POR DIAGRAMA DE TRANSICIÓN CIRCUITOS SECUENCIALES
Hemos visto como en los circuitos combinacionales, las salidas sólo dependen de las entradas en el mismo instante de tiempo. Existe otro tipo de circuitos digitales en los cuales esto no es así. Son los llamados circuitos o sistemas secuenciales.
Circuitos secuenciales
Son aquellos en los cuales las salidas en un instante de tiempo determinado dependen de las entradas en ese instante y en instantes anteriores de tiempo.
Como consecuencia de la definición anterior podemos llegar a la conclusión de que este tipo de circuitos son capaces de memorizar información y que esta información en un momento dado depende de las entradas ocurridas en el circuito hasta ese momento.
El circuito no es capaz de memorizar todas las entradas ocurridas hasta un instante de tiempo determinado, sino solo una cierta parte. A la información almacenada se le denomina estado del sistema, y el número máximo de informaciones almacenables es el número de estados posibles del sistema.
El diagrama de bloques de un circuito secuencial es:
El circuito secuencial recibe información binaria de su ambiente a través de las entradas E, las cuales, en combinación con el estado actual Q (t) (almacenado en los elementos de almacenamiento), determinan el valor binario de las salidas S y el siguiente estado Q(t+1). Las salidas de un circuito secuencial son las salidas del circuito combinacional
Funciones de transición
Un circuito o sistema secuencial queda definido por dos funciones lógicas, llamadas funciones de transición:
1. Función de salida: nos indica cómo depende la salida o salidas, de las entradas actuales y del estado actual.
2. Función de transición de estado: nos indica como depende el nuevo estado del estado anterior y de las entradas al sistema.
5.1.1.1 Función de salida
Si designamos por:
S(t) = salidas en el mismo instante de tiempo t
E(t) = entradas en el mismo instante de tiempo t
Q(t) = estado en el instante de tiempo t
La función de salida puede expresarse:
S (t) = F [ E (t), Q (t) ]
5.1.1.2 Función de transición de estado
Nos indica si unas determinadas entradas producen un cambio en el estado y a qué estado se cambia. La función puede expresarse:
Q(t+1) = G [ E(t), Q(t) ]
Tanto F como G son funciones lógicas, exactamente iguales a las estudiadas hasta ahora. La única novedad, que confiere a los circuitos secuenciales propiedades totalmente distintas a los combinacionales, es el hecho de que existe realimentación. La función G nos da los valores Q en función de los propios valores Q anteriores. Las mismas variables son variables de entrada y salida de la función.
Las funciones F y G pueden expresarse mediante tablas de verdad. como cualquier otra función. Por el hecho de existir realimentación, se les denomina tablas de transición del circuito secuencial.
5.1.2 Cronogramas
Hemos visto que los circuitos secuenciales tienen una estructura tal que las salidas dependen del tiempo, ya que el estado depende de las entradas y éstas son función del tiempo. Aunque las tablas de transición permiten definir un circuito secuencial, cuando éste es complejo, es más cómodo manejar una representación gráfica de las variables en función del tiempo. A esta representación se le llama cronograma. Más adelante veremos los cronogramas de los distintos biestable.
5.2 Biestables
Los biestables son circuitos lógicos capaces de permanecer en uno de entre dos estados estables, aún después de desaparecer la causa que provocó el paso al estado alcanzado. Son, pues, capaces de almacenar una información binaria (1 bit).
5.2.1 Tipos de biestables.
Deben distinguirse tres aspectos en las señales de entrada que producen la transición de un estado a otro:
1. La lógica de disparo, que determinará que el biestable cambie de estado cuando en sus entradas se dé una cierta combinación de señales. Es el modo de funcionamiento. Puede haber tantos biestables como lógicas de cambio nos imaginemos. En la práctica sólo se usan 4 tipos de biestables.
2. El tipo de disparo, que determinará la forma en que las excitaciones de entrada afectan al estado del biestable.
3. El sincronismo en el disparo, que determinará si el funcionamiento del biestable se hará de acuerdo con la presencia de una señal adicional a las entradas, y que se denomina señal de reloj.
Combinando estos tres aspectos, los fabricantes han comercializado una gran variedad de biestables, que son suficientes para las necesidades de diseño. Podemos clasificar los biestables según estos criterios.
1. Atendiendo a la lógica de disparo (modo de funcionamiento):
§ q Biestable R-S
§ q Biestable J-K
§ q Biestable D
§ q Biestable T
2. Atendiendo al sincronismo en el disparo y tipo de disparo:
§ Asíncronos (latches): funcionan sin señal de reloj.
§ Síncronos (flip-flops): funcionan con señal de reloj.
Disparo por nivel de tensión: alto ("1") o bajo ("0")
§ Nivel alto ("1"): El biestable podrá cambiar de estado cuando la señal de reloj esté a "1".
§ Nivel bajo ("0"): El biestable podrá cambiar de estado cuando la señal de reloj esté a "0".
Disparo por flanco: de subida o bajada
§ Flanco de subida: El biestable podrá cambiar de estado en el instante en que la señal de reloj pase de "0" a "1".
§ Flanco de bajada: El biestable podrá cambiar de estado en el instante en que la señal de reloj pase de "1" a "0".
5.2.1.1 Biestables asíncronos (latches)
Asíncronos quiere decir que funcionan sin señal de reloj; cualquier cambio en las entradas produce un cambio en las salidas, en cualquier momento. En el caso de tener varios biestables asíncronos en un circuito, cada uno actuaría de forma independiente a los otros.
5.2.1.2 Biestables síncronos (flip-flops)
Son los que funcionan en sincronismo con una señal de reloj. A estos también se les llama circuitos secuenciales sincronizados, y es el tipo de circuito más utilizados en la práctica, ya que son relativamente sencillos de diseñar.
Un circuito secuencial síncrono emplea señales que afectan los elementos de almacenamiento sólo a instantes discretos de tiempo. La sincronización se logra por medio de un dispositivo de sincronía, llamado generador de reloj, que produce un tren periódico de pulsos de reloj, a intervalos fijos.
Esto significa que en los biestables síncronos, la tabla de transición solo se cumple cuando se activa la señal de reloj. Si la señal de reloj no se activa, no se produce ninguna transición. Por tanto, aunque en las entradas haya una combinación de señales que conduzcan a una transición de estado, ésta no se producirá hasta que se active la señal de reloj, y no volverá a producirse una nueva transición hasta que se active de nuevo la señal de reloj.
La señal de reloj puede activarse de dos formas: por nivel o por flanco.
5.2.1.2.1 Biestables activados por nivel (de tensión): Un biestable activado por nivel podrá cambiar de estado cuando la señal de reloj esté a un determinado nivel de tensión: "1" (nivel alto) o "0" (nivel bajo).
5.2.1.2.2 Biestables activados por flanco: Un biestable activado por flanco ignora el pulso de reloj mientras está en un nivel constante y se dispara sólo durante una transición de la señal de reloj, de "0" a "1" (flanco de subida) o de "1" a "0" (flanco de bajada).