Facultad De Ciencias De La Ingeniería

Escuela de Ingeniería en Electricidad

Consulta:

Análisis como funciona los Flip-flops y para que ase utiliza

AUTOR:

Logroño Pérez Robinson Joel

ING:

Jorge Murillo

Flip-Flop

Los circuitos son muy conocidos y empleados como elementos de memoria, ya que son capaces de almacenar un bit de información. En general, son conocidos como FLIP-FLOP y poseen dos estados estables, uno a nivel alto (1 lógico) y otro a nivel bajo (cero lógico).

Por lo general un FLIP-FLOP dispone de dos señales de salida, una con el mismo valor de la entrada y otra con la negación del mismo o sea su complemento.

Existen varios tipos de FLIP-FLOP y variaciones de estos que permiten realizar funciones específicas, dependiendo de la aplicación. A continuación veremos algunos de ellos.

Flip-Flop Basico S-R (Reset-Set)

Presenta un par de compuertas del tipo NOO en una configuración conocida como flip-flop. Tiene un par de terminales llamadas S y R, que corresponden a las palabras en inglés set (activa) y reset (desactiva) respectivamente. Usaremos los símbolos S y R no sólo para indicar las terminales sino también para especificar su estado lógico.

Así, si S=1 indica que el voltaje correspondiente a un nivel lógico de 1 está presente en la terminal S. De forma similar las salidas Q y Q indican las terminales y su estado lógico. En esta notación hemos incluido el hecho de que las salidas son complementarias en la operación normal del circuito.

Flip-flop SR, circito,símbolo y tabla de verdad

La característica fundamental y más importante de un flip-flop es que tiene “memoria”. Esto es, dado que los estados en las entradas S y R son 0 en cierto momento, es posible, examinando la salida, saber el estado en un tiempo anterior de las entradas inmediatamente antes de llegar a su nivel presente.

FUNCIONAMIENTO: En el circuito del flip-flop, las entradas S y R son las de control. Si estamos tratando con un circuito formado por compuertas del tipo NOO las entradas ejercen control sólo si están en el estado lógico correspondiente a un 1. Si suponemos que S=R=0 podemos ignorar esas entradas y concentrarnos en la salida del circuito que forman las otras dos entradas de las que sí dependen las compuertas. Si suponemos que Q1, la salida de la compuerta superior es un cero que es consistente con los símbolos utilizados y Q=0. Supusimos en un principio, para llegar a este resultado, que Q1, y ahora debemos comprobar esta suposición. Observemos que las dos entradas a la compuerta inferior son 0 por lo que su salida es 1.

Flip-flop con Reloj

Para entender el problema común que lleva al uso de los relojes como mecanismos de sincronización entre actividades que se suceden en los circuitos. Se asume que las entradas al flip-flop se encuentran en 0 y S es el resultado combinacional de A y B y que la salida del flip-flop es Q=0.

Fig. Flip-flop tipo SR con reloj, limpia y fija.

Supóngase que las entradas a la compuerta Y, A y B, cambian casi al mismo tiempo y que no es nuestra intención que la salida neta de la compuerta cambie el estado en el que se encontraba el flip-flop al iniciar la secuencia. Si A cambia antes que B o viceversa, encontramos que la salida de la compuerta, que es la entrada del flip-flop, cambia su estado. Es sumamente difícil poder diseñar un circuito de forma que se calculen todos los retardos de las señales de forma que se pueda asegurar una simultaneidad en los resultados de eventos que se planeen en el desarrollo de un circuito lógico digital. En sistemas grandes, el retraso de las señales a lo largo del camino que deben recorrer causan dificultades del tipo descrito anteriormente.Las transiciones se difieren hasta que todo el sistema alcanza un estado estable en el que no tengamos sorpresas.

Se han agregado dos compuertas al circuito básico que nos permiten tener control sólo cuando la entrada C (reloj, Clock) cambia de 0 a 1. Como el circuito únicamente responde en la transición de la entrada C cuando ésta cambia de 0 hacia 1, se le denomina un circuito síncrono (porque depende del reloj) que responde al borde positivo del reloj. Las entradas auxiliares LIMPIA (clear) y FIJA (preset) nos sirven para poner en un estado inicial predeterminado al circuito flip-flop y son asíncronas, esto es, no dependen del reloj.

