contadores sincronos y asíncronos
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08/11/2011
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PUNTO 1:FLIP-FLOPS
Prof. Luis Zurita
Circuitos Digitales II
Introducción a los Sistemas Secuenciales
• Durante esta unidad, se estudiarán los sistemassecuenciales o de lógica secuencial. En este caso, setoma información de la salida para retroalimentar aparte de las señales de entradas.
• Si la información de entrada cambia, las salidaspueden o no cambiar.
CircuitoSecuencial
n entradas m salidas
Retroalimentación
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LATCH
• Dispositivos de almacenamiento temporal de dos estados(Biestable)
• Permanecen en cualquiera de sus dos estados por larealimentación que simplemente es conectar cada salidaa la entrada opuesta.
• Los primeros latch’s fueron los SR.
LATCH SR ACTIVADO POR NIVEL ALTO
S R Q Q (NEGADO)
0 0 NC NC
1 0 1 0
0 1 0 1
1 1 0 0 (No válido)
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LATCH SR ACTIVADO POR NIVEL BAJO
S R Q Q (NEGADO)
1 1 NC NC
0 1 1 0
1 0 0 1
0 0 1 1 (No válido)
SÍMBOLOS DE LATCH
S Q
R Q
S Q
R Q
ACTIVO POR NIVEL ALTO ACTIVO POR NIVEL BAJO
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LATCH COMO ELIMINA REBOTES
SR CON ENTRADA DE HABILITACIÓN
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LATCH TIPO D (DATA)
• Sólo dispone de una entrada (Data)
• No elimina la condición no válida, pero la evita.
DISPARADO POR FLANCO
R11k
1 2
U1:A
74LS04
1
23
U2:A
74LS00
3 4
U1:B
74LS04
A
B
C
D
SÍMBOLO
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DISPARADO POR FLANCOS
Flanco invertido
Entrada no invertida
Entrada invertida
Flanco detectado
SÍMBOLOS DE FF
S Q
E
R Q
SR ACTIVO POR NIVEL ALTO SR ACTIVO POR NIVEL BAJO
S Q
E
R Q
S Q
CLK
R Q
SR POR FLANCO DE SUBIDA SR POR FLANCO DE BAJADA
S Q
CLK
R Q
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SÍMBOLOS DE FFD POR FLANCO DE SUBIDA D POR FLANCO DE BAJADA
J Q
CLK
K Q
JK POR FLANCO DE SUBIDA JK POR FLANCO DE BAJADA
J Q
CLK
K Q
D Q
CLK
Q
D Q
CLK
Q
FLIP FLOP JK
• Los Flip Flop’s JK son muy versátiles y muy utilizados.
• Los JK no tienen condiciones no válidas.
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FUNCIONAMIENTO JK (J)
FUNCIONAMIENTO JK (K)
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FUNCIONAMIENTO JK (BASCULACIÓN)
TABLA DE LA VERDAD DE FF JK
J K CLK Q Q (Negado)
x x 0 NC NC
0 0 O NC NC
1 0 O 1 0
0 1 O 0 1
1 1 O BASCULACIÓN (TOGGLE)
Basculación o modo T (Toggle), intercambiará el valorpresente en Q y Q negado, cada vez que se detecteuna transición ascendente o descendente del reloj,según sea su detección de flanco.
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ENTRADAS ASÍNCRONAS DEINICIALIZACIÓN Y BORRADO
• Las entradas asíncronas de inicialización y borradopermiten en cualquier momento poner a 1 o a 0 a lasalida Q.
J Q
CLK
K Q
PRESET
CLEAR
ALGUNAS CARACTERÍSTICAS DE LOS FF
Investigar:
1) Retardo de propagación
2) Tiempo de establecimiento
3) Tiempo de mantenimiento
4) Frecuencia máxima
5) Potencia disipada
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EL 555
• Dispositivo ampliamente utilizado por su versatilidad,al poder funcionar como multivibrador monoestabley aestable, así como proporcionar señales de relojpara los sistemas digitales con un rango de voltajeque oscila entre los 5 V hasta los 12V.
