ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA LABORATORIO DE SISTEMAS DIGITALES PRÁCTICA Nº 08 TEMA: DISEÑO DE FLIP FLOPS Objetivo: Entender el diseño y funcionamiento de multivibradores biestables, más conocidos como flip flops, así como su utilidad práctica.
Marco Teórico: CI 7476: Este integrado consta de 2 Flip-Flops J-K Master-Slave con PRESET PRESE T y CLEAR
INPUTS PRE
CLR
CLK
0 1 0 1 1 1 1
1 0 0 1 1 1 1
X X X
OUTPUTS J X X X 0 1 0 1
Q K Q X H 0 X 0 1 X H H Q 0 Q 0 1 0 1 0 1 1 TOGGLE 0
0
CI 74107: El integrado tiene 2 Flip-flops J-K Master-Slave con CLEAR INPUTS CLR
CLK
0 1 1 1 1
X
OUTPUTS J X 0 1 0 1
K X 0 0 1 1
Q
Q
0
1
Q0
Q0
1 0 0 1 TOGGLE
CI 74109: Son 2 Flip-flops J-K activos en alto con PRESET y CLEAR el diseño J-K permite operaciones como Flip Flop tipo D simplemente conectando los pines J y K juntos
INPUTS PRE
CLR
CLK
0 1 0 1 1 1 1 1
1 0 0 1 1 1 1 1
X X X
0
OUTPUTS J X X X 0 1 0 1 X
K X X X 0 0 1 1 X
Q
Q
1 0
0 1
H
H
0 1 TOGGLE Q0
Q0
1
0
Q0
Q0
CI 74112: Consta de 2 Flip-flops J-K disparados por transición negativa con PRESET y CLEAR INPUTS
OUTPUTS
PRE
CLR
CLK
0 1 0 1 1 1 1 1
1 0 0 1 1 1 1 1
X X X
0
J X X X 0 1 0 1 X
K X X X 0 0 1 1 X
Q
Q
1 0
0 1
H
H
0 1 TOGGLE Q0
Q0
1
0
Q0
Q0
Informe: 1. Haga el análisis de los resultados obtenidos en esta práctica. Comente las modificaciones hechas a su circuito y las causas que las motivaron. Los resultado s obtenidos en nuestra práctica fueron los esperados tanto del contador asincrónico módulo 17 ascendente, como el diseño de los flip flops tipo D y T , flip-flop con compuertas nor y el flip-flop con compuertas nand activado con señal de reloj. Mediante la práctica realizada se puede decir que los circuitos implementados ayudan al entendimiento básico de algunas operaciones con los flip flop. Algunos de los circuitos realizados y presentados en la práctica, nos indicó cómo utilizar una señal de reloj para establecer un circuito sincrónico. El diseño del contador sirve para darnos cuenta de la verdadera utilización en una forma más práctica de los flip flops, por ende son llamados base de memorias, los mismos que acoplados unos con otros pueden resultar muy útiles como por ejemplo en el caso de la práctica, se podría comparar a un cronometro con el defecto de que solo llega al nivel de su módulo respectivo.
2. Investigue acerca de la utilidad de los flip flops en circuitos prácticos. Los flip flop son integrados muy utilizados especialmente en el área de la informática ya que estos son los principales componentes de las memorias. Por otro lado las principales aplicaciones son en los contadores tanto sincrónicos como asincrónicos, pero más en el caso de los sincrónicos ya que con estos podemos generar cualquier secuencia de conteo; y acoplando algún tipo de censor podemos hasta contar cosas en
cualquier proceso industrial. Pueden usarse como divisores de frecuencia de señales de tipo cuadrada, como se vio en la práctica. Otra aplicación, en el caso de los flip flop tipo D es en los registros de desplazamiento, lo cuales nos permiten controlar el ingreso y salida de una secuencia determinada de datos, o también hacer que un dato vaya desplazándose por varios flip flop, dando así la sensación de movimiento (por ejemplo una secuencia de luces o de letras cuando ya se trabaje con matrices de leds y con memorias).
Registro de desplazamiento
Podemos también las salidas de los diferentes flip flops de un arreglo para generar ondas cuadradas con períodos especiales, por ejemplo ondas que tengan estados en alto por un pulso de reloj y estados en bajo cada dos pulsos de reloj como se ve a continuación.
