Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica
Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales
ELECTRÓNICA DIGITAL TEMA 5 SISTEMAS SECUENCIALES (Parte 1) CONCEPTOS GENERALES SISTEMAS SECUENCIALES ASÍNCRONOS
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SISTEMAS SECUENCIALES DEFINICIÓN Sistema capaz de memorizar el nivel lógico de las variables de entrada y convertirlo en un estado interno del propio sistema, de tal manera que el nivel lógico de las variables de salida en un instante determinado no depende solamente del de las variables de entrada en dicho instante sino también del que tuvieron en el pasado. También se denomina autómata finito o máquina de estados finita, conocida como FSM (Finite State Machine)
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SISTEMAS SECUENCIALES Todo sistema secuencial posee:
• Un conjunto de n variables de entrada x0, x1,......, xn-1 que dan lugar a un conjunto finito de 2n combinaciones que reciben el nombre de vectores de entrada. • Un conjunto de m variables de estado interno y0, y1,...., ym-1 que dan lugar a un conjunto finito de 2m estados internos que reciben el nombre de vectores de estado interno. • Un conjunto de p variables de salida z0, z1,...., zp-1 que dan lugar a un conjunto finito de 2p combinaciones o vectores de salida.
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SISTEMAS SECUENCIALES ESQUEMA DE BLOQUES DE UN SISTEMA SECUENCIAL x0
z0
x1
z1
x n-1
z p-1
SISTEMA y0(t+1) y1(t+1) y(m-1)(t+1)
COMBINACIONAL
y0t y1t y(m-1)t
MEMORIA MEMORIA
MEMORIA
y0(t+1) y1(t+1)
y(m-1)(t+1)
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SISTEMAS SECUENCIALES
De realimentación directa • Asíncronos Realimentados con celdas asíncronas
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SISTEMAS SECUENCIALES SISTEMA SECUENCIAL DE REALIMENTACIÓN DIRECTA (DIRECT FEEDBACK SEQUENTIAL SYSTEM ) Las variables de entrada actúan de forma directa sobre él y por ello se le da también la denominación genérica de sistema secuencial asíncrono (Asynchronous sequential system ) x0
z0
x1
z1
x n-1
z p-1
SISTEMA y0t
COMBINACIONAL
y0t+1
y1t
y1t+1
y(m-1)t
y(m-1)t+1
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SISTEMAS SECUENCIALES CELDA BÁSICA BINARIA ASÍNCRONA (Asynchronous cell or latch ) Sistema secuencial asíncrono que posee una sola variable de estado interno. Es un sistema secuencial asíncrono de realimentación directa sobre cuyo estado actúan de forma inmediata las variables de entrada cuando se ponen en un determinado nivel lógico o cuando cambian de nivel lógico. Puede ser utilizado para implementar sistemas secuenciales asíncronos.
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SISTEMAS SECUENCIALES SISTEMA SECUENCIAL ASÍNCRONO REALIMENTADO MEDIANTE CELDAS BINARIAS ASÍNCRONAS n
p
Variables de entrada
Variables de salida SISTEMA COMBINACIONAL m
m
Variables de estado interno CELDAS BINARIAS ASÍNCRONAS
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SISTEMAS SECUENCIALES CELDA BÁSICA BINARIA SÍNCRONA Se caracteriza por tener una variable de entrada especial, denominada entrada de sincronización o de disparo (Trigger), a la que algunos autores llaman también entrada de reloj (Clock) porque en la mayoría de los casos se le aplica la salida de un generador de impulsos. Las variables de entrada solamente actúan sobre el estado de la celda en el instante en el que la citada entrada de sincronización cambia de nivel. Se denomina biestable síncrono (Flip-flop).
