digital flip flop

08/11/2011

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PUNTO 1:FLIP-FLOPS

Prof. Luis Zurita

Circuitos Digitales II

Introduccin a los Sistemas Secuenciales

Durante esta unidad, se estudiarn los sistemassecuenciales o de lgica secuencial. En este caso, setoma informacin de la salida para retroalimentar aparte de las seales de entradas.

Si la informacin de entrada cambia, las salidaspueden o no cambiar.

CircuitoSecuencial

n entradas m salidas

Retroalimentacin

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LATCH

Dispositivos de almacenamiento temporal de dos estados(Biestable)

Permanecen en cualquiera de sus dos estados por larealimentacin que simplemente es conectar cada salidaa la entrada opuesta.

Los primeros latchs 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 vlido)

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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 vlido)

SMBOLOS 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 HABILITACIN

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LATCH TIPO D (DATA)

Slo dispone de una entrada (Data) No elimina la condicin no vlida, 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

SMBOLO

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DISPARADO POR FLANCOS

Flanco invertido

Entrada no invertida

Entrada invertida

Flanco detectado

SMBOLOS 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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SMBOLOS 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 Flops JK son muy verstiles y muy utilizados. Los JK no tienen condiciones no vlidas.

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FUNCIONAMIENTO JK (J)

FUNCIONAMIENTO JK (K)

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FUNCIONAMIENTO JK (BASCULACIN)

TABLA DE LA VERDAD DE FF JKJ 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 BASCULACIN (TOGGLE)

Basculacin o modo T (Toggle), intercambiar el valorpresente en Q y Q negado, cada vez que se detecteuna transicin ascendente o descendente del reloj,segn sea su deteccin de flanco.

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ENTRADAS ASNCRONAS DEINICIALIZACIN Y BORRADO

Las entradas asncronas de inicializacin y borradopermiten en cualquier momento poner a 1 o a 0 a lasalida Q.

J Q

CLK

K Q

PRESET

CLEAR

ALGUNAS CARACTERSTICAS DE LOS FF

Investigar:

1) Retardo de propagacin

2) Tiempo de establecimiento

3) Tiempo de mantenimiento

4) Frecuencia mxima

5) Potencia disipada

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EL 555 Dispositivo ampliamente utilizado por su versatilidad,

al poder funcionar como multivibrador monoestabley aestable, as como proporcionar seales de relojpara los sistemas digitales con un rango de voltajeque oscila entre los 5 V hasta los 12V.

R4

DC 7

Q 3

GN

D1

VC

C8

TR2 TH 6

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)Alimentacin (Vcc)

555 COMO AESTABLE

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PUNTO 2:CONTADORES ASNCRONOS

Prof. Luis Zurita

CONTADORES ASNCRONOS

Los contadores son circuitos electrnicos que sirvenpara realizar o llevar conteos en binario y mediantecircuitos MSI, en decimal.

Los contadores son producto del arreglo de variosFlip-Flops interconectados.

El nmero de Flip-Flops que se utilizan y la forma enque se conectan determinan el nmero de estados otambin son llamados mdulos.

Segn sea la seal de reloj aplicada a los FF. Seclasifican en asncronos y sncronos.

En este tema estudiaremos los contadoresasncronos o contadores con propagacin (ripplecounters)

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FUNCIONAMIENTO DE LOS CONTADORESASNCRONOS

Asncrono: sucesos que no poseen una relacintemporal fija o constante y que generalmente noocurren al mismo tiempo.

En los contadores asncronos los FF no reciben laseal de reloj al mismo tiempo.

A continuacin describiremos las principales partesde un contador asncrono de dos bits.

CONTADOR ASNCRONO DE 2 BITS

J14 Q 12

CLK1

K3 Q 13R2

U1:A74LS73

J7 Q 9

CLK5

K10 Q 8R6

U1:B74LS73

U1:A(CLK)

Reloj conectadonicamente al primer FF

FF trabajando en modo T,conectados a Vcc (5VDC)

Conexin en cascada. La seal de reloj esproporcionada por la salida del FF anterior

FF que da el bit menossignificativo (LSB)

FF que da el bit mssignificativo (MSB)

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CLK

Q0

Q1

Explicacin: La seal de reloj aplicada al FF0 produce cambiosen la salida Q0 de manera basculante (Al estar en modo T oToggle), en cada transicin descendente. La seal Q0 es la que leda el pulso de reloj al FF1.Q1 va a alternar su valor de salida (tambin en modo T), porcada flanco descendente de Q0.

El contador de 2 bits, se dice que tendr 2N estados,donde N es el nmero 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 cuenta empieza nuevo

ciclo

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El funcionamiento del contador binario de 3 bits es elmismo que el contador asncrono de 2 bits, descritoanteriormente. La diferencia es que est constituidopor 3 FF.