Contadores
Son sistemas de Flip Flops en cascada y relacionados con redes combinacionales de tal manera que cuentan, bajo un código binario cualquiera ya predeterminado (binario puro, BCD, Jhonson, etc., u otro inventado por uno que necesite) los pulsos que ingresan al clock del sistema. Así, si todos los relojes se conectan en paralelo o no, los contadores se denominan, respectivamente : — sincrónicos — asincrónicos En un contador sincrónico por ejemplo la cantidad M de pulsos a contar (incluyendo el correspondiente reposo) está relacionada con el número n de Flip Flops a utilizar mediante la fórmula 2n-1 < 2n
M
Divisores de Frecuencia
Pueden realizarse con contadores asincrónicos o sincrónicos. Asincrónico Un divisor de frecuencia asincrónico realizado con Flip-Flops -T que posee la propiedad de sacar un pulso por cada dos de entrada. Por ello la división final es sal =
ent *2n
Sincrónico Suponiendo que no se desea dividir por un número 2n sino por otro cualquiera, para ello nos valdremos del contador sincrónico. Cuando la cantidad de pulsos llega a la cantidad M se diseñará al último Flip -Flops de tal manera que cambie el estado detectando así con ello la división. Siguiendo los pasos de diseño de un contador cualquiera sincrónico se puede lograrlo. Supongamos que el dato sea dividir por 3, se adopt, por ejemplo Flip-Flops -JK y entonces, con el criterio anterior, se diseña de la siguiente manera M=3 2n-1 < n = 2 2n M
3. Explique porque se le considera al flip-flop como la unidad básica de memoria. El "Flip-flop" es el nombre común que se le da a los dispositivos de dos estados, que sirven como memoria básica para las operaciones de lógica secuencial. Los Flip-flops son ampliamente usados para el almacenamiento y transferencia de datos digitales y se usan normalmente en unidades llamadas "registros", para el almacenamiento de datos numéricos binarios. Las células elementales de memoria de los circuitos secuenciales son denominadas biestables o flip flops. Se caracterizan por ser capaces de adoptar dos estados estables, que se corresponden a los niveles lógicos “0” y “1”, que perdura n en el tiempo de un modo indefinido, aunque hay desaparecido la excitación que los originó. Es decir, son capaces de memorizar un bit de información. Por tal razón son considerados como la unidad básica de memoria
4. Consulte sobre los circuitos detectores de flanco para flip-flops Para implementar un circuito detector de flancos, es necesario hacer uso de una característica de los circuitos TTL. Toda compuerta, tiene un tiempo de propagación que es aproximadamente 10 ns (este tiempo puede variar según la tecnología de la compuerta). Con base en este concepto se puede obtener un flanco con el circuito de la siguiente figura.
Para el circuito anterior, en el instante de tiempo en que la entrada CLK, pasa de 0 a 1, la salida de la compuerta NOT se mantiene en 1 durante 10 ns, permitiendo que la salida de la compuerta AND tenga a sus entradas 1 lógico durante 10 ns, dejando en la salida F un 1 lógico durante 10 ns, el cual se llamara flanco de subida. En el momento en que la entrada CLK, pasa de 1 a 0, a la salida de la compuerta NOT se mantendrá un 0 lógico y antes de que pase a 1 lógico, la otra entrada de la compuerta AND será 0 lógico, por consiguiente no hará ningún efecto al pasar de 1 a 0 la entrada CLK. Entonces de esta forma se produce un flanco de subida. El símbolo de un circuito con reloj, puede ser con flanco de subida o flanco de bajada. En otra notación, el reloj se puede identificar con las letras CP (Clock Pulse).
5. Comente la siguiente afirmación: “Los Flip-Flop son la base de las memorias”. El flip flop es un elemento capaz de almacenar información, se dice esto porque al poner un uno (set) o poner un cero (reset) este dato un orden en el biestable que permanecerá en el tiempo cuanto tiempo lo requiera el usuario, es decir siempre que la señal de reloj no habilite el cambio y siempre que no se altere voluntariamente el estado del flip flop; por esto es que se les llama biestables ya que poseen dos estados estables y pueden permanecer en cualquiera de ellos por un tiempo indefinido. Así, mediante arreglos de flip flops se crean las memorias, especialmente las de tipo RAM en los computadores. Los flip-flops poseen un pequeño limitante, ya que para que el flip flop pueda mantener la información almacenada debe estar alimentado con energía, de lo contrario la información que contenga se borrará.
6. Utilizando flip-flops tipo J-K, diseñe un controlador sincrónico módulo 9, con control ascendentedescendente y control de arranque y detención. Presente su diseño simulado en un papel computacional. 1 U3:A
U6:A 1
U5:C 2
9
3 8
4
J
2
10
74LS04
1 2
1
5
16
4
U4:A
U4:B
74LS08
74LS08
3
K
Q
2 1
9
U4:D
74LS08
74LS08
J
6
74LS32
U4:C
14
U1:B
S
Q
R
Q
K
U3:C
1 1
10
74LS76
U2:A
2
9 8
?