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SISTEMAS SECUENCIALES SISTEMA SECUENCIAL SÍNCRONO (SYNCHRONOUS SEQUENTIAL SYSTEM) n
p
Variables de entrada
Variables de salida SISTEMA COMBINACIONAL m
m
Variables de estado interno CELDAS BINARIAS SÍNCRONAS
GENERADOR DE IMPULSOS
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SISTEMAS SECUENCIALES
SISTEMAS SECUENCIALES ASÍNCRONOS
• Caracterizados por niveles
• Caracterizados por flancos
Realimentación directa Realimentación con biestables
Realimentados con celdas activas por flancos
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SISTEMAS SECUENCIALES SISTEMA SECUENCIAL DE REALIMENTACIÓN DIRECTA (DIRECT FEEDBACK SEQUENTIAL SYSTEM ) y1
&
y2
x1
&
&
Y1
1
Y1
&
x2
& Z1
x1
& &
x2
1 &
y2
y1
&
Z2
y1
y2
& y1
& y2
&
Y2
1 Y2
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SISTEMAS SECUENCIALES SISTEMA SECUENCIAL DE REALIMENTACIÓN DIRECTA (DIRECT FEEDBACK SEQUENTIAL SYSTEM )
Sistema secuencial asíncrono que posee dos variables de entrada x1 y x2 y una variable de salida z y que actúa tal como se indica en el cronograma (Timing diagram). 1
3
4
3
4
2
1
2
1 x1
x2
z
Se puede representar mediante una tabla de verdad denominada tabla de excitación
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SISTEMAS SECUENCIALES SISTEMA SECUENCIAL DE REALIMENTACIÓN DIRECTA (DIRECT FEEDBACK SEQUENTIAL SYSTEM
A las variables x1 y x2 se les asignan respectivamente, las letras S (Set) y R (Reset). S pone a uno la salida y R la borra (Clear) o pone a cero (Reset). La mayoría de los autores anglosajones denominan R-S Latch (Cerrojo) a este sistema que tiene dos estados estables y se puede denominar biestable R-S. S
R
yt
y t+1 = Y
0
0
0
0
S
R
y t+1
0
0
1
1
0
0
yt
0
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
X
1
1
0
X
1
1
1
X
Se puede implementar de dos formas diferentes
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SISTEMAS SECUENCIALES Biestable R-S (R-S Latch) de grabado prioritario
x 1 (M) Y
x 2 (P)
y
Y = x1 + x2 y
x1
& Q
Y = x1 + x2 y = x1 x2 y
R
& Q x2
S
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SISTEMAS SECUENCIALES Biestable R-S (R-S Latch) de borrado prioritario x 1 (M) x 2 (P)
Y
y
x1
≥1 Q
S
Y = x1 x2 + x2 y = x2 ( x1 + y )
R
≥1
Y = x2 ( x1 + y ) = x2 + x1 + y
Q x2
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SISTEMAS SECUENCIALES Curva de transferencia típica de un elemento lógico inversor Vsalida
N1
N2
1
1
-1 Ve1
Vs1
Ve2
Vs2
-1
Vs,0 max Vu,0 Margen de ruido en estado 0
Vu,1
Vs,1 min Margen de ruido en estado 1
Ventrada
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SISTEMAS SECUENCIALES Comportamiento del biestable R-S: Estado metaestable N1
S
≥1
1
Q
Q
N2
≥1
1
Q
Q
R
V SN1 = V EN2
Estado estable
Estado inestable (Metaestable)
Estado estable
V SN2 = V EN1
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SISTEMAS SECUENCIALES Comportamiento del biestable R-S Cronograma de las situaciones en las que el biestable R-S se pone en el estado metaestable Impulso de corta duración
S t < t min
R
Q
Estado metaestable
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SISTEMAS SECUENCIALES Sistema secuencial asíncrono caracterizado mediante niveles con realimentación mediante biestables R-S CONJUNTO BIESTABLES S-R S1 R1 X1
S2
Xn
SISTEMA Q1 Q2
R2
S R S R
Q0 Q0
Q1
COMBINACIONAL N1
Z1
Q1 SISTEMA COMBINACIONAL
Sm
Qm Rm
S R
Q m-1 Q m-1
N2 Zp
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SISTEMAS SECUENCIALES
CARRETERA
x1
SISTEMA x 2 SECUENCIAL ASÍNCRONO D
Z
M
D
VÍA FERREA
M D
Detector
M
Motor Barrera
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SISTEMAS SECUENCIALES PONER EN TENSIÓN
PONER CONDICIONES GENERALES
x1↑ NO
E2
NO x 1↑ SI ACTIVAR Z
x 2↑
x2↓
SI
E1
ACTIVAR Z
NO
x1↓ NO
x 2↓ SI DESACTIVAR Z
x 1↓ SI DESACTIVAR Z
x2↑
E3
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SISTEMAS SECUENCIALES CIRCUITO DIGITAL TEMPORAL Circuito en el que el retorno al estado inicial se realiza al cabo de un cierto tiempo t variable según la situación particular. Constituye un bloque funcional que recibe el nombre de circuito de memoria temporal o temporizador (Timing circuit), porque memoriza una determinada situación mediante el estado de una variable binaria durante un cierto tiempo t. Puede tener variables de entrada o no tenerlas.
