CIRCUITOS SECUENCIALES

Transcripción

1 LABORATORIO # 7 Realización: CIRCUITOS SECUENCIALES 1. OBJETIVOS Diseñar e implementar circuitos utilizando circuitos multivibradores. Comprender los circuitos el funcionamiento de los circuitos secuenciales. Conocer los flip flop RS, JK y D. Utilizar flip flops para el diseño de circuitos digitales secuenciales. 2.- PARTE TEÓRICA INTRODUCCIÓN Un circuito combinacional es aquel sistema lógico cuya salida depende en todo momento de los valores binarios que adopten las variables de entrada. Un circuito secuencial es aquel cuya salida, es cualquier momento, depende no solo de la entrada al circuito en ese instante determinado, sino también de la evolución(historia) que haya experimentado anteriormente; es decir, de la secuencia de entradas a que estuvo sometido. CIRCUITOS SECUENCIALES Un circuito cuya salida depende no solo de la combinación de entrada, sino también de la historia de las entradas anteriores se denomina Circuito Secuencial. La historia de las entradas anteriores en un momento dado se encuentra resumida en el estado del circuito, el cual se expresa en un conjunto de variables de estado. El circuito secuencial debe ser capaz de mantener su estado durante algún tiempo, para ello se hace necesario el uso de dispositivos de memoria. Los dispositivos de memoria utilizados en circuitos secuenciales pueden ser tan sencillos como un simple retardador (inclusive, se puede usar el retardo natural asociado a las compuertas lógicas) o tan complejos como un circuito completo de memoria denominado multivibrador biestable o Flip Flop. Como puede verse entonces, en los circuitos secuenciales entra un factor que no se había considerado en los combinacionales, dicho factor es el tiempo. De hecho, los circuitos secuenciales se clasifican de acuerdo a la manera como manejan el tiempo en circuitos secuenciales síncronos y circuitos secuenciales asíncronos. En un circuito secuencial asíncrono, los cambios de estado ocurren al ritmo natural marcado por los retardos asociados a las compuertas lógicas utilizadas en su implementación, es decir, estos circuitos no usan elementos especiales de memoria, pues se sirven de los retardos propios (tiempos de propagación) de las compuertas lógicas usados en ellos. Esta manera de operar puede ocasionar algunos problemas de funcionamiento, ya que estos retardos naturales no están bajo el control del diseñador y además no son idénticos en cada compuerta lógica. Los circuitos secuenciales síncronos, sólo permiten un cambio de estado en los intantes marcados por una señal de sincronismo de tipo oscilatorio denominada reloj. Con ésto se 1

2 pueden evitar los problemas que tienen los circuitos asíncronos originados por cambios de estado no uniformes en todo el circuito. Un circuito secuencial puede entenderse simplemente como un circuito combinacional en el cual las salidas dependen tanto de las entradas como de las salidas en instantes anteriores, esto implica una retroalimentación de las salidas como se muestra en diagrama de la siguiente figura. Entradas CIRCUITO COMBINACIONAL Salidas Latch Un latch es un circuito electrónico usado para almacenar información en sistemas lógicos asíncronos. Estos circuitos tiene dos estados estables (biestable) y es normalmente clasificado en una categoría separada de los flip-flops. Los latches son similares a los flip-flops por que ambos son circuitos biestables. La diferencia principal entre los latches y flip-flops es en el método empleado para cambiar el estado de su salida. Los lathes son circuitos asíncronos y los flip-flops circuitos síncronos. Latch S-R S R Q(t+1) Observación 0 0? Indeterminado Q(t) Sin cambio Flip-flop Los flip-flops son circuitos biestables síncronos, también son conocidos como multivibradores biestables. En estos circuitos el termino síncronos significa que el estado de la salida cambia en un instante especifico de la señal de entrada denominada reloj (CLK), por lo tanto los cambios en la salida ocurren en sincronización con el reloj. 2

3 En los flip-flops su salida se realimenta a una de sus entradas, de modo que su estado siguiente depende del estado actual de sus entradas y el estado de las salidas. Así, al analizar un flip-flop, tomamos en cuenta sus entradas y su salida actual, o el estado (generalmente etiquetado Q(t)), para determinar su estado siguiente (etiquetado generalmente Q(t+1)). Clases de flip-flop Estudiaremos tres tipos de flip-flop: Flip-flop del SR, flip-flop de D, y flip-flop de JK. Se definen como sigue: Flip-flop SR Entradas Salida S R CLK Q(t+1) Observaciones 0 0 Q(t) Sin cambio ? Indeterminado Detector de transición de pulso 3

4 Flip-flop de D Entradas Salida D CLK Q(t+1) Observaciones 0 0 RESET 1 1 SET Flip-flop de JK Entradas Salida J K CLK Q(t+1) Observaciones 0 0 Q(t) Sin cambio Complementar Reloj En la señal de reloj podemos distinguir las siguientes características ALTA Flanco ascendente Flanco descendente + 5V BAJA Flip-flops activo con flanco de subida GND 4

5 Flip-flops activo con flanco de bajada Temporizador LM555 El temporizador 555 fue introducido en el mercado en el año 1972 por Signetics con el nombre: SE555/NE555 y fue llamado "The IC Time Machine" (El Circuito Integrado Máquina del Tiempo). La figura muestra un diagrama a bloques del mismo. Astable con 555 5