11
CLK
12
8
8
?
74LS76
7
6 5 9
R
15
U3:B
6
3 1
Q
3
4
0 1
S
CLK
74LS32 74LS08
0
U1:A
2
1
4
J
10 1
S
Q
R
Q
15
?
CLK
74LS32 16
K
3
14
74LS76
1 1 2
U5:D
1
74LS08
5
4
U5:A
U5:B
74LS08
74LS08
U3:D 11
9
13 6 74LS32
R1
2 1
3 1
12 3
6
5.6k
J
S
Q
R
Q
U7:A 2 1 74LS00
11
CLK K
8
3
U2:B
7
12
10
74LS76
?
7. CONCLUSIONES Stalin Pinos: Los circuitos biestables, también llamados flip-flops, son interruptores binarios, que fueron construidos a partir de las compuertas elementales. Los flip-flops son dispositivos electrónicos con sólo dos posibles valores de voltaje a la salida y que pueden saltar de un estado al otro mediante una señal externa, en electrónica digital los voltajes de salida se los toma como cero o uno lógicos. Los flip- flops sincronizados por reloj tienen una entrada de reloj (CLK, CP, CK) que se dispara por el borde, lo que significa que dispara el flip flop en una transición con pendiente positiva (TPP), o en una transición con pendiente negativa (TPN). Los contadores en general pueden usarse como divisores de frecuencia, la frecuencia de salida será igual a la frecuencia del reloj de entrada dividida sobre el módulo del contador.
Miguel Núñez: A partir de las compuertas elementales se pueden construir circuitos lógicos más complicados, como son los circuitos biestables, también llamados flip-flops, que son interruptores binarios. Los biestables son dispositivos electrónicos con sólo dos posibles valores de voltaje, en electrónica digital los voltajes de salida se los toma como cero o uno lógicos. Los flip-flops son las bases para las memorias, y se los utiliza en computadores con los microprocesadores que permiten realizar diferentes funciones lógicas, dependiendo de las instrucciones de programación almacenadas.
Alex Quilachamin: Básicamente Los flip – flops son dispositivos muy útiles y fáciles de construir ya que con solo dos compuertas NAND o NOR se puede construir un flip – flop básico. Su utilidad es muy amplia como se vio en el laboratorio, contadores, dispositivos retenedores de información, divisores de frecuencia, etc., Para el diseño que se implementó en el laboratorio se pudo observar que es un circuito secuencial sincrónico, ya que requerimos de flip flops y de compuertas lógicas combinacionales para poder realizar el mismo. El proceso de diseño de este circuito fue muy sencillo siguiendo un orden establecido, tomando en cuenta que lo más importante es saber obtener el diagrama de estados del circuito a diseñar, ya que los pasos siguientes dependen totalmente de dicho diagrama .
Alexis Taco: Los circuitos combinacioales son aquellos cuyas salidas dependen tanto del valor presente de las entradas como de su estado anterior. en el caso de este curso serán conocidos como flip-flops ya que cuentan con un estado anterior y un estado siguiente. Se vio, con claridad el uso de los flip-flops JK para diseño de contadores de cierto módulo se tiene que tener en cuenta que para cada bit que se necesite contar se necesitará una salida distinta. Se diseñó circuitos secuenciales a partir de las compuertas vistas anteriormente, como son la NOR, y NAND.
8. RECOMENDACIONES Al utilizar la señal de reloj verificar que esta cumpla con el tiempo establecido para no tener problemas en el futuro. Tener en cuenta la disposición interna de las compuertas en un circuito integrado, al momento de hacer su conexión con el sistema. Para el diseño de contadores es necesario conocer la tabla de comportamiento y de excitación de cada uno de los Flip Flops.
Tomar en cuenta si el flip-flop que es usa en cátodo o ánodo común, para así no dañar dicho flipflop
9. BIBLIOGRAFÍA
Novillo Carlos. SISTEMAS DIGITALES, 2009 http://lc.fie.umich.mx/~jrincon/elec3-cap7.pdf http://www.tdigitales.com.ar/bajar/Biestables_FlipFlop.pdf TEXAS INSTRUMENTS, “Manual TTL” SISTEMAS DIGITALES, Alfonso Espinoza, EPN, 2004, Cap. Algebra de Boole