Flip-flop Maestro-EsclavoHemos visto que el circuito dependiente del reloj cambia su estado con la señal de sincronización, cuando cambia de estable a activa (de 0 a 1) y se le llamó de cambio al borde positivo del reloj. Existen muchas situaciones en que ésta situación no es aceptable y se prefiere que el cambio se realice con el borde negativo del reloj, esto es, cuando el reloj cambia de activo a estable (1 a 0).Las razones de esta preferencia obedecen a dos características muy generales en los sistemas digitales:

Se usa un reloj común que sincroniza a todos los circuitos del sistema.

Los datos para alimentar a un circuito tipo flip-flop se pueden derivar de la salida de otros flip-flops.

Fig. Flip-Flop Maestro-Esclavo

La tabla de verdad de este nuevo flip-flop es idéntica a las vistas hasta ahora con la salvedad de que en un circuito maestro-esclavo, la salida se encuentra disponible cuando el reloj realiza su transición de 1 a 0.En el circuito de la figura mostramos el mismo flip-flop maestro- esclavo pero con la ventaja de dos entradas adicionales que nos permiten iniciar la operación del flip-flop en un estado conocido. Estas dos entradas las denominamos LIMPIA (clear) y FIJA (preset) por la acción que realizan. Se trata de un arreglo de dos FF independientes. El primero actúa como Master y el otro como Slave. Con la diferencia de que en este caso las entradas Set y Reset son realimentadas por las salidas Q y -Q respectivamente, quedando libre únicamente la entrada CK.

Considerando CK=0, será la salida Q=0 y -Q=1, al momento del cambio de nivel de CK (CK=1), sólo cambiaran las salidas del primer flip-flop (Master) sin afectar las salidas Q y -Q. Ahora bien, cuando CK regrese a su estado inicial (CK=0) el Slave conmutará las salidas Q y -Q quedando Q=1 y -Q=0. Al cambiar de estado CK (CK=1) las salidas no serán

afectadas. Esto se puede resumir en una pequeña tabla de verdad, como ésta:

Flip-flop Tipo JKEs un circuito flip-flop con una pequeña modificación, la salida del flip-flop SR se retroalimenta a sus entradas por medio de unas compuertas NOY (pueden ser de otro tipo). Esta modificación cambia el funcionamiento del circuito y se le nombra a las entradas J (en lugar de S) y K (en lugar de R).El objeto de la modificación es hacer que el circuito responda no sólo a las entradas y al reloj sino a su salida también. Recuerde al analizar el circuito que éste no responde hasta que el reloj baja de 1 a cero por lo que sus salidas son estables durante el pulso del reloj.El resultado más importante es que el estado J=K=1 sí puede ser

utilizado y especifica que

Flip-flop Tipo DEs frecuente que necesitemos retrasar una señal por la duración de un pulso de reloj, de ahí el nombre del circuito: flip-flop Delay (retraso). La

TABLA DE VERDAD DEL FLIP FLOP MAESTRO-ESCLAVO

operación puede realizarse utilizando un único flip-flop SR o JK. El dato se aplica en forma directa a la entrada S o J y de forma complementada a R o K como se muestra en la figura. La forma de onda resultante (diagrama de tiempos).

Fig. Flip-Flop tipo D

Nuevamente se asume que el circuito responde al borde negativo del reloj.Se puede verificar de forma fácil que, dada una secuencia, la salida Q es idéntica a ésta pero retrasada un ciclo de reloj. En el diagrama de tiempos se muestran las ondas como una transición exacta. En la práctica, los cambios tienen un tiempo corto pero finito debido a retrasos y el tiempo que le lleva a los transistores cambiar de un estado a otro.Un flip-flop, además de muchas otras funciones, tiene la propiedad de conservar el estado anterior de las entradas y es también una memoria (limitada a un bit).Se analizan varios tipos de circuitos flip-flops y la conveniencia de una señal extra llamada reloj para sincronizar toda la operación. Introdujimos los conceptos de diagrama de tiempos y cómo nos pueden ayudar a comprender el funcionamiento de un circuito. Se analiza la conveniencia de responder a la transición negativa (de 1 a 0) del reloj en lugar de a la positiva (de 0 a 1).