R4
DC7
Q3
GN
D1
VC
C8
TR2
TH6
CV5
NE555
Leyenda:1)Tierra (GND)2) Disparo (Trigger)3) Salida (Out)4) Reinicio (Reset)5) Control de Voltaje (ControlVoltage)6)Umbral (Threshold)7)Descarga (Discharge)8)Alimentación (Vcc)
555 COMO AESTABLE
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PUNTO 2:CONTADORES ASÍNCRONOS
Prof. Luis Zurita
CONTADORES ASÍNCRONOS
• Los contadores son circuitos electrónicos que sirvenpara realizar o llevar conteos en binario y mediantecircuitos MSI, en decimal.
• Los contadores son producto del arreglo de variosFlip-Flops interconectados.
• El número de Flip-Flops que se utilizan y la forma enque se conectan determinan el número de estados otambién son llamados módulos.
• Según sea la señal de reloj aplicada a los FF. Seclasifican en asíncronos y síncronos.
• En este tema estudiaremos los contadoresasíncronos o contadores con propagación (ripplecounters)
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FUNCIONAMIENTO DE LOS CONTADORESASÍNCRONOS
• Asíncrono: sucesos que no poseen una relacióntemporal fija o constante y que generalmente noocurren al mismo tiempo.
• En los contadores asíncronos los FF no reciben laseñal de reloj al mismo tiempo.
• A continuación describiremos las principales partesde un contador asíncrono de dos bits.
CONTADOR ASÍNCRONO DE 2 BITS
J14
Q12
CLK1
K3
Q13
R2
U1:A74LS73
J7
Q9
CLK5
K10
Q8
R6
U1:B74LS73
U1:A(CLK)
Reloj conectadoúnicamente al primer FF
FF trabajando en modo T,conectados a Vcc (5VDC)
Conexión en cascada. La señal de reloj esproporcionada por la salida del FF anterior
FF que da el bit menossignificativo (LSB)
FF que da el bit mássignificativo (MSB)
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CONTADOR ASÍNCRONO DE 2 BITS
CLK
Q0
Q1
Explicación: La señal de reloj aplicada al FF0 produce cambiosen la salida Q0 de manera basculante (Al estar en modo T oToggle), en cada transición descendente. La señal Q0 es la que leda el pulso de reloj al FF1.Q1 va a alternar su valor de salida (también en modo T), porcada flanco descendente de Q0.
• El contador de 2 bits, se dice que tendrá 2N estados,donde N es el número de Flip-Flops que tiene elcontador. Por tanto 22= 4 estados.
CLK Q1 Q0
0 0 0
1 0 1
2 1 0
3 1 1
4 Reinicia la cuentaó empieza nuevo
ciclo
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CONTADOR ASÍNCRONO DE 3 BITS
• El funcionamiento del contador binario de 3 bits es elmismo que el contador asíncrono de 2 bits, descritoanteriormente. La diferencia es que está constituidopor 3 FF.
• El contador de 3 bits, se dice que tendrá 23 estados,por tanto 23= 8 estados.
J14
Q12
CLK1
K3
Q13
R2
U1:A74LS73
J7
Q9
CLK5
K10
Q8
R6
U1:B74LS73
J14
Q12
CLK1
K3
Q13
R2
U2:A74LS73
VCC VCC VCC
U1:A(CLK)
VCC
CLK Q2 Q1 Q0
0 0 0 0
1 0 0 1
2 0 1 0
3 0 1 1
4 1 0 0
5 1 0 1
6 1 1 0
7 1 1 1
8 Reinicia la cuenta óempieza nuevo ciclo
TABLA DE ESTADOS SEÑAL DE SALIDA DELCONTADOR DE 3 BITS
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RETARDO DE PROPAGACIÓN
• Los contadores asíncronos, como se dijo al inicio deeste tema, son llamados contadores conpropagación, debido a que el pulso de reloj queingresa al primer FF no llega inmediatamente alsegundo FF. Esto mismo aplica para el pulso que llegaal tercer FF proveniente del segundo FF.
