LECCIÓN Nº 06 DISEÑO DE CONTADORES SINCRONOS

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1 LECCIÓN Nº 06 DISEÑO DE CONTADORES SINCRONOS 1. DISPOSITIVOS SECUENCIALES Los circuitos biestables son aquellos que poseen dos estados estables que se pueden mantener por tiempo indefinido, lo que nos permite tener almacenado un dato en un dispositivo por el tiempo que se desee. Existen dos tipos de biestables muy importantes: el latch y el flip-flop. Estos circuitos están compuestos por compuertas lógicas y lazos de retroalimentación y son considerados los circuitos básicos que constituyen los sistemas digitales. Estos biestables tienen diferencias bien establecidas y cuyas características permiten al usuario tener un intervalo más amplio para la escogencia de componentes dependiendo de sus necesidades de diseño. El latch es un circuito biestable asíncrono, es decir sus salidas cambian en la medida en que sus entradas cambien. El flip-flop es un dispositivo secuencial sincrónico que toma muestras de sus entradas y determina una salida solo en los tiempos determinados por el reloj (CLK). Además, se pueden tener flip-flops Master-Slave y flip-flops disparados por flanco. Los flip-flops Master-Slave están conformados por dos latches con habilitación en cascada, es decir que la salida de un latch es la entrada del otro, mientras el flip-flop disparado por flanco posee un dispositivo para determinar cuando hay una pendiente, ya sea de subida o de bajada, en el reloj que habilita el flip-flop. En este modulo siempre se tomará el disparo de los flip-flops por pendiente positiva o de subida. Un biestable es un dispositivo de almacenamiento temporal de estados que puede permanecer en cualquiera de sus dos estados gracias a su capacidad de realimentación. Dispositivo capaz de almacenar un bit (H ó L). Principio de funcionamiento de un biestable: Utilizando realimentación entre puertas se puede mantener (almacenar) un valor estable hasta que cambien las condiciones de entrada. Ejemplos: Según el tipo de sincronismo de los biestables, podemos clasificarlos en: Asíncrono (latch) Síncrono por nivel alto o bajo (latch with enable high/low) 83

2 Síncrono por flanco de subida o de bajada (flip-flop positive/negative edge triggered) Según las entradas de datos de que disponen (lógica de disparo o de excitación) podemos establecer varios tipos de biestables: S-R: entradas de puesta a 1 (S, set) y puesta a 0 (R, reset) J-K: entradas de puesta a 1 (J, set) y puesta a 0 (K, reset) D: entrada de datos (D) T: entrada de inversión o basculamiento (toggle) Los biestables síncronos pueden tener entradas asíncronas que se utilizan para forzar un valor determinado en los mismos al margen del reloj. Puesta a 0 asíncrona (clear, reset) Puesta a 1 asíncrona (preset, set) Las entradas asíncronas de un biestable actúan al margen de las síncronas y prevalecen sobre ellas. Son muy útiles para iniciar o reiniciar el sistema con un estado inicial determinado. Las entradas asíncronas pueden ser activas por nivel alto o por nivel bajo. 2. CONTADORES Son circuitos secuenciales diseñados a partir de una combinación de flip-flops; cuentan una secuencia de pulsos definida por la conexión interna de sus elementos, la cual es repetitiva y a la que se denomina ciclo completo del contador. Los contadores se clasifican en dos amplias y bien diferenciadas categorías dependiendo de la manera en que sea aplicada la señal de reloj. Cuando el reloj es aplicado solo al primer flip-flop y la salida de este se conecta al reloj del siguiente flipflop y así sucesivamente por las diferentes etapas, el contador recibe el nombre de contador asíncrono o contador de propagación (ripple counter). Cuando el reloj es aplicado a todos los flip-flops de forma simultánea, el contador recibe el nombre de contador síncrono. En cada una de estas categorías existen otras divisiones que se definen por el tipo de secuencia, el número de estados o el número de flip-flops del contador. 84

