Análisis y diseño con registros
En esta unidad aprenderás a: ●
Analizar los registros de almacenamiento,, también almacenamiento llamados latches.
●
Conocer el circuito integrado 7475.
●
Analizar los registros de desplazamiento, también llamados shifters.
●
Conocer los circuitos integrados 7491 y 7494 que contienen registros de desplazamiento de entrada serie/salida serie y entrada paralelo/salida serie, respectivamente.
●
Conocer el circuito integrado 7495 que contiene un registro de desplazamiento de entrada paralelo/salida paralelo.
07
7. Análisis y diseño con registros Introducción
Introducción Al igual que los contadores, los registros están implementados con biestables. En esta unidad analizaremos los registros realizados con biestables comerciales como elemento básico para la realización de esta función, así como algunos de los registros comerciales integrados en la escala media de integración (MSI) dentro de la familia de tecnología TTL. Los registros son bloques funcionales destinados a almacenar o registrar información binaria durante un cierto tiempo, generalmente, dentro de un proceso global de tratamiento de dicha información. Así como un biestable puede almacenar un bit, un con junto de n biestables constituyen un registro de n bits. Un registro es, por tanto, un circuito de memoria temporal, capaz de almacenar un único dato de n bits, siendo n el número de biestables que utiliza el registro. Los registros, en función de su capacidad o incapacidad para realizar internamente el desplazamiento de la información almacenada en ellos, se clasifican en: • Reg Regist istro ross de alm almace acenam namien iento to ( latch latch registers) registers). • Reg Regist istro ross de de despl splazam azamien iento to ( shift registers) registers). Los registro registross de almacenamiento están formados por un conjunto de biestables (normalmente tipo D) aislados entre sí, con una señal de reloj común a todos ellos, de forma que en todos se cargan simultáneamente los datos presentes en sus entradas, siendo accesibles en cada momento sus entradas y salidas. Si los registros de almacenamiento se activan por nivel, también reciben el nombre de latch (cerrojo). Las formas en que se hace llegar la información al registro, y de extraerla posteriormente del mismo, dan lugar a distintos tipos de registros. Los datos pueden ser transferidos al registro en forma serie o paralelo. De la misma manera, podemos transferir la información de un registro al exterior.. En el formato serie se dispondrá de una sola rior línea y los bits irán apareciendo uno tras otro, normalmente sincronizados con una señal de reloj. En el segundo caso habrá tantos conductores c onductores como bits tenga la señal binaria a registrar (bus de conductores). Cuando, además de la función de memoria, se requiere dentro de un registro el poder desplazar
bits de un biestable a otro, se generan los registros de desplazamiento. Un registro de desplazamiento consta esencialmente de una cadena de biestables conectados en cascada, siendo la salida de uno la entrada del siguiente. Para Para convertir el circuito en síncrono, se conecta una señal de reloj a todos los biestables para que éstos transfieran al mismo tiempo su contenido. Se puede utilizar para la implementación de estos registros cualquiera de los biestables que se han estudiado estudiad o en la Unidad 5, pero normalmente se utilizarán biestables del tipo J-K tipo J-K , R-S R-S yy D, que pueden disponer de entradas asíncronas de Preset Preset y/o y/o Clear . Por tanto, podemos encontrar registros que por la forma de recibir y de transmitir la información pueden pertenecer a uno de los tip os mostrados en el siguiente cuadro:
Tipos de registros
{
Registros de almacenamiento Registros de desplazamiento
flanco { Por Por latch
{
Entrada serie/salida serie Entrada paralelo/salida serie Entrada paralelo/salida paralelo Entrada serie/salida paralelo
Tipos de registros por la forma de recibir y transmitir la información.
Una forma de representar la información que contiec ontienen los registros es la que se muestra en la Figura 7.1, en la que se representa la información de cada biestable que compone el registro regi stro por un cuadro, de forma que todos los cuadros unidos forman una tabla de n bits con la información que contiene el registro. En la Figura 7.1 se representa un registro de 8 bits, donde cada biestable se ha numerado de 0 a 7, para indicar su peso de menor a mayor valor. La forma en que fluyen los datos, es decir, si éstos entran y salen, se esquematiza mediante el empleo de flechas que indican el sentido de movimiento de datos. 0
1
0
1
1
0
1
1
7
6
5
4
3
2
1
0
Figura 7.1. Representación del contenido de un registro de 8 bits.
183
7. Análisis y diseño con registros 7.1 Análisis de registros de almacenamiento
Así, por ejemplo, si se trata de un registro de entrada serie/salida serie, la representación es la que se muestra en la Figura 7.2, en la que podemos interpretar fácilmente el sentido en el que fluyen los datos de información del registro (de izquierda a derecha), ya que entran por la izquierda y se desplazan y salen hacia la derecha.
Entrada
0
1
0
1
1
0
1
1
7
6
5
4
3
2
1
0
Salida
Figura 7.2. Representación de un registro entrada serie/salida serie.
