Tema 5 Sistemas secuenciales
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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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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) Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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. Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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) Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales SISTEMAS SECUENCIALES De realimentación directa • Asíncronos Realimentados con celdas asíncronas SISTEMAS SECUENCIALES Totalmente síncronos • Síncronos Síncronos asincronizados Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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. Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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). Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales SISTEMAS SECUENCIALES SISTEMAS SECUENCIALES ASÍNCRONOS • Caracterizados por niveles • Caracterizados por flancos Realimentación directa Realimentación con biestables Realimentados con celdas activas por flancos Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales SISTEMAS SECUENCIALES CARRETERA x1 SISTEMA x 2 SECUENCIAL ASÍNCRONO D Z M D VÍA FERREA M D Detector M Motor Barrera Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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. Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales SISTEMAS SECUENCIALES • No realimentados MONOESTABLES Activados por niveles • Realimentados Activados por flancos No redisparables (Non retriggerable) Redisparables (Retriggerable) Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales SISTEMAS SECUENCIALES MONOESTABLE NO REALIMENTADO N1 N2 1 T Tr RETARDO & Q T Tr tr tr Q Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales SISTEMAS SECUENCIALES MONOESTABLE NO REALIMENTADO N1 N2 R 1 & T Q C 1 T 1 1 & Q Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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. Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales SISTEMAS SECUENCIALES GENERADORES DE IMPULSOS Fundamento conceptual 1 1 1 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales SISTEMAS SECUENCIALES INVERSOR CON HISTÉRESIS Ve +VCC 1 Ve Vs VU1 VU2 Vs Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales SISTEMAS SECUENCIALES GENERADOR DE IMPULSOS IMPLEMENTADO CON UN INVERSOR CON HISTÉRESIS Ve R VU2 VU1 Ve C 1 Q t Q +VCC t Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales SISTEMAS SECUENCIALES GENERADOR DE IMPULSOS IMPLEMENTADO CON PUERTAS REALIMENTADAS CIRCUITO PASIVO DE REALIMENTACIÓN A AMPLIFICADOR 1 B R 1 Q C Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales SISTEMAS SECUENCIALES GENERADOR DE IMPULSOS IMPLEMENTADO CON PUERTAS REALIMENTADAS R2 R1 1 R1 R1 1 1 Q C1 Q C2 R2 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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 Escuelas Técnicas de Ingenieros Universidad de Vigo Departamento de Tecnología Electrónica Electrónica Digital: Sistemas Secuenciales 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
