Bi Estables

1. Que es un Flip Flop, describa su operación utilizando compuertas NAND y NOR. FLIP-FLOP o Biestables Conocidos como biestables (flip-flop en inglés), es aquella disposición circuital capaz de permanecer en un estado determinado o en el contrario durante un tiempo indefinido. Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica digital para memorizar información. En el cuadro que viene a continuación se muestra una clasificación de los biestables que serán descritos más adelante.

A la izquierda tenemos el esquema básico de un biestable con transistores. Al aplicar alimentación, uno de los dos semiconductores entrará antes en conducción. Suponiendo que sea Q2, su tensión de colector Vo2 disminuirá, por lo que la base de Q1 también disminuirá. Esto lleva a un proceso muy rápido que terminará con Q2 en saturación y Q1 en corte, con lo que Vo1 tendrá un valor próximo a +Vcc y Vo2 lo tendrá Figura 1: Flip Flop Análogo próximo a 0 V. Si en estas circunstancias, se aplica un impulso positivo en V1 de amplitud suficiente, se transfiere a la base de Q1 por lo que éste comenzará a conducir y Vo1 disminuirá, repitiéndose el proceso anterior en sentido contrario. Un impulso negativo en V2 hubiera provocado el mismo efecto. Bistables Digitales

Figura 2: Símbolo lógico de un flip-flop SR

Este tipo de flip-flop tiene dos entradas R (reset) y S (set), se encuentran a la izquierda del símbolo. Este flip-flop tiene activas las entradas en el nivel BAJO, lo cual se indica por los circulitos de las entradas R y S. Los flip-flop tienen dos

salidas complementarias, que se denominan Q y 1, la salida Q es la salida normal y 1 = 0. El flip-flop RS se puede construir a partir de puertas lógicas. Operación con compuertas NAND Puede realizarse su implementación integrando compuertas discretas aprovechando las propiedades inherentes que poseen dichos dispositivos. De la misma forma podemos utilizar la realimentación para dicho propósito. La primera configuración que se puede estudiar es la que utiliza la realimentación de las compuertas NAND de la siguiente manera:

Figura 3: Circuito equivalente de un flip-flop SR

Tabla de verdad correspondiente:

Observar la realimentación característica de una puerta NAND a la entrada de la otra. En la tabla de la verdad se define la operación del flip-flop. Primero encontramos el estado "prohibido" en donde ambas salidas están a 1, o nivel ALTO. Luego encontramos la condición "set" del flip-flop. Aquí un nivel BAJO, o cero lógico, activa la entrada de set(S). Esta pone la salida normal Q al nivel alto, o 1. Seguidamente encontramos la condición "reset". El nivel BAJO, o 0, activa la entrada de reset, borrando (o poniendo en reset) la salida normal Q. La cuarta línea muestra la condición de "inhabilitación" o "mantenimiento", del flip-flop RS. Las salidas permanecen como estaban antes de que existiese esta condición, es decir, no hay cambio en las salidas de sus estados anteriores. Indicar la salida de set, significa poner la salida Q a 1, de igual forma, la condición reset pone la salida Q a 0. La salida complementaria nos muestra lo opuesto. Estos flip-flop se pueden conseguir a través de circuitos integrados.

Operación con compuertas NOR El diagrama de un FF con puertas NOR junto con su símbolo lógico, se muestran en la figura 3. Los terminales de control de las puertas también se denominan R y S (RESET y SET). Si S=R=0, las puertas NOR se habilitan y con respecto a la otra entrada cada puerta se comporta como un inversor. Entonces, con S=R=0 el cerrojo puede adoptar uno de sus dos estados posibles, que dependerá de su estado anterior. Así, cuando S=R=0, los terminales de entrada R y S no influyen en el estado del FF.

Figura 4: Circuito equivalente de un FF con compuertas NOR

Supongamos ahora que el terminal de entrada R es igual a 1; entonces la puerta atacada por R queda inhabilitada y Q tomará el valor 0, mientras que Q'=1 Es decir, cuando R=1 se ha puesto en RESET el FF. Si éste hubiera estado originalmente en RESET, con R=1 no se produciría cambio de estado; sin embargo, si el estado hubiese sido el de SET, al hacer R=1 se habría originado un cambio de estado del SET al RESET. Con S=R=0 es posible cualquier estado. Si R cambia a 1, permanentemente o temporalmente, el cerrojo pasará al estado de RESET. De forma similar, partiendo de S =R=0, si S cambiase a 1, permanentemente o temporalmente, el cerrojo iría al estado de SET o permanecería en ese estado si previamente estaba en él. 2. Describir el funcionamiento de los siguientes Flip Flop . 1. FF SR El flip-flop RS es un dispositivo asíncrono. No opera en conjunción con un reloj o dispositivo de temporización. El flip-flop RS síncrono opera en conjunción con un reloj, en otras palabras opera sincronizadamente. Su símbolo lógico se muestra a continuación. Es igual a un flip-flop RS añadiéndole una entrada de reloj.