Tabla de verdad del flip-flop tipo D

¿Dónde Usar Flip-flops?Muchos de los circuitos más complejos usan internamente grupos conectados de flip-flops tipo JK o D, particularmente los contadores y registros de corrimiento. Hasta el momento, sólo se ha analizado el funcionamiento de los flip-flops pero no se han dado ejemplos concretos más que como parte de un interruptor sin ruido. De algunas de las aplicaciones en las que se usan flip-flops tenemos:Memoria Provisional. Se utiliza por lo general en despliegues numéricos y en toda circunstancia donde se deba guardar la información por un ciclo (flip-flops D) o más de reloj (flip-flops JK).Eliminador de Ruido de Alta Velocidad. Otra aplicación simple de almacenaje de los flip-flops es como parte de un circuito convertidor de analógico a digital (convertidor A/D) Aquí se usan como una memoria de almacenaje hasta que la conversión se ha realizado por completo y eliminado los ruidos de la conversión y transición.Muestra y Retiene (Sample and Hold). Un circuito de este tipo es uno analógico que mide el valor de entrada por un breve momento y guarda su valor para utilizarlo posteriormente. Si se trata de almacenar en forma analógica, la señal se pierde con el tiempo, de otra forma, digitalmente guardada en flip-flops puede durar indefinidamente con la exactitud que se desee. La señal de salida puede usarse como señal digital o convertirse de nuevo a analógica.Eliminador de Basura. Los circuitos de flip-flops como dispositivos de almacenamiento sencillos pueden usarse para remover porciones no deseadas o defectuosas de datos en sistemas de alta velocidad.Sincronizadores. Los sincronizadores en general, son dispositivos que permiten alinear datos aleatorios del mundo de afuera del circuito con las secuencias internas regidas por un reloj.Uno y sólo Uno. Un circuito sincronizador que toma un evento externo sencillo, como podría ser el caso de un interruptor que se acciona o un pulso, en un pulso de precisión que dura un y sólo un intervalo entre

periodos del reloj del sistema. Otra variación de este circuito es el de N y Sólo N.Resincronización. Son circuitos que nos permiten eliminar retrasos de propagación y ruidos en compuertas y contadores. Permiten también convertir un evento no síncronoa uno en síncrono con el reloj del sistema.Secuenciadores. Reconocen una serie de eventos que deben suceder, por ejemplo, sepueden diseñar para reconocer la secuencia 10100 y ninguna otra.Mezcladores. El flip-flop tipo D puede usarse para producir a su salida la diferencia de dos frecuencias a sus entradas D y RELOJ. La aplicación tiene sus limitaciones pero aún así es una aplicación muy usada.Dejamos el análisis a fondo de estos circuitos para el lector interesado y lo remitimos a las referencias bibliográficas, en especial a el libro TTL Cookbook.

Puntos Importantes de los Flip-Flop

El flip-flop es un elemento de memoria. Las compuertas pueden ser analizadas de acuerdo a sus entradas

que habilitan o deshabilitan al circuito para continuar realizando operaciones lógicas.

El flip-flop SR cambia su estado de acuerdo a las entradas conservando “memoria” de sus entradas anteriores.

El reloj es el mecanismo de sincronización. A los eventos que dependen del reloj para completarse se les

conoce como síncronos a los que no dependen de él se les llama asíncronos (no síncronos).

Aun diagrama que muestra las entradas a un circuito, sus salidas y cómo responde a los cambios del reloj, se le denomina diagrama de tiempos y es una herramienta indispensable para analizar circuitos complejos.

Los circuitos pueden responder al borde positivo o negativo del reloj.

La interconexión maestro-esclavo permite que los flip-flops respondan al borde negativo del reloj.

El flip-flop JK no tiene estados que no se usen como es el caso de los SR.

El flip-flop D retrasa la señal presente a su entrada por el tiempo de un ciclo de reloj.

Las aplicaciones de los flip-flops son varias y van desde registros de corrimiento, secuenciadores, eliminadores de ruidos, sincronizadores, memorias, etc.

BibliografíaBartee, C. Thomas Digital Computer Fundaments. McGraw Hill International

Ed. 1977.