• Cuando hablamos de que no llega inmediatamente elpulso aplicado en la entrada hacia la salida, esto esdebido al retardo de propagación, que recorre elinterior del FF hasta llegar a la salida.
RETARDO DE PROPAGACIÓN
TPLHQ0
TPLHQ1
TPLHQ2
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CONTADOR DE DÉCADAS ASÍNCRONO
• El módulo de un contador es el número deestados que se cuentan sin repetirse. Comovimos en el contador de 2 bits, el módulo es 4,por contar 4 estados. En el contador de 3 bits, elmódulo es 8 por contar 8 estados.
• En el caso de tener un contador de 4 bits, elmódulo sería de 16.
• Pero, ¿Cómo podemos hacer un contador de 10estados o módulo 10?
• R= Truncando la secuencia natural de uncontador de módulo 16.
CONTADOR DE DÉCADAS ASÍNCRONO
• Para truncar secuencias, la solución la proporciona eluso de las compuertas AND y NAND.
• Generalmente se utiliza la compuerta NAND.
• Recordemos su tabla de la verdad (2 entradas):
A B Q
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Notemos que estas compuertasproporcionan una única salidacuando ambas entradas están anivel alto. Propiedad valiosa paraproporcionar un oportuno RESETpresente en los FF
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CONTADOR DE DÉCADAS ASÍNCRONO
• La norma para truncar una secuencia esdecodificar el estado siguiente en el que se deseaproporcionar un RESET o reiniciar la cuenta en 0.
• Bajo esta sencilla norma, si queremos contarhasta diez (0 a 9), se debe decodificar el estadosiguiente (10) y mediante una compuerta NANDconectar su salida hacia los pines de RESET detodos los FF.
• Veamos el siguiente circuito:
CONTADOR DE DÉCADAS ASÍNCRONO
Obsérvese que se ha decodificado elestado 10, produciéndose un RESET atodos los FF: Q3 Q2 Q1 Q0
1 0 1 0
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CIRCUITO INTEGRADO 74LS93
CIRCUITO INTEGRADO 74LS93
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GUÍA DE EJERCICIOS
• Realice un contador (asíncrono y luego síncrono) demódulo: 9, 10, 5, 6 y 7, con FF JK. Visualice losresultados en números decimales.
• Realice un contador en cascada (JK), cuya unidad,cuente del 0 al 9 y la decena, del 0 al 5. Visualice losdatos en decimal.
• Realice el mismo diseño anterior, utilizando el CI7493.
• Diseñe un divisor de frecuencia de 1MHz de entradaen 500 kHz y 250 KHz. Diseño libre.
GUÍA DE EJERCICIOS
• Se tiene un registro de 5 bits, proveniente de uncontador de 5 bits (asíncrono). Dicho registro secompara con el valor de un set point (registro fijo),cuyo valor es de 25. Cuando el registro del contadorsea igual al set point, debe reiniciar su cuenta.
• Se tiene un sistema empaquetador de botellas, cuyacaja se llena con 24 botellas. Alcanzado este número,la caja se desplaza, permitiendo colocar una cajavacía. (Motor correa caja= 1 (0n) 0 (Off). Diseñolibre.
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PUNTO 3:CONTADORES SÍNCRONOS
Prof. Luis Zurita
CONTADORES SÍNCRONOS
• Los mismos conceptos iniciales del tema 2sobre contadores asíncronos tienen validez paraeste tema (Módulo, secuencias truncadas,divisores de frecuencia, estados, etc.).
• Según sea la señal de reloj aplicada a los FF.Se clasifican en asíncronos y síncronos.
• En este tema estudiaremos los contadoressíncronos.
• Síncrono: sucesos que poseen una relacióntemporal fija o constante entre sí.
• En los contadores síncronos los FF reciben laseñal de reloj al mismo tiempo.
• A continuación describiremos las principalespartes de un contador síncrono de dos bits.