El contador de 3 bits, se dice que tendr 23 estados,por tanto 23= 8 estados.

J14 Q 12

CLK1

K3 Q 13R2

U1:A74LS73

J7 Q 9

CLK5

K10 Q 8R6

U1:B74LS73

J14 Q 12

CLK1

K3 Q 13R2

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 empieza nuevo ciclo

TABLA DE ESTADOS SEAL DE SALIDA DELCONTADOR DE 3 BITS

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RETARDO DE PROPAGACIN

Los contadores asncronos, como se dijo al inicio deeste tema, son llamados contadores conpropagacin, 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 propagacin, que recorre elinterior del FF hasta llegar a la salida.

RETARDO DE PROPAGACIN

TPLHQ0

TPLHQ1

TPLHQ2

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CONTADOR DE DCADAS ASNCRONO

El mdulo de un contador es el nmero deestados que se cuentan sin repetirse. Comovimos en el contador de 2 bits, el mdulo es 4,por contar 4 estados. En el contador de 3 bits, elmdulo es 8 por contar 8 estados.

En el caso de tener un contador de 4 bits, elmdulo sera de 16.

Pero, Cmo podemos hacer un contador de 10estados o mdulo 10?

R= Truncando la secuencia natural de uncontador de mdulo 16.


Para truncar secuencias, la solucin 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 nica salidacuando ambas entradas estn anivel alto. Propiedad valiosa paraproporcionar un oportuno RESETpresente en los FF

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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:


Obsrvese que se ha decodificado elestado 10, producindose 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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GUA DE EJERCICIOS

Realice un contador (asncrono y luego sncrono) demdulo: 9, 10, 5, 6 y 7, con FF JK. Visualice losresultados en nmeros 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 diseo anterior, utilizando el CI7493.

Disee un divisor de frecuencia de 1MHz de entradaen 500 kHz y 250 KHz. Diseo libre.

GUA DE EJERCICIOS

Se tiene un registro de 5 bits, proveniente de uncontador de 5 bits (asncrono). 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 nmero,la caja se desplaza, permitiendo colocar una cajavaca. (Motor correa caja= 1 (0n) 0 (Off). Diseolibre.

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PUNTO 3:CONTADORES SNCRONOS

Prof. Luis Zurita

CONTADORES SNCRONOS

Los mismos conceptos iniciales del tema 2sobre contadores asncronos tienen validez paraeste tema (Mdulo, secuencias truncadas,divisores de frecuencia, estados, etc.).

Segn sea la seal de reloj aplicada a los FF.Se clasifican en asncronos y sncronos.

En este tema estudiaremos los contadoressncronos.

Sncrono: sucesos que poseen una relacintemporal fija o constante entre s.

En los contadores sncronos los FF reciben laseal de reloj al mismo tiempo.

A continuacin describiremos las principalespartes de un contador sncrono de dos bits.

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VCC

RELOJ

J4 Q 7

CLK5

K1 Q 6

S2

R3

74111

J4 Q 7

CLK5

K1 Q 6

S2

R3

74111

CONTADOR SNCRONO DE 2 BITS

Reloj conectado a todoslos FF del sistema

Primer FF trabajando enmodo T, conectados a Vcc(5VDC)

Conexin en cascada. El dato deentrada del FF depende de la salidadel FF anterior

FF que da el bitmenos significativo(LSB)

FF que da el bitms significativo(MSB)

FUNCIONAMIENTO DE LOSCONTADORES SNCRONOS

En los contadores asncronos, para cambiar elvalor del siguiente FF se dependa del FFanterior que daba el pulso del reloj.

En los contadores sncronos, 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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La respuesta anterior, es la causa de que loscontadores asncronos tengan un uso limitado.El retardo.

Cabe destacar que los contadores sncronoseliminan el problema del retardo acumulado quelimitaba la frecuencia de funcionamiento en losasncronos.

Pero: Cmo funciona ese retardo?En la siguiente lmina, se maximizar el efectodel retardo para entender su explicacin:


Estado 1

Reloj

Q0

Q1

Retardo depropagacina travs deFF0

En este estado 1, el FF0cambia de estado, pero elretardo de propagacin quesufre el pulso desde laentrada hasta la salida, nopermite que el FF siguientetenga un estado alto (1lgico) en sus entradas,cuando pasa el pulso dereloj, por lo que nocambiar su valor de salida.

