Módulo 2.​ Circuitos secuenciales.

Módulo 2.​ Circuitos secuenciales.

Actividades 8 y 9​

Actividad 8.​

CIRCUITOS SECUENCIALES.​

Flip Flops (Latch o cerrojo)

Un dispositivo que tenga la propiedad de mantener dos estados diferentes es de gran utilidad al usarse como elemento de memoria en un sistema binario. Cualquier circuito eléctrico que tenga esta característica cae dentro de la categoría de los dispositivos comúnmente conocidos como flip flops. En la forma más elemental, un flip flop consiste de dos amplificadores inversores acoplados en forma cruzada, esto tan sólo significa que la salida de un amplificador se conecta a la entrada del otro y viceversa.

En la figura se muestra otro ejemplo, un circuito de dos transistores y dos resistencias que demuestran la idea de acoplamiento cruzado.

Obviamente si el transistor Q1 esta primero en conducción (saturado) mediante la aplicación de una señal positiva en su base, su colector estará en un nivel de voltaje VCE(sat) (típicamente entre 0.2 a 0.4v) y puesto que el colector de Q1 se encuentra conectado a la base de Q2, éste no estará conduciendo (en modo corte). El colector de Q2 va elevar su voltaje hasta Vcc, fortaleciendo la señal inicial positiva aplicada a la base de Q1, pudiendo ahora quitarse la señal inicial y el circuito mandará a Q1 a conducción y Q2 en corte indefinidamente.

Una señal positiva aplicada en la base de Q2 hace que éste pase al estado de conducción; repitiendo la secuencia, Q2 en conducción(saturación) y Q1 en corte, dando como resultado un segundo estado estable. En general al flip flop anterior se le puede denominar como amplificador saturado de dos etapas y retroalimentación positiva. Aunque el circuito mostrado posee dos estados estables, es evidente que cualquier señal de salida en cualquiera de los colectores es muy pequeña. Por ejemplo, cuando Q1 se satura, su voltaje en la base puede aumentar sólo hasta un VBE(sat) de 1.0v, y si una salida se toma del colector de Q2, la diferencia de voltaje será aproximadamente de 1.0v – VCE(sat) ó 1.0v – 0.2v a 0.4 v = 0.6v; teniéndose un nivel de señal que en realidad no es usado en la mayoría de los sistemas digitales que emplean la lógica saturada.

En la figura siguiente, se muestra un circuito más funcional, el cual difiere del anterior básicamente en la adición de dos resistencias de base RB y dos entradas de control llamadas set y reset.

Machine learning:

Machine learning:

Este tipo de circuito básico diseñado con transistores cae dentro de la categoría de los flip flops, conocidos también como (cerrojos o latches). En seguida analizaremos algunos flip flops más complejos en los cuales se hará uso de compuertas digitales para analizar el funcionamiento.

Machine learning:

Machine learning:

Flip Flops con compuertas lógicas.

FLIP FLOP TIPO R-S CON COMPUERTAS NOR.

El funcionamiento analizado mediante las simulaciones del Flip Flop RS tipo NOR, lo podemos describir mediante la siguiente tabla de verdad donde se describen los estados lógicos de las entradas SET y RESET y los valores que tendrán Q y QB

FLIP FLOP RS CON COMPUERTAS NAND

FLIP FLOP J-K

FLIP FLOP TIPO D

Flip Flop tipo T (Toggle).

Algunas aplicaciones de los FFs.

Contadores binarios.

Registros de corrimiento (Shift Registers).

Actividad 9. Ejercicios.

Utilice el simulador multisim para realizar los siguientes ejercicios.

Ejercicio. Realice la simulación del FF RS de compuertas NOR, utilizando las compuertas lógicas que provee el simulador multisim. Analice el comportamiento del circuito y anote sus resultados en una tabla de verdad. Para iniciar la simulación, coloque las entradas SET y RESET = 0, como se muestra en la figura e inicie la simulación.

Analicemos con detenimiento las condiciones iniciales del circuito FF RS de compuertas NOR.

Simular el FF-JK y comprobar su funcionamiento.

Dibuje el siguiente circuito correspondiente a un FF JK y compruebe su tabla de verdad.

Simular el FF D y comprobar su funcionamiento.

Dibuje el siguiente circuito correspondiente a un FF D y compruebe su tabla de verdad.

Simular el FF T y comprobar su funcionamiento.

Dibuje el siguiente circuito correspondiente a un FF T y compruebe su tabla de verdad.

Contador binario.

Simular el siguiente contador binario de 2 bits, utilizando 2 FF T y comprobar su funcionamiento.

Otras actividades sugeridas.

Utilice software Proteus de Lab Center Electrónics (Puede bajar una versión demo de su página WEB para experimentar con circuitos de mayor complejidad o algún simulador en línea: Contadores con reset y precarga. Contadore ascendente/descendente. ALUs. Comparadores digitales. Módulos SPI. Codificadores para pantallas. Decodificadores de direcciones. Temporizadores. PWMs. A continuación se presentan algunos ejemplos de aplicación de los circuitos vistos en éste modulo, aplicados el diseño de microcontroladores.