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VCC
RELOJ
J4
Q7
CLK5
K1
Q6
S2
R3
74111
J4
Q7
CLK5
K1
Q6
S2
R3
74111
CONTADOR SÍNCRONO DE 2 BITS
Reloj conectado a todoslos FF del sistema
Primer FF trabajando enmodo T, conectados a Vcc(5VDC)
Conexión en cascada. El dato deentrada del FF depende de la salidadel FF anterior
FF que da el bitmenos significativo(LSB)
FF que da el bitmás significativo(MSB)
FUNCIONAMIENTO DE LOSCONTADORES SÍNCRONOS
• En los contadores asíncronos, para cambiar elvalor del siguiente FF se dependía del FFanterior que daba el pulso del reloj.
• En los contadores síncronos, se siguedependiendo del FF anterior, pero ahora paraproporcionar el valor de las entradas J y Q.
• Se recuerda que el reloj llega al mismo tiempo atodos los FF.¿Ahora, si todos los FF reciben el flanco de
reloj al mismo tiempo, que impide de quecambien al mismo tiempo?
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FUNCIONAMIENTO DE LOSCONTADORES SÍNCRONOS
• La respuesta anterior, es la causa de que loscontadores asíncronos tengan un uso limitado.El retardo.
• Cabe destacar que los contadores síncronoseliminan el problema del retardo acumulado quelimitaba la frecuencia de funcionamiento en losasíncronos.
• Pero: ¿Cómo funciona ese retardo?
En la siguiente lámina, se maximizará el efectodel retardo para entender su explicación:
FUNCIONAMIENTO DE LOSCONTADORES SÍNCRONOS
Estado 1
Reloj
Q0
Q1
Retardo depropagacióna través deFF0
En este estado 1, el FF0cambia de estado, pero elretardo de propagación quesufre el pulso desde laentrada hasta la salida, nopermite que el FF siguientetenga un estado alto (1lógico) en sus entradas,cuando pasa el pulso dereloj, por lo que nocambiará su valor de salida.
0
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FUNCIONAMIENTO DE LOSCONTADORES SÍNCRONOS
Estado 2
Reloj
Q0
Q1Retardo depropagacióna través deFF0 y FF1
En este estado 2, el FF0cambia de estado. Elretardo de propagación quesufre el pulso desde laentrada hasta la salida,permite que el FF siguientetenga un estado alto (1lógico) en sus entradas,cuando pasa el pulso dereloj, por lo que cambiarásu valor de salida.
FUNCIONAMIENTO DE LOSCONTADORES SÍNCRONOS
Estado 3
Reloj
Q0
Q1Retardo depropagacióna través deFF0 y FF1
En este estado 3, el FF0cambia de estado, pero elretardo de propagación quesufre el pulso desde laentrada hasta la salida, nopermite que el FF siguientetenga un estado alto (1lógico) en sus entradas,cuando pasa el pulso dereloj, por lo que nocambiará su valor de salida.
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FUNCIONAMIENTO DE LOSCONTADORES SÍNCRONOS
Estado 4
Reloj
Q0
Q1Retardo depropagacióna través deFF0 y FF1
En este estado 4, el FF0cambia de estado. Elretardo de propagación quesufre el pulso desde laentrada hasta la salida,permite que el FF siguientetenga un estado alto (1lógico) en sus entradas,cuando pasa el pulso dereloj, por lo que cambiarásu valor de salida.
CONTADOR SÍNCRONO DE 2 BITS
CLK
Q0
Q1
La señal continua es la señal teórica de los FF. La señalpunteada es la señal real de los FF, los cuales presentanun retardo mínimo que permite su funcionamiento comocontadores síncronos. En esta gráfica se pueden apreciarlos cuatro estados descritos en las láminas anteriores.
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• El contador de 2 bits, se dice que tendrá 2N
estados, donde N es el número de Flip-Flopsque tiene el contador. Por tanto 22= 4 estados.