0

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Estado 2

Reloj

Q0

Q1Retardo depropagacina travs deFF0 y FF1

En este estado 2, el FF0cambia de estado. Elretardo de propagacin quesufre el pulso desde laentrada hasta la salida,permite que el FF siguientetenga un estado alto (1lgico) en sus entradas,cuando pasa el pulso dereloj, por lo que cambiarsu valor de salida.


Estado 3

Reloj

Q0


En este estado 3, el FF0cambia de estado, pero elretardo de propagacin quesufre el pulso desde laentrada hasta la salida, nopermite que el FF siguientetenga un estado alto (1lgico) en sus entradas,cuando pasa el pulso dereloj, por lo que nocambiar su valor de salida.

1

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Estado 4

Reloj

Q0


En este estado 4, el FF0cambia de estado. Elretardo de propagacin quesufre el pulso desde laentrada hasta la salida,permite que el FF siguientetenga un estado alto (1lgico) en sus entradas,cuando pasa el pulso dereloj, por lo que cambiarsu valor de salida.

CONTADOR SNCRONO DE 2 BITS

CLK

Q0

Q1

La seal continua es la seal terica de los FF. La sealpunteada es la seal real de los FF, los cuales presentanun retardo mnimo que permite su funcionamiento comocontadores sncronos. En esta grfica se pueden apreciarlos cuatro estados descritos en las lminas anteriores.

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El contador de 2 bits, se dice que tendr 2Nestados, donde N es el nmero 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

4 Reinicia la cuenta empieza nuevo

ciclo

CONTADOR SNCRONO DE 3 BITS El funcionamiento del contador binario de 3 bits es el

mismo que el contador sncrono de 2 bits, descritoanteriormente. La diferencia es que est constituido por3 FF y que adems el dato de entrada depende del FF0y del FF1. (J1K1=Q0Q1)

El contador de 3 bits, se dice que tendr 23 estados, portanto 23= 8 estados.

VCC

RELOJ

J4 Q 7

CLK5

K1 Q 6

S2

R3

74111

J4 Q 7

CLK5

K1 Q 6

S2

R3

74111

J12 Q 9

CLK11

K15 Q 10

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 empieza nuevo ciclo

TABLA DE ESTADOS SEAL DE SALIDA DELCONTADOR DE 3 BITS

CLK

Q0

Q1

Q2

CONTADOR SNCRONO DE 4 BITS Para fines didcticos, a continuacin se

mostrar 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 Q 7

CLK5

K1 Q 6

S2

R3

74111

J4 Q 7

CLK5

K1 Q 6

S2

R3

74111

J12 Q 9

CLK11

K15 Q 10

S14

R13

74111

1

23

74LS08

Q0Q1

J12 Q 9

CLK11

K15 Q 10

S14

R13

74111

4

56

U4:B

74LS08

Q0Q1Q2

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INVESTIGACIN

En la actualidad se trabajan con circuitosintegrados de contadores, los ejercicios que serealizarn para el proyecto a evaluarse, DEBENser realizados con alguno de los siguientesmodelos:

74160, 74163, 74190, 74193. Esta norma es motivada a que son los circuitos

que se consiguen con mayor facilidad en elmercado.

INVESTIGACIN

El estudiante debe investigar su funcionamiento,y con especial atencin 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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GUA DE EJERCICIOS

1. Realice un contador de personas para elcomedor del IUT Cuman, desde 000 hasta200 y reinicie la cuenta. Utilice cualquiera delos siguientes CI: 74160, 74163, 74193 u otrocontador sncrono de su preferencia.

2. Se tiene un sistema empaquetador de botellas,cuya caja se llena con 36 botellas. Alcanzadoeste nmero, la caja se desplaza, permitiendocolocar una caja vaca. (Motor correa caja= 1(0n) 0 (Off). Diseo Libre. La duracin deldesplazamiento es 2 segundos.

GUA DE EJERCICIOS

3. Se tiene un estacionamiento cuya capacidad esde 120 vehculos. Se tiene un sensor deentrada y uno de salida, que permiten subir obajar el nmero de vehculos. Si se llega a lacapacidad mxima, se debe mantener unabarrera activada, impidiendo el paso devehculos y activar un led indicando que elestacionamiento est lleno. (Barrera= 1(desactivada) 0 (activada). Diseo libre.

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GUA DE EJERCICIOS4. Realice un registrador de visitas (Datalogger)

en un centro comercial, para otorgarle unpremio cuando ingrese el visitante nmero 700,mediante una seal sonora (sirena). Diseolibre.

5. Observe el funcionamiento del video delcontador que se encuentra en nuestro blog,disee y simule su funcionamiento.

6. Disee un contador de personas para el centrode copiado del IUT Cuman, el conteo vadesde 00 hasta 100. Dispone de un botn deincremento y uno de decremento. Diseolibre.

digital flip flop

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