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SISTEMAS SECUENCIALES CIRCUITO DE MEMORIA TEMPORAL CON VARIABLES DE ENTRADA Se denomina monoestable Función lógica
x0
CIRCUITO
x1
DE
x0
Q
MEMORIA xn
Q
x1
TEMPORAL xn
t
Q
Instante de actuación de las variables de entrada
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SISTEMAS SECUENCIALES CIRCUITO DE MEMORIA TEMPORAL SIN VARIABLES DE ENTRADA Se denomina generador de impulsos (Pulse generator), reloj (Clock) y astable (Astable)
G GENERADOR DE IMPULSOS
Q
Q
Q
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SISTEMAS SECUENCIALES
• No realimentados
MONOESTABLES
Activados por niveles • Realimentados Activados por flancos
No redisparables (Non retriggerable) Redisparables (Retriggerable)
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SISTEMAS SECUENCIALES MONOESTABLE NO REALIMENTADO N1 N2
1 T
Tr
RETARDO
& Q
T
Tr
tr tr
Q
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SISTEMAS SECUENCIALES MONOESTABLE NO REALIMENTADO N1 N2
R
1
&
T
Q
C
1 T
1
1 & Q
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SISTEMAS SECUENCIALES MONOESTABLE REALIMENTADO NO REDISPARABLE N1 +VCC
N1 S
≥1
T
≥1
Q
Q
C 0V N2 +VCC
N2 ≥1 R
≥1
P
Q
Q +VCC R
0V
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SISTEMAS SECUENCIALES MONOESTABLE REALIMENTADO NO REDISPARABLE T
N1 +VCC
2VCC
≥1
T
Q C 0V
+VCC
P
0V
N2 +VCC
Q
≥1
P
Q +VCC
Q
R
0V t=kRC
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SISTEMAS SECUENCIALES MONOESTABLE REALIMENTADO NO REDISPARABLE
N1 +VCC ≥1
T
Q C 0V
Cronograma de las señales de un monoestable no redisparable (Non retriggerable)
N2 +VCC ≥1
P
Q +VCC R
0V
S
Q t
t
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SISTEMAS SECUENCIALES SÍMBOLO LÓGICO DE UN MONOESTABLE REALIMENTADO NO REDISPARABLE No normalizado R
Normalizado
C
+VCC
1
C ext
Q
C
Q T
+VCC
R ext/C ext R
MONOESTABLE Q
T
Q
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SISTEMAS SECUENCIALES MONOESTABLE REALIMENTADO NO REDISPARABLE N1 ≥1
S N3 1
N4 1
N5 1
S Q C
N6 &
D
Q R
N2 ≥1
P
Q
t
+V
Esquema
C ext
R
Q
C
+V
R ext/C ext A
&
B P. Cero (Reset)
R
Símbolo lógico normalizado
Q
Cronograma
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SISTEMAS SECUENCIALES TEMPORIZADORES ANALÓGICOS DIGITALES Temporizadores que combinan un comparador analógico con un biestable activado por niveles o por flancos. Se pueden obtener temporizaciones elevadas.
Inconvenientes - Solo se puede modificar modificando el valor de una resistencia. -Se tiene que ajustar mediante un potenciómetro.
Aplicaciones Sistemas electrónicos sencillos en los que no es necesario modificar el valor de la temporización de forma automática sin tener que realizar una acción manual.