CLK Q1 Q0
0 0 0
1 0 1
2 1 0
3 1 1
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ciclo
CONTADOR SÍNCRONO DE 3 BITS
• El funcionamiento del contador binario de 3 bits es elmismo que el contador síncrono de 2 bits, descritoanteriormente. La diferencia es que está constituido por3 FF y que además el dato de entrada depende del FF0y del FF1. (J1K1=Q0Q1)
• El contador de 3 bits, se dice que tendrá 23 estados, portanto 23= 8 estados.
VCC
RELOJ
J4
Q7
CLK5
K1
Q6
S2
R3
74111
J4
Q7
CLK5
K1
Q6
S2
R3
74111
J12
Q9
CLK11
K15
Q10
S14
R13
74111
1
23
74LS08
Q0Q1
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CLK Q2 Q1 Q0
0 0 0 0
1 0 0 1
2 0 1 0
3 0 1 1
4 1 0 0
5 1 0 1
6 1 1 0
7 1 1 1
8 Reinicia la cuenta óempieza nuevo ciclo
TABLA DE ESTADOS SEÑAL DE SALIDA DELCONTADOR DE 3 BITS
CLK
Q0
Q1
Q2
CONTADOR SÍNCRONO DE 4 BITS
• Para fines didácticos, a continuación semostrará un contador de 4 bits. Elfuncionamiento es el mismo del anterior de 3bits, sin embargo observen la dependencia delos datos de entrada:
VCC
RELOJ
J4
Q7
CLK5
K1
Q6
S2
R3
74111
J4
Q7
CLK5
K1
Q6
S2
R3
74111
J12
Q9
CLK11
K15
Q10
S14
R13
74111
1
23
74LS08
Q0Q1
J12
Q9
CLK11
K15
Q10
S14
R13
74111
4
56
U4:B
74LS08
Q0Q1Q2
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INVESTIGACIÓN
• En la actualidad se trabajan con circuitos
integrados de contadores, los ejercicios que se
realizarán para el proyecto a evaluarse, DEBEN
ser realizados con alguno de los siguientes
modelos:
• 74160, 74163, 74190, 74193.
• Esta norma es motivada a que son los circuitos
que se consiguen con mayor facilidad en el
mercado.
INVESTIGACIÓN
• El estudiante debe investigar su funcionamiento,y con especial atención a las funciones querealizan las siguientes entradas:
• MR, CEP(EP), CET(ET), CP, PE, TC (74160)
• CLR, LOAD, ENT, ENP, RCO (74163)
• CTEN, D/U, MAX/MIN (74190)
• CLEAR, LOAD, BORROW, CARRY, COUNT UP,COUNT DOWM (74193)
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GUÍA DE EJERCICIOS
1. Realice un contador de personas para elcomedor del IUT Cumaná, desde 000 hasta200 y reinicie la cuenta. Utilice cualquiera delos siguientes CI: 74160, 74163, 74193 u otrocontador síncrono de su preferencia.
2. Se tiene un sistema empaquetador de botellas,cuya caja se llena con 36 botellas. Alcanzadoeste número, la caja se desplaza, permitiendocolocar una caja vacía. (Motor correa caja= 1(0n) 0 (Off). Diseño Libre. La duración deldesplazamiento es 2 segundos.
GUÍA DE EJERCICIOS
3. Se tiene un estacionamiento cuya capacidad esde 120 vehículos. Se tiene un sensor deentrada y uno de salida, que permiten subir obajar el número de vehículos. Si se llega a lacapacidad máxima, se debe mantener unabarrera activada, impidiendo el paso devehículos y activar un led indicando que elestacionamiento está lleno. (Barrera= 1(desactivada) 0 (activada). Diseño libre.
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GUÍA DE EJERCICIOS
4. Realice un registrador de visitas (Datalogger)en un centro comercial, para otorgarle unpremio cuando ingrese el visitante número 700,mediante una señal sonora (sirena). Diseñolibre.
5. Observe el funcionamiento del video delcontador que se encuentra en nuestro blog,diseñe y simule su funcionamiento.
6. Diseñe un contador de personas para el centrode copiado del IUT Cumaná, el conteo vadesde 00 hasta 100. Dispone de un botón deincremento y uno de decremento. Diseñolibre.