Tema 5 Sistemas secuenciales

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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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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De realimentación directa
• Asíncronos
Realimentados con celdas asíncronas
SISTEMAS
SECUENCIALES
Totalmente síncronos
• Síncronos
Síncronos asincronizados
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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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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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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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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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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
ASÍNCRONOS
• Caracterizados
por niveles
• Caracterizados
por flancos
Realimentación directa
Realimentación con biestables
Realimentados con celdas
activas por flancos
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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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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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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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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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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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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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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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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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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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CARRETERA
x1
SISTEMA
x 2 SECUENCIAL
ASÍNCRONO
D
Z
M
D
VÍA FERREA
M
D
Detector
M
Motor
Barrera
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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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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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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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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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• No realimentados
MONOESTABLES
Activados
por niveles
• Realimentados
Activados
por flancos
No redisparables
(Non retriggerable)
Redisparables
(Retriggerable)
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MONOESTABLE NO REALIMENTADO
N1
N2
1
T
Tr
RETARDO
&
Q
T
Tr
tr
tr
Q
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MONOESTABLE NO REALIMENTADO
N1
N2
R
1
&
T
Q
C
1
T
1
1
&
Q
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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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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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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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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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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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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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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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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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GENERADORES DE IMPULSOS
Fundamento conceptual
1
1
1
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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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INVERSOR CON HISTÉRESIS
Ve
+VCC
1
Ve
Vs
VU1
VU2
Vs
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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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GENERADOR DE IMPULSOS
IMPLEMENTADO CON PUERTAS REALIMENTADAS
CIRCUITO
PASIVO DE
REALIMENTACIÓN
A
AMPLIFICADOR
1
B
R
1
Q
C
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GENERADOR DE IMPULSOS
IMPLEMENTADO CON PUERTAS REALIMENTADAS
R2
R1
1
R1
R1
1
1
Q
C1
Q
C2
R2
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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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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
R1
BLOQUE FUNCIONAL
TEMPORIZADOR
R
A
R
+
R2
Q
R
Biestable
QT
Salida
+
B
T
S
T
R
P
C
P. Inicial
P
QT