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SISTEMAS SECUENCIALES TEMPORIZADORES ANALÓGICOS DIGITALES Temporizadores que combinan un comparador analógico con un biestable activado por niveles o por flancos. T
+VCC
R
Vref
-
QC
P. Cero
Q
VC
V ref
R
+ Biestable Señal de disparo (Trigger)
T
Q
P. Uno S
Salida
QC R1
C
R2
Q t=kRC
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SISTEMAS SECUENCIALES Temporizador que combina un comparador analógico con un biestable activado por flancos que posee entrada de puesta en estado inicial. +VCC
RA
R1 P. Cero
-
Q
+ Biestable Señal de disparo (Trigger)
T
R3
C
R2
R4
Q
P. Uno
P. Inicial
Salida del temporizador
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SISTEMAS SECUENCIALES TEMPORIZADORES ANALÓGICOS DIGITALES Símbolo lógico de un temporizador que combina un comparador analógico con un biestable activado por flancos. +VCC
RA C
Señal de disparo (Trigger)
T
TEMPORIZADOR ANALÓGICO DIGITAL
P. Inicial
Q
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SISTEMAS SECUENCIALES GENERADORES DE IMPULSOS Fundamento conceptual
1
1
1
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SISTEMAS SECUENCIALES GENERADOR DE IMPULSOS IMPLEMENTADO CON MONOESTABLES
D1
N1 B
+VCC
1
+VCC
Q
Q R1 C1
+VCC Q
N2
C2 R2 +VCC
B
1 Q A
A
D2
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SISTEMAS SECUENCIALES
INVERSOR CON HISTÉRESIS
Ve +VCC
1 Ve Vs VU1
VU2
Vs
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SISTEMAS SECUENCIALES GENERADOR DE IMPULSOS IMPLEMENTADO CON UN INVERSOR CON HISTÉRESIS
Ve
R
VU2 VU1
Ve C
1
Q
t
Q +VCC
t
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SISTEMAS SECUENCIALES GENERADOR DE IMPULSOS IMPLEMENTADO CON PUERTAS REALIMENTADAS
CIRCUITO PASIVO DE REALIMENTACIÓN A
AMPLIFICADOR
1
B R
1
Q C
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SISTEMAS SECUENCIALES GENERADOR DE IMPULSOS IMPLEMENTADO CON PUERTAS REALIMENTADAS
R2
R1
1
R1
R1
1
1 Q
C1
Q
C2
R2
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SISTEMAS SECUENCIALES GENERADOR DE IMPULSOS IMPLEMENTADO CON TEMPORIZADORES ANALÓGICO-DIGITALES +VCC
+VCC
R1
R2
C1
C2
T1
TEMPORIZADOR ANALÓGICO DIGITAL
Q1
Q1 T2
TEMPORIZADOR ANALÓGICO
Q2
DIGITAL
Q2 t1
+VCC P. Inicial
t2
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SISTEMAS SECUENCIALES TEMPORIZADOR ANALÓGICO DIGITAL MULTIFUNCIONAL (555) +VCC
E. control
BLOQUE FUNCIONAL TEMPORIZADOR
R
(Control voltage) A
E. Umbral (Threshold)
R
+ R
Biestable + B
E. disparo (Trigger)
S
-
E. descarga (Discharge)
T R
P. Inicial
Salida
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SISTEMAS SECUENCIALES GENERADOR DE IMPULSOS IMPLEMENTADO CON UN TEMPORIZADOR ANALÓGICO-DIGITAL MULTIFUNCIONAL (CIRCUITO 555) VC 2/3 VCC +VCC
RA
1/3 VCC P. Cero
R -
P. Uno A
R
+ RB
Q
R
Biestable +
QT
P. Cero B
P. Uno
S
R1
P. Inicial
T C
R
R2
QT
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SISTEMAS SECUENCIALES TEMPORIZADOR IMPLEMENTADO CON UN CIRCUITO ANALÓGICO-DIGITAL MULTIFUNCIONAL (CIRCUITO 555) P. Inicial
+VCC
Señal de T disparo R1
R -
P. Uno A
R
+ R2
Q
R
Biestable +
Señal de T disparo (Trigger)
P. Cero B
S
QT
Salida
VC 2/3 VCC
R3
P. Inicial
T
P. Uno C
R
R4
QT
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SISTEMAS SECUENCIALES +Vcc
+Vcc (4,5 a 18 V)
+Vcc RA
E. Control E. Umbral E. Disparo Descarga
8
5 6 2 7
3
C’
Q RB
555 1
P. In Circuito temporal analógico-digital 555
6 2
C 4
8
5
7
3
Q
555 4
1
+Vcc
Generador de impulsos implementado con el circuito 555
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SISTEMAS SECUENCIALES +Vcc
Monoestable no redisparable implementado con el circuito 555
R
+Vcc C’ 8
5 6
Señal de disparo (Trigger)
2 7
3
Q
555 4
1
C P. In Señal de disparo
Cronograma Q t
t
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SISTEMAS SECUENCIALES APLICACIONES DE LOS CIRCUITOS DIGITALES TEMPORALES Circuito detector de ausencia de impulsos
C ext R
Q
C
+VCC
R ext/C ext T
Q
T
Q t
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SISTEMAS SECUENCIALES APLICACIONES DE LOS CIRCUITOS DIGITALES TEMPORALES Circuito detector de anchura de impulsos Q C ext R
C
+VCC
R ext/C ext Q T
& f
1
1
T td2
td2 td1
Q
f
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SISTEMAS SECUENCIALES APLICACIONES DE LOS CIRCUITOS DIGITALES TEMPORALES Circuito eliminador de rebotes +VCC