05-Circuitos secuenciales

Las puertas lógicas y los circuitos creados con ellas constituyen la lógica combinacional, llamada así porque la salida únicamente depende de la combinación de las variables de entrada que haya.

Existe un segundo grupo de circuitos lógicos denominados secuenciales llamados así porque la salida depende, además de las variables de entrada, del valor que previamente hubiera en la salida. Ésto significa que estos circuitos están dotados de memoria. Además, una gran parte de los circuitos secuenciales sólo se activan con una señal cíclica o de reloj, y se denominan circuitos secuenciales síncronos.

El tiempo de activación puede durar mientras dure la señal de reloj (activación por pulso) o el instante de cambio de 0 a 1 (activación por flanco):

 

Activación por pulso

 

Activación por flanco (ascendente o descendente)


Como veremos más adelante, en los elementos activados por flanco se dibuja un pequeño triángulo en la conexión del reloj, que se completa con un círculo para especificar que el flanco es descendente, que es la activación más frecuente.


Para el estudio de los circuitos secuenciales se hace uso del cronograma, la representación gráfica de cómo evolucionan en el tiempo tanto las entradas como la salida del circuito:

Los circuitos secuenciales básicos se denominan biestables,  básculas o flip-flops, y entre ellos tenemos:

 

BIESTABLE R-S ASÍNCRONO

Consiste en un elemento con dos entradas, que está formado por dos puertas NOR de la siguiente manera:


Para obtener la tabla de verdad de este circuito hay que analizar, además de los estados de R y de S, el valor que tenía previamente la salida Q:

R
S
Q (t-1)
Q
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0

De esa tabla deducimos que al activar la entrada R (del inglés RESET) se pone a cero la salida; si se activa la entrada S (de SET) se pone la salida a uno. Además, cuando las dos entradas tienen valor 0, no se producen cambios en la salida; pero si ambas tienen valor 1, el biestable pone a cero la salida, pero si existe cualquier pequeño retraso cuando desaparece el voltaje de R y S, la salida puede quedarse desactivada o activarse, dependiendo del azar.

Símbolo Cronograma
 
A los biestables se les suele poner dos salidas, tanto la Q como su negada Q por motivos de construcción, como se puede ver pulsando aquí:

 

BIESTABLE R-S SÍNCRONO

Para evitar la indeterminación al eliminar los voltajes de R y S, además de las dos entradas se crea hay otra entrada más, marcada como C o Clk (del inglés CLOCK). Gracias a esta nueva entrada, el biestable funciona exactamente igual que su equivalente asíncrono, pero sólo durante el pulso de reloj:

Símbolo Cronograma
 


 

BIESTABLE J-K SÍNCRONO

Estos elementos se desarrollan para obviar el problema de indeterminación cuando ambas entradas R y S valen 1. En el biestable J-K, la entrada J tiene la función de poner a cero (RESET) y la entrada K pone a uno la salida (SET), y cuando ambas tienen valor 1, la salida invierte el valor que tuviera antes.

Aunque también existe una variedad asíncrona, este biestable suele ser síncrono, es decir, todos estos cambios se producen únicamente durante el pulso de reloj (activados por pulso) o, con mucha mayor frecuencia, durante el cambio de 0 a 1 o viceversa (activados por flanco), por lo cual en la patilla Clk se dibuja un pequeño triángulo:

Símbolo Cronograma
 

(por flanco ascendente)


BIESTABLE D

En este último biestable, la señal de entrada D (del inglés DATA) es transferida a la salida con el pulso de reloj. La activación de estos biestables suele ser por flanco descendente, por lo cual en la patilla Clk, además del triángulo, se dibuja un pequeño círculo:

Símbolo Cronograma
 

(por flanco descendente)

Todos los biestables se comercializan en forma de circuitos integrados, y además de las patillas propias de cada tipo, existen dos patillas para alimentación (+ y -) y dos patillas más, una PRESET que pone a uno la salida y otra RESET que pone a cero la salida.


Estos biestables están constituidos por puertas lógicas, tal como puede verse pulsando aquí, y son utilizados para implementar los circuitos secuenciales más complejos, que son: contadores, registros y memorias, y que se ven a continuación. Para estudiar el funcionamiento de los circuitos con biestables además de los cronogramas se pueden hacer tablas de verdad, en las que se debe poner el estado anterior como una entrada más. Por ejemplo, para un biestable J-K (asíncrono en este caso):




J
K
Q (t-1)
Q
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
0

Y también se pueden analizar los cambios mediante diagramas de fase, en los que se analizan las combinaciones que provocan el cambio de uno a otro estado. Para el caso del J-K:



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