6 La figura muestra la configuración de un oscilador con NE555. La base del funcionamiento del circuito está en el capacitor C. El capacitor se carga a través de R1 y R2. A su vez, el mismo capacitor se descarga a través de R2 y del transistor T. Cuando el capacitor sube su voltaje a 0 < Vc< Vcc/3. El comparador C2 genera un 1 lógico en su salida en tanto que el comparador C1 genera un 0 lógico en su salida. Así el FF-SR pasará al estado set generando un voltaje Vcc en su salida Q. La salida Q generará en consecuencia 0[V] manteniendo al transistor en estado de apagado. Cuando el capacitor sube su voltaje a Vcc/3 <Vc < 2Vcc/3. El comparador c2 genera un 0 lógico en su salida en tanto que el comparador c1 genera un 0 lógico en su salida. Así el FF-SR pasará al estado memoria generando un voltaje Vcc en su salida Q. La salida Q generará en consecuencia 0V manteniendo al transistor en estado de apagado. Cuando el capacitor sube su voltaje a Vcc 2Vcc/3. El comparador c2 genera un 0 lógico en su salida en tanto que el comparador c1 genera un 1 lógico en su salida. Así el FF-SR pasará al estado reset generando un voltaje 0[V] en su salida Q. La salida Q generará en consecuencia Vcc encendiendo y saturando al transistor. A consecuencia, el capacitor C se descargará a través de R2 y del transistor T. Cuando el capacitor baja su voltaje a Vcc/3<Vc <2Vcc/3. El comparador c2 genera un 0 lógico en su salida en tanto que el comparador c1 genera un 0 lógico en su salida. Así el FF-SR pasará al estado memoria generando un voltaje 0[V] en su salida Q. La salida Q generará en consecuencia Vcc manteniendo al transistor en estado de saturación. Así que el capacitor continúa descargándose. Cuando el capacitor baja su voltaje a 0 < Vc < Vcc/3. El comparador c2 genera un 1 lógico en su salida en tanto que el comparador c1 genera un 0 lógico en su salida. Así el FF-SR pasará al estado set generando un voltaje Vcc en su salida Q La salida Q generará en consecuencia 0[V] manteniendo al transistor en estado de apagado. De esta forma el capacitor vuelve a cargarse: el ciclo se repite. Gráficas del astable La figura 4 ilustra las curvas de carga y descarga del capacitor C así como la salida Q del FF- SR. La frecuencia de oscilación puede calcularse con la ecuación: 6

7 Monoestable con el LM555 El temporizador 555 puede también emplearse como un circuito multivibrador monoestable. La siguiente figura muestra el 555 como multivibrador monoestable. 555 como multivibrador monoestable Cuando la señal de entrada de disparo se hace negativa, dispara el monoestable con la salida en la terminal 3 haciéndose esta alta durante un periodo T alto 11. R C El extremo negativo de la entrada de disparo causa que el comparador 2 dispare el flip-flop colocando la salida de la terminal 3 en alto. El capacitor C se carga hasta V cc a través del resistor R A. Durante el intervalo de carga, la salida permanece alta. Cuando el voltaje en el capacitor alcanza el nivel de umbral de 2 / 3 V cc, el comparador 1 dispara el flip-flop colocando la salida en bajo. El transistor de carga también va a conducción, ocasionando que el capacitor permanezca en la vecindad de 0 V hasta un nuevo disparo. A 7

8 La figura 4 muestra la señal de disparo en la entrada y la forma de onda de salida resultante para el CI temporizador 555 operado como un monoestable. Los periodos para este circuito pueden variar de microsegundos a varios segundos. Haciendo útil este CI en una amplia gama de aplicaciones. Señal de disparo La entrada dispara al temporizador en el filo negativo T alto Salida Formas de onda de la señal de disparo y la salida del multivibrador monoestable 8

9 3.- PRE INFORME 1. Busque las hojas de datos de los componentes que utilizara en este laboratorio. 2. Investigue el funcionamiento del temporizador (timer) 555 y mencione para qué se utiliza. 3. Qué son los modelos de circuitos Secuenciales? 4. Qué son los Dispositivos de memoria? 5. De la definición de Latches? 6. Defina termino Flip-Flops? 7. Analice el circuito de la figura 4.1, y grafique las formas de onda, y calcule la frecuencia de la señal de salida en el pin 3. (*)8. Analice el circuito de la figura 4.2, y grafique las formas de onda V out, y calcule la frecuencia de la señal de salida Vo Figura 4.1 Figura 4.2 (*)9.- Analizar el funcionamiento del circuito de la figura 4.2 (*)10. Explique el funcionamiento del contador( figura 4.3) y como se trunca la secuencia? Que papel cumple la puerta NAND? Figura Construir una tabla en la que se muestre la secuencia de las salidas Q0, Q1, Q2 y Q3(figura 4.3) Analice el funcionamiento del circuito de la figura 4.4 9

10 Figura 4.4 (*)13.- Diseñe un circuito para controlar un motor paso a paso unipolar(sugerencia tome como base el circuito de la figura 4.4) (*)14.- Realice el diseño de un frecuencímetro Realice la simulación en el programa PROTEUS de todos los circuitos diseñados. (*) circuitos que se implementaran en laboratorio 4.- LABORATORIO 1.- Implemente los diseños elaborados en el pre informe y planee una adecuada presentación del funcionamiento de los circuitos en el protoboard. 5.- INFORME 1.- Para todos los circuitos implementados en laboratorio realizar los esquemas eléctricos. Y comprare los datos teóricos y prácticos. 6.- BIBLIOGRAFÍA Fundamento de Electrónica Digital Thomas L. Floyd Manual de prácticas de Electrónica Digital Enrique Mandado Pérez, Juan José Rodríguez Andina Sistemas Digitales Ronald J. Tocci Diseño Digital M. Morris Nano 10