Figura 5: Diagrama de Bloques FF Sicrónico

El flip-flop RS síncrono puede implementarse con puertas NAND. En las siguientes ilustraciones vemos primero como se añaden dos puertas NAND al flip-flop RS para construir un flip-flop RS síncrono. Las puertas NAND 3 y 4 añaden la característica de sincronismo al cerrojo RS. La tabla de la verdad nos muestra la operación del flip-flop RS síncrono. El modo de mantenimiento se describe en la primera línea de la tabla de la verdad. Cuando un pulso de reloj llega a la entrada CLK (con 0 en las entradas R y S), las salidas no cambian, permanecen igual que antes de la llegada del pulso de reloj. Este modo también puede llamarse de "inhabilitación" del FF. La línea 2 es el modo de reset. La salida normal Q se borrará cuando un nivel ALTO active la entrada R y un pulso de reloj active la entrada de reloj CLK. Si R=1 y S=0, el FF no se pone a 0 inmediatamente, esperará hasta que el pulso del reloj pase del nivel BAJO al ALTO, y entonces se pone a 0. La línea 3 de la tabla describe el modo set del flip-flop. Un nivel ALTO activa la entrada S (con R=0 y un pulso de reloj en el nivel ALTO), poniendo la salida Q a 1. La línea 4 de la tabla de verdad es una combinación "prohibida" todas las entradas están en 1, no se utiliza porque activa ambas salidas en el nivel ALTO.

Figura 6: Circuito eléctrico equivalente de un flip-flop SR síncrono

Las formas de ondas, o diagramas de tiempo, se emplean mucho y son bastante útiles para trabajar con flip-flop y circuitos lógicos secuenciales. A continuación mostraremos un diagrama de tiempo del flip-flop RS síncrono. Las 3 líneas superiores representan las señales binarias de reloj, set y reset. Una sola salida Q se muestra en la parte inferior. Comenzando por la izquierda, llega el pulso de reloj 1, pero no tiene efecto en Q porque las entradas R y S están en el modo de mantenimiento, por tanto, la salida Q permanece a 0. En el punto a del diagrama del tiempo, la entrada de set se activa en el nivel ALTO. Después de cierto tiempo en el punto b, la salida se pone a 1. Mirar que el flip-flop ha esperado a que el pulso 2 pase del nivel BAJO a ALTO antes de activar la salida Q a 1. El pulso está presente cuando las

entradas R y S están en modo de mantenimiento, y por lo tanto la salida no cambia. En el punto C la entrada de reset se activa con un nivel ALTO. Un instante posterior en el punto de la salida Q se borra ó se pone a 0, lo cual ocurre durante la transición del nivel BAJO a ALTO del pulso del reloj. En el punto e está activada la entrada de set, por ello se pone a 1 la salida Q en el punto f del diagrama de tiempos. La entrada S se desactiva y la R se activa antes del pulso 6, lo cual hace que la salida Q vaya al nivel BAJO o a la condición de reset. El pulso 7 muestra que la salida Q sigue a las entradas R Y S todo el tiempo que el reloj está en ALTA. En el punto g del diagrama de tiempos, la entrada de set (S) va a nivel ALTO y la salida Q alcanza también el nivel ALTO. Después la entrada S va a nivel BAJO. A continuación en el punto h, la entrada de reset (R) se activa por un nivel ALTO. Eso hace que la salida Q vaya al estado de reset, o nivel BAJO. La entrada R entonces vuelve al nivel BAJO, y finalmente el pulso de reloj finaliza con la transición del nivel ALTO al BAJO. Durante el pulso de reloj 7, la salida estuvo en el nivel ALTO y después en el BAJO. Observar que entre los pulsos 5 y 6 ambas entradas R y S están a 1. La condición de ambas entradas R y S en el nivel ALTO, normalmente, se considera un estado prohibido para el flip-flop. En este caso es aceptable que R y S estén en el nivel ALTO, porque el pulso de reloj está en el nivel BAJO y el flip-flop no está activado.

Figura 7: Diagrama de pulsos

2. Biestable o FlipFlop – JK Existen dos tipos de biestables JK síncronos, el disparado por flancos (Edge Triggered, JK ET), en el que los cambios se producen en los flancos de subida o de bajada en la entrada de sincronismo, y el maestro-esclavo (Master-Slave, JK M-S), en el que el los valores de J y K se almacenan en el biestable maestro en un estado de la señal de sincronismo y se pasan al biestable esclavo en otro. Para ver su diferencia de funcionamiento, a continuación se muestra un cronograma ejemplo junto con los símbolos normalizados de un JK E-T disparado por flancos de subida y un JK M-S con carga en el nivel bajo y disparo por flanco de bajada.