3 CONTADOR SINCRONO En los contadores sincrónicos a diferencia de los contadores de propagación o asíncronicos, la señal de reloj se aplica simultáneamente a todos los flip-flops. Estos contadores por lo general tienen más circuitería que los contadores de propagación y están conformados por flip-flops J-K. Para entender el funcionamiento de este tipo de contadores es necesario observar con atención la secuencia para determinar los componentes que se deben agregar (generalmente flip-flops y compuertas). Analicemos el funcionamiento del contador de 3 bits que se muestra en la figura, y cuyos estados se resumen en la tabla 1. Asumamos que inicialmente el contador se encuentra en el estado 000. Note que el estado de la salida Q 0 debe cambiar después de cada transición positiva del reloj (CLK), así que el flip-flop F 0 debe tener sus entradas J y K en 1 lógico para que cumpla esta función, tal como se muestra en la figura. Ahora note que la salida Q 1 cambia a su estado complementario cada vez que Q 0 =1 (ver tabla 1), así que las entradas J y K del flip-flop F1 deben estar contadas a la salida Q 0. De esta forma cada vez que Q 0 =1 y ocurra una transición positiva del reloj el flipflop cambiara de estado tal como se observa en la secuencia. Finalmente nos resta analizar el estado de la salida Q 2, para lo cual se debe observar nuevamente la tabla 1. Note que Q 2 cambia a su estado complementario cada vez que Q 1 y Q 0 son 1, así que la forma de implementarlo en el contador es conectado Q 1 y Q 0 como entradas a una compuerta AND y cuya salida debe ir a las entradas J y K del flip-flop F2. Observe que este flip-flop queda en estado complemento (toggle), cada vez que se presente esta condición y ocurra una transición positiva en el reloj (CLK). En la figura siguiente se ilustra el funcionamiento de un contador de 4 bits ascendente sincronico, el opera de forma similar la contador de tres bits. Observe como los flip-flop 85

4 cambian de estado cada vez que sus entradas J y K son 1 y ocurre una transición positiva en la señal de reloj. Se puede hacer un análisis similar al anterior para entender el funcionamiento de este contador, sin embargo, observe que la secuencia de 3 bits es parte de la secuencia para 4 bits, así que solo basta agregar un flip-flop JK y una compuerta AND que ponga el flip-flop F3 en modo complemento cada vez que Q 2, Q 1 y Q 0 son 1, para lograr que el contador genere finalmente la secuencia de la tabla 2. Contadores ascendentes/descendentes Los contadores ascendentes/descendente (up/down) también llamados contadores bidireccionales; son capaces de avanzar en cualquier sentido a lo largo de una secuencia definida y puede invertir su conteo en cualquier punto de su secuencia. En el diagrama lógico se muestra un contador ascendente/descendente síncrono binario de tres bits diseñado a partir de flip-flops J-K en configuración toggle con disparo por borde de subida. Debido a que posee tres flip-flops, su ciclo básico se compone de ocho estados que van desde cero (000) hasta siete (111) en forma secuencial y repetitiva. 86

5 Contador de Secuencia Truncada Aparte de los contadores binarios que pasan por todos sus posibles estados, en los cuales el número máximo de posibles estados es 2 n, donde n corresponde al número de flip-flops, existe contadores que tengan un número de estados menor al máximo, dando como resultado una secuencia truncada. En el diagrama lógico se muestra un contador de décadas (BCD) ascendente de tres bits diseñado a partir de flip-flops J-K en configuración toggle con disparo por borde de subida. Debido a que posee cuatro flip-flops, su número máximo de estados es doce, pero su secuencia es truncada a los diez primeros estados dando como resultado un ciclo básico que va desde cero (0000) hasta nueve (1001) en forma secuencial y repetitiva. 3. DISEÑO DE CONTADORES SINCRONOS Para realizar un diseño de contador sincrono se tomaran en cuenta los siguientes pasos: 1. Paso de las especificaciones verbales a diagrama de estados. Lo primero que hay que hacer es "traducir" el enunciado a diagrama de estados, es decir, distinguir estado, numerarlos, identificar entradas, determinar salidas, y en definitiva expresar el diagrama de estado de forma gráfica. 2. Construcción de la tabla de estados y de excitación. Se coloca en una tabla la entrada, el estado inicial, el próximo estado y la salida, y se pone la tabla de excitación del biestable que resuelva el problema. 87

6 3. Minimización de las funciones de excitación. Utilizando las técnicas habituales: mapas de Karnaugh, etc Implementación del circuito. Se construye el circuito. Ejemplo 01: Diseñar un contador síncrono de tres bits

7 3. 4. Ejemplo 02: Diseñar un contador síncrono de módulo

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