Módulo SPI

La interfaz periférica en serie (SPI) es una especificación de interfaz de comunicación en serie síncrona que se utiliza para la comunicación a corta distancia, principalmente en sistemas integrados. Los dispositivos SPI se comunican en modo full dúplex utilizando una arquitectura maestro-esclavo, generalmente con un solo maestro. Para comenzar la comunicación, el bus maestro configura el reloj, utilizando una frecuencia admitida por el dispositivo esclavo. Luego, el maestro selecciona el dispositivo esclavo con un nivel lógico 0 en la línea de selección. Durante cada ciclo de reloj SPI, se produce una transmisión de datos full-duplex. El maestro envía un bit por la línea MOSI y el esclavo lo lee, mientras que el esclavo envía un bit por la línea MISO y el maestro lo lee. Esta secuencia se mantiene incluso cuando sólo se pretende la transferencia de datos unidireccional.

Ejemplo protocolo SPI utilizando FF D

Temporizador o Timer programable, familia de microcontroladores PIC18 (Esquema simplificado)

Conclusiones.

Con estos ejercicios damos por terminado el módulo 2 de diseño digital. En este módulo, hemos hecho un recorrido desde la estructura de fabricación de los transistores MOS, la tecnología CMOS, la lógica digital y su implementación física mediante interruptores y transistores MOS, para hacer las compuertas NOT o INVERSOR, NAND, NOR, XNOR, AND, OR, XOR y su uso para implementar circuitos digitales diversos, basados en sus tablas de verdad o expresados mediante funciones lógicas, repasando a su vez los conceptos del algebra booleana. Se implementaron circuitos específicos, tanto combinacionales, como secuenciales. Dentro de los combinacionales, se estudiaron los multiplexores, demultiplexores, circuitos aritméticos de suma y resta, ademas de logica en general. Dentro de los secuenciales, se estudiaron diferentes tipos de flip flops y su aplicación en contadores y registros de corrimiento principalmente, dejando las bases listas para adentrarse en circuitos de mayor complejidad.

Queda para cursos más avanzados el uso de software de descripción de hardware HDL, análisis de señales de reloj y sincronización (clocking), planeación de arquitecturas, efectos parasíticos, técnicas de diseño secuencial, solo por mencionar algunos temas, además del uso de circuitos FPGA para su implementación física y depuración, previos a una posible fabricación.

BIBLIOGRAFIA MÓDULO 2.

[1] Acha, S. (2007), Lógica Digital Integrada, Teoría, problemas y simulación, México, Alfaomega. [2] Ciletti, M. D. Advanced Digital Design with the Verilog HDL, Segunda edición, Ed. Prentice Hall. [3] Kang, S. (1996), CMOS Digital Integrated Circuits. Analysis and Design. Mc Graw Hill. [4] Maxinez, D. G. (2002), VHDL: El Arte de Programar Sistemas Digitales, CECSA. [5] Morris, M. (1998), Diseño Digital, México, Prentice Hall. [6] Morris, R & Miller,J. [Ed.]. (1978), Diseño con circuitos integrados TTL, México, C.E.C.S.A. [7] Tocci, R. (2013), Sistemas Digitales Principios y Aplicaciones, México, Prentice Hall. [8] Wakerly, J. (2001), Diseño Digital principios y prácticas, México, Prentice Hall. [9] Weste, N. (1985), Principles of CMOS VLSI Design, A Systems Perspective. Adison Wesley.

Bibliografía Preliminar.

[1] Wakerly, Diseño digital, principios y prácticas., 3ª edición, Prentice Hall, 2001. ISBN: 970-17-0404-5. [2] Weste, N. (1985), Principles of CMOS VLSI Design, A Systems Perspective. Adison Wesley. [3] Tocci, R.J. Sistemas Digitales, principios y aplicaciones, 2ª edición, Prentice Hall. 2013. [4] Víctor P. Nelson, Análisis y diseño de circuitos lógicos digitales., 2ª edición, Prentice Hall, 2000. ISBN: 968-880-706-0. [5] Kang, S. (1996), CMOS Digital Integrated Circuits. Analysis and Design. Mc Graw Hill. [6] Enrique Mandado, Instrumentación electrónica., 3ª edición, Alfaomega marcombo, 2000, ISBN: 970-0150-0. [7] Ciletti, M. D. Advanced Digital Design with the Verilog HDL, Segunda edición, Ed. Prentice Hall. [8] Albert Paul Malvino, Principios de electrónica., 7ª edición, Prentice Hall, 2001, ISBN: 84-481-2568-1. [9] Acha, Castro, Pérez y Roseiras., Electrónica Digital, introducción a la lógica digital, teoría, problemas y simulación., 3ª edición, Alfaomega, 2002, ISBN:99-381-2456-3. [10] Morris, M. (1998), Diseño Digital, México, Prentice Hall. [11] Morris, R & Miller,J. [Ed.]. (1978), Diseño con circuitos integrados TTL, México, C.E.C.S.A. [12] Manuales de datos de TTL y CMOS de Texas Instruments. [13] Manuales de datos TTL y CMOS de Nacional Semiconductors. [14] Maxinez, D. G. (2002), VHDL: El Arte de Programar Sistemas Digitales, CECSA. [15] Páginas de internet: www.icmaster.com, www.intel.com, www.ti.com, www.newark.com, www.digiac.com.mx, .

RECURSOS ADICIONALES

EN LÍNEA, existen algunos programas de acceso libre para trabajar con los MAPAS DE KARNAUGH. Puede acceder a la liga siguiente para usar uno de ellos: http://k-map.sourceforge.net/ Puede acceder también al siguiente TUTORIAL EN LÍNEA para ampliar sus conocimientos sobre los MAPAS DE KARNAUGH: http://www.youtube.com/watch?v=DwdyHY3-nGs ¿Qué es un MOSFET? ¿Cómo funciona? - Bing video Transistor - Wikipedia NMOS Transistors and PMOS Transistors Explained | Built In