Figura8: Señales Flip Flop JK

De los dos flancos del impulso de reloj, solamente uno de ellos es activo tanto para la lectura de las entradas como para la transición de las salidas. Las entradas deben mantenerse estables durante el instante que se produce el flanco activo del reloj, produciéndose la transición con un cierto tiempo de retardo respecto a este mismo flanco.

3. FF – D Existen dos tipos de biestables D, el activado por nivel, que recibe el nombre de cerrojo (Latch) y el activado por flanco. El tipo Latch posee una entrada de señal (D), una entrada de control (E, enable), una salida de señal (Q) y opcionalmente, una salida complementaria (Q). Cuando la entrada de control se activa, la salida tiene el mismo valor que posea D, pero en el instante en el que dicha señal se desactiva, la salida mantiene o memoriza el valor que tenía en dicho instante. En la siguiente figura se muestra la tabla de verdad, su símbolo y un cronograma ejemplo para un Latch cuya entrada de control se activa por alto.

Figura 10: Símbolo lógico de un flip-flop D

Figura 10: Tabla de verdad, señales Flip Flop D activado por nivel.

El biestable tipo D activado por flanco (D-type edge triggered flip flop) se diferencia del anterior en que la salida permanece aislada de la entrada durante todo el tiempo excepto en los flancos (de subida o de bajada) de la señal de reloj, que es el que ejerce la función de control de modo similar a la entrada E del biestable D Latch. En la siguiente figura se muestra un biestable de este tipo activado por flanco de bajada con entradas síncronas junto a un cronograma.

Figura 11: Biestable D por flanco, Diagrama de Bloques y señal relacionada

3. Describa la operación de los Flip Flop en una transferencia serial y en una paralelo. Transferencia serial: Se dice que un sistema digital opera en forma serial cuando la informacion se transfiere y se manipula un bit a la vez. El contenido de un registro se transfiere a otro corriendo los bits de un registro a otro. La informacion se transfiere un bit a la vez corriendo los bits de fuera del registro fuente del destino. Los registros con corrimiento pueden usarse para convertir datos seriales en datos en paralelo y visceversa. Si se tiene acceso a todas las salidas flip-flop de un registro con corrimiento, entonces la informacion que se introduce de manera serial por corrimiento puede tomarse en salida en paralelo mediante las salidas de los flip-flop. Si se agrega la capacidad de carga en paralelo a un registro con corriemiento, entonces la informacion que se introduce en paralelo puede tomarse en salida en forma serial corriendo la informacion almacenada en el registro. Un registro de desplazamiento es un circuito digital consistente en una serie de biestables, generalmente de tipo D, conectados en cascada

Figura 12: Biestable D por flanco, Diagrama de Bloques y señal rela

que basculan de forma síncrona con la misma señal de reloj. Según la conexión de las distintas báscula, se tiene un desplazamiento a la izquierda o a la

derecha

Figura 13: Símbolo de registro de desplazamiento de 4 bits

de la información almacenada, bits, en las básculas. Es de señalar que un desplazamiento a la izquierda de un conjunto de bits, multiplica por 2, mientras que uno a la derecha, divide entre 2. Existen registros de desplazamiento bidireccionales, que pueden funcionar en ambos sentidos. Los registros universales, además de bidireccionales permiten la carga en paralelo. Tipos de registros de desplazamiento Dependiendo del tipo de entradas y salidas, los registros de desplazamiento se clasifican como: •

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Serie-Serie: sólo la entrada del primer flip-flop y la salida del último son accesibles externamente. Se emplean como líneas de retardo digitales y en tareas de sincronización. Paralelo-Serie: son accesibles las entradas de todos los flip-flops, pero sólo la salida del último. Normalmente también existe una entrada serie, que sólo altera el contenido del primer flip-flop, pudiendo funcionar como los el grupo anterior. Serie-Paralelo: son accesibles las salidas de todos los flip-flops, pero sólo la entrada del primero. Este tipo y el anterior se emplean para convertir datos serie en paralelo y viceversa, por ejemplo para conexiones serie como el RS232. Paralelo-Paralelo: tanto las entradas como las salidas son accesibles. Se usan para cálculos aritméticos.

BIBLIOGRAFIA • • • •

TOCCI, Ronald J., Sistemas digitales. Principios y aplicaciones, Pearson, México, 1996. C. J. Savant Jr. - Martin S. Roden - Gordon L. Carpenter : California State University (Addison Wesley) , 2001. Wikipedia, http://es.wikipedia.org/wiki/Registro_de_desplazamiento, ultima modificación 00:53, 19 ago 2008.