera, estos métodos dependen del tipo de biestable a usar y de la forma de eliminar los estados que no voy a usar. Un procedimiento muy utilizado es el siguiente: Se basa en utilizar biestables de tipo T, que puedo conseguir a partir de biestables JK uniendo sus entradas y colocándolas a un uno fijo. Para que el biestable tenga N estados es necesario conectar en cascada un nº X de biestables que cumpla: 2 X-1 <=N<=2 X Cuando el contador adquiera el estado N 1, en el siguiente nivel alto de reloj se obliga a que todas las salidas que estén a nivel bajo se pongan a nivel alto usando por ejemplo las entradas asíncronas de SET de los biestables que estoy utilizando. De esta forma el contador pasa del estado N 1 al 2 N colocando todas las salidas a 1, y al llegar el impulso de reloj N, pasamos al estado inicial

9 Contadores Asíncronos Como se puede ver estamos introduciendo un estado mas que sería indeseable, y también deberíamos de tener en cuenta que los tiempos de propagación introducen más estados indeseables, pero este tipo de problemas siempre los tendremos en los contadores asíncronos. 9

10 Contadores Síncronos Como hemos visto anteriormente, una de las limitaciones de los contadores asíncronos era que debíamos esperar como mínimo el tiempo de retardo del caso peor para obtener una salida fiable, esto limitaba la frecuencia máxima de dichos contadores. Para trabajar a frecuencias superiores, aplicaremos los impulsos a contar simultáneamente en las entradas de reloj de todos los biestables, y en las entradas síncronas se aplicarán las señales adecuadas para que el contador pase por los estados deseados. El método de diseño de los contadores síncronos consiste en realizar una tabla de verdad cuyas entradas sean los estados por los que se desea que pase el contador, y cuyas salidas sean los estados lógicos que debemos de aplicar a las entradas síncronas para obtener los estados lógicos deseados. La situación que se presenta en cada biestable es que conocemos cual es su estado actual, y sabemos a cual debe de ir al aplicar la señal de reloj, con ello, nuestro objetivo será saber cuales deben ser las señales aplicadas a las entradas síncronas para lograr dicha transición. 10

11 Contadores Síncronos Recordemos las tablas de verdad de las básculas SR, JK y D Para el Diseño del contador síncrono, realizaremos la tabla de verdad, comenzando por el Estado Actual, a partir del cual rellenaremos el estado siguiente. Una vez obtenidas estas dos columnas, rellenaremos las correspondientes a las entradas síncronas de las básculas elegidas. En nuestro ejemplo utilizaremos cuatro básculas JK. 11

12 Contadores Síncronos Y a continuación obtenemos las funciones correspondientes a cada una de las entradas de los biestables. 12

13 Contadores Síncronos 13

14 Contadores Síncronos La frecuencia máxima de este contador asíncrono viene determinada por la mínima separación entre impulsos a contar. Tras un flanco de bajada de un impulso de entrada, habrá un tiempo mínimo de espera limitado por el tiempo de propagación de los flip-flops y el tiempo de propagación de las puerta lógica AND, pero debemos observar que se trata de un tiempo fijo y no es función del número de biestables como ocurría en los asíncronos, pero si del número de puertas AND. T = t + (n - 2)t n = numero de biestables min p p biestable puerta 14

15 Contadores Síncronos 15

16 Contadores Síncronos 16

17 Contadores Síncronos En los contadores de módulo diferente a 2 N como el que nos ocupa, hay un número de estados que no se usa, si por cualquier motivo, por ejemplo ruidos eléctricos el contador adquiere uno de esos estados, al aplicarle el siguiente o siguientes impulsos de reloj, el contador podría adquirir uno de los estados utilizados, pero también podría ocurrir que no alcanzara nunca uno de dichos estados utilizados, en ese caso el contador se quedará bloqueado (Lock-Out) y sería inservible. En cualquier caso, a la hora de diseñar el contador, es necesario comprobar cada estado no utilizado para determinar si pasa a una condición de bloqueo. Para asegurar que no se producen dichos bloqueos, habrá que asignar unos valores a las entradas síncronas en los estados no utilizados, para que al aplicar el siguiente pulso de reloj, pase a un estado utilizado, en este caso se dice que el contador tiene autocontrol para no bloquearse. Los contadores pueden ser ascendentes, descendentes o ambos a la vez controlando el modo mediante una señal llamada por ejemplo UP/DOWN, u otras veces, dispondremos de dos entradas, y dependiendo de en cual de ellas aplico los impulsos, el contador será ascendente o descendente, las tablas de verdad serían igual pero añadiendo otra variable (up/down) 17