Introducción circuitosdigitales
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Este documento introduce conceptos básicos de sistemas digitales como la digitalización de señales analógicas, circuitos digitales que funcionan con solo dos niveles de voltaje, puertas lógicas como AND, OR y NOT, circuitos secuenciales que incluyen flip-flops como elemento de memoria y tipos de flip-flops como el D y el JK.
![Introducción
Digitalización: Conceptos previos
DOS CONCEPTOS IMPORTANTES:
1.- Los bits necesarios para digitalizar la
señal
T [ºC]
2.-Periodo de muestreo
100 ºC
11
1 1
1 11
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1 100 El número de bits (n) utilizados
0 nos define el error:
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1 bit 2 bits 3 bits
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8 números
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Introducción circuitosdigitales
- 1. Tema: Circuitos Digitales Introducción Dr. Miguel Angel Del Valle Diego. Universidad Madero. 2012. *
- 2. Introducción Sistema Analógico Variable analógica ∈ ℜ (infinitos valores) *
- 3. Introducción Sistema Digital Variable digital toma un número finito de valores *
- 4. Introducción Sistemas analógicos y sistemas digitales 1 abierto Interface 0 cerrado 1 arrancado Interface 0 parado MOTOR 1 alarma PROCESADO Interface 0 correcto DIGITAL solo dos estados T SENSOR binario 1y0 Digitalizar MIC Conversor A/D Interface Reproducir Bocina Interface Conversor D/A *
- 5. Introducción Digitalización: Conceptos previos DOS CONCEPTOS IMPORTANTES: 1.- Los bits necesarios para digitalizar la señal T [ºC] 2.-Periodo de muestreo 100 ºC 11 1 1 1 11 1 0 10 1 1 100 El número de bits (n) utilizados 0 nos define el error: 01 0 1 1 010 50 0 001 40 00 000 error (%) 30 0 ºC 20 1 bit 2 bits 3 bits 2 números 4 números 1 8 números 50% 25% 00 12,25 % 2 4 6 8 1 1 n 0 2 50 ºC 25 ºC 12,25 ºC *
- 6. Introducción • Los circuitos digitales y computadoras digitales funcionan con señales de voltajes. • Solo pueden ser de dos tipos: • 5V, nivel lógico 1, rango de +2 a +5 (HIGH) • 0V, nivel lógico 0, rango de 0 a +0.8 (LOW) • Estos niveles pertenecen a la familia TTL “Transistor-Transistor Logic”. • Las señales de voltaje pueden representar código binario (por ejemplo: BCD (Decimal codificado en binario), , ASCII (Código Estadounidense Estándar para el Intercambio de Información), señales de control u otros. *
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- 8. Álgebra de Boole: Operaciones y Teoremas Concepto básico: Variable booleana: Solo puede tomar dos valores (0 ó 1) Operaciones básicas (Definición exhaustiva): Negación Complemento Adición booleana: 0+0=0 0+1=1 1+1=1 1+0=1 Multiplicación booleana: 0·0=0 0·1=0 1·1=1 1·0=0 *
- 9. Propiedades de la suma Conmutativa: A+B = B+A Asociativa: A+(B+C) = (A+B) + C = A+B+C Elemento Neutro: A+0=0+A=A Propiedades del producto Conmutativa: A∙B = B∙A Asociativa: A∙ (B∙C) = (A∙B) ∙C = A∙B∙C Elemento Neutro: A∙1 = 1∙A = A *
- 10. Puertas Lógicas • Las puertas (gates) lógicas son circuitos digitales que tienen dos o mas entradas y produce una sola salida con un nivel lógico que depende del nivel de las entradas. • Las puertas lógicas son: • Puerta AND: la salida será 1 si todas sus entradas son 1. Expresión matemática X=AB. • Puerta OR: la salida será 1 si por lo menos una entrada es 1. Expresión matemática X=A+B. • Puerta NOT: no es una puerta verdadera ya que solo tiene una entrada. La salida es invertida a la entrada. Expresión matemática X=Ā. *
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- 13. Puertas Lógicas • Puerta NAND: combinación de AND y NOT. La salida es 0 cuando todas las entradas son 1 y la salida es 1 en las demás. • Puerta NOR: combinación de OR y NOT. La salida es 0 cuando por lo menos una entrada es 1 y la salida es 1 en las demás. • Puerta EX-OR: produce una salida de 1 cuando las dos estradas son diferentes. Siempre tiene dos entradas. • Puerta EX-NOR: produce una salida de 1 cuando las dos entradas son iguales. Siempre tiene dos entradas. *
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- 16. Circuitos secuenciales • Un circuito secuencial es una interconexión de flip-flops y compuertas. Las compuertas por si mismas constituyen un circuito combinatorio, pero cuando se incluyen junto con los flips-flops, el circuito completo se clasifica como un circuito secuencial. *
- 17. Diagrama de un circuito secuencial Entradas Circuito Salidas combinatorio Flip-Flops Reloj *
- 18. Circuito Secuencial • Un circuito secuencial se especifica por una secuencia de tiempos de las entradas externas, salidas externas y estados binarios de los flip-flops internos. • Para poder describir esto se usan los siguientes conceptos: • Ecuaciones de entrada de los flip-flops • Tabla de estados • Diagrama de estados *
- 19. Tipos de circuitos secuenciales • Existen dos tipos de circuitos secuenciales. • Sincrónicos: Son sistemas cuyo comportamiento puede definirse a partir del conocimiento de sus señales en instantes discretos de tiempo. • Asincrónicos: Depende del orden que cambien las señales de entrada y pueda ser afectadas en un instante dado de tiempo. *
- 20. Sistemas Sincrónicos (Síncronos o con clock) • Son sistemas que actúan bajo un control de tiempo, este control se denomina reloj (clock). • Clock: es una señal que se alterna entre los valores lógicos 0 y 1 en un periodo regular. T Fig. 1: Señales de Clock *
- 21. El Clock • El Periodo (T): es el tamaño en tiempo de un ciclo. • La Frecuencia (f): es el inverso del periodo, 1/T y está dada en Hertz (Hz). • Ejemplo: • Una señal con frecuencia de 200 MHz, corresponde a una señal que tenga un periodo de 5 ns. • En la mayoría de los sistemas sincrónicos, los cambios ocurren en las transiciones donde la señal cambia de 0 a 1 ó de 1 a 0. *
- 22. Diagrama conceptual de un sistema secuencial Clock q1 x1 Z1 . . . . . Memoria . . qm . . . . . xn Zk Lógica Combinatoria *
- 23. Comentarios sobre el diagrama • Tiene n entradas, (x’s) • El clock se comporta como una entrada más. • Tiene k salidas (z’s) • Tiene m dispositivos de almacenamiento binario (q’s) • Cada dispositivo podrá tener una o dos señales de entrada • Muchos sistemas tiene solo una entrada y una salida, pero hay varios ejemplos con varias entradas e incluso algunos sistemas que no tienen entradas a no ser el clock. • Memoria: Flip-Flop’s. *
- 24. El Flip-Flop También llamado biestable, es un multivibrador capaz de permanecer en uno de dos estados posibles durante un tiempo indefinido en ausencia de perturbaciones. Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica digital para memorizar información. *
- 25. El Flip Flop • El Flip Flop es un dispositivo de almacenamiento binario con clock. • Bajo operaciones normales este dispositivo almacenará un 1 ó un 0 y sólo cambiarán estos valores en el momento que ocurra una transición del clock. • Las transiciones que pueden producir cambios en el sistema pueden ser cuando el clock va de 0 a 1, disparo por rampa de subida (leadign-edge triggered), o cuando el clock va de 1 a 0, disparo por rampa de bajada (trailing-edge triggered). *
- 26. Rampas de subida y de bajada Clock 1 Rampa de subida Rampa de bajada 0 *
- 27. Flip Flop tipo D. Existen varios tipos de Flip Flops, por ejemplo, el D, el Flip Flop tipo D es el más usado y es encontrado comúnmente en dispositivos lógicos programables. • Otros, T y SR. *
- 28. Flip Flop tipo D. • Es el más sencillo en su operación. • El nombre proviene de Delay (retardo), ya que su salida es un reflejo de lo que hay en la entrada con un retardo de un ciclo de clock. q q D D q’ q’ Clock Clock D con rampa de bajada D con rampa de subida Estado Presente símbolo q y el Estado * Siguiente símbolo q’.
- 29. Flip Flop D, tabla de comportamiento. D q q’ D q’ 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 *
- 30. Flip Flops con “Clear” y “Preset” • Cualquier tipo de Flip Flop podrá contar con estas entradas asincrónicas, en el caso de Flip Flops tipo D tenemos: PRE’ CLR’ D q q’ 0 1 X X 1 Constante 1 0 X X 0 inmediata PRE q D 0 0 X X - Invalido 1 1 0 0 0 Clock q’ 1 1 0 1 0 Normal CLR 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 *
- 31. Flip Flop tipo T (Toggle) • Tiene una entrada T, de tal forma que si T = 1, el Flip Flop cambia el valor del estado actual y si T = 0, el estado permanece sin cambios. • Tablas de Comportamiento T q q’ T q’ 0 0 0 0 q 0 1 1 1 q’ 1 0 1 1 1 0 *
- 32. Flip Flop tipo JK • Es una combinación del SR y del T, siendo así, su comportamiento es como el SR, con excepción cuando sus entradas J = K = 1 provoca que el Flip Flop cambie de estado, como si fuera un Flip Flop T. • Tablas de comportamiento: J K q q’ J K q’ 0 0 0 0 0 0 q 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 q’ 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 *