7.1 Análisis de registros de almacenamiento Actividades propuestas 1
Registros de almacenamiento. Latch. • Con dos circuitos integrados TTL del tipo 7474, monta un registro de almacenamiento de 4 bits como el que se muestra en la Figura 7.3. • Conecta las salidas de los biestables Q A , QB , QC y QD a los diodos LED del equipo didáctico para visualizar y medir los valores que toman en cada momento las salidas del circuito. • Alimenta el circuito y mide el valor que toman en ese instante las salidas, anotando los resultados en la Tabla 7.1. • Utilizando los conmutadores lógicos del equipo didáctico de electrónica digital sobre el que se está montando el circuito, introduce por las entradas A, B, C y D los datos 1, 0, 1, 0, respectivamente. • Mediante el empleo del pulsador con circuito antirrebotes, genera un flanco de subida por la entrada de reloj y posteriormente uno de bajada. Mide los valores que toman las salidas y anota los resulta dos en la Tabla 7.1.
Actuación
A
B
C
D
Alimentación ↓ CLK CLK ↓ Clear ↓ CLK CLK ↓ Clear
1 1 1 1 1 1
0 0 0 1 1 1
1 1 1 0 0 0
0 0 0 0 0 0
Tabla 7.1. Resultados de la Actividad 1.
184
• Activa el pulsador de Clear durante un instante. Mide y anota el valor que toman las salidas de los biestables en la Tabla 7.1. • Introduce ahora los datos 1, 1, 0, 0 por la entrada de los biestables A, B, C y D. Genera un flanco de subida por la señal de reloj y uno de bajada, posteriormente. Mide el valor que toman las salidas de circuito y anota el resultado en la Tabla 7.1. • Activa nuevamente la entrada de Clear . • Completa el cronograma de la Figura 7.4. • Contesta a las siguientes preguntas:
Q A
QB
QC
QD
a) ¿Cuál es el modo de sincronismo del registro de la Figura 7.3? b) ¿Cuál es la capacidad de almacenamiento del registro? c) ¿Qué tipo de registro es? d) ¿En qué momento se transfiere la información al registro?
2
Registros de almacenamiento. Latch integrado. En la Figura 7.5 se muestra el diagrama de conexión del latch de 4 bits 7475 fabricado en tecnología TTL. • Conecta las salidas de los biestables 1Q, 2Q, 3Q y 4Q a los diodos LED del e quipo didáctico, para visualizar y medir los valores que toman en cada momento las salidas del circuito. • Emplea los conmutadores lógicos del equipo didáctico para introducir, por las entradas 1D, 2D, 3D y 4D, los valores 1, 0, 1, 0, respectivamente. (continúa)
7. Análisis y diseño con registros 7.1 Análisis de registros de almacenamiento
Actividades propuestas (continuación) Salidas de datos Entradas de datos Q A
Q B
Q C
Q D VCC
A
B
4 2
CLK
3
D
PR
IC1A Q
5
1
10 12 11
CLK CL
C
Q
D
PR
7474
IC1B Q
CL
9
2 3
13
Q
IC2A
4
CLK
6
D
D
PR
5
CL 1
12 11
CLK
8
7474
Q
10
Q
D
PR
Q
9
R 1 10 kΩ
CLK
6
7474
IC2B
CL 13
Q
8
7474 + C 1
1 μF
S
Clear
Figura 7.3. Registro de almacenamiento con biestables D.
• Utiliza el pulsador con circuito antirrebotes para generar un flanco de subida por las entradas de reloj 1C , 2C (pin 13) y después uno de bajada. Genera, A
B C D Clear CLK Q A Q B Q C Q D
t t t t t t t t t t
Figura 7.4. Cronograma de funcionamiento del circuito de la Figura 7.3.
seguidamente, un flanco de subida por las entradas de reloj 3C , 4C (pin 4) y uno de bajada. Mide los valores que toman las salidas y anota los resultados en la Tabla 7.2. • Pon a nivel alto las entradas 1C , 2C (pin 13) y 3C , 4C (pin 3). Cambia ahora los datos de las entradas 1D, 2D, 3D y 4D por 1, 1, 1, 1, respectivamente. A continuación, pon a nivel bajo las entradas de reloj y vuelve a cambiar los datos de entrada por 0, 0, 1, 1. Mide los valores que toman las salidas y anota los resultados en la Tabla 7.2. • Une las patillas 4 y 13, correspondientes a las entradas de reloj, que ahora serán una sola. Introduce por la entrada de los biestables 1D, 2D, 3D y 4D los datos 1, 1, 0, 0. Genera un flanco de subida por la señal de reloj y después uno de bajada. Mide el valor que toman las salidas de circuito y anota el resultado en la Tabla 7.2. • Pon a nivel alto las entradas de reloj y cambia ahora los datos de entrada 1D, 2D, 3D y 4D por 0, 1, 0, 1, respectivamente. Después, pon a nivel (continúa)
185
7. Análisis y diseño con registros 7.1 Análisis de registros de almacenamiento
Actividades propuestas 3
Circuito de aplicación con contadores y latchs integrados.
• Explica razonadamente las siguientes cuestiones: a) ¿Por qué se ponen a cero los displays cuando se alimenta el circuito? b) ¿Por qué cada vez que se pulsa S 1, se incrementa en uno el visualizador? c) ¿Por qué cada vez que se activa S 2, se pueden producir incrementos del turno, pulsando S 1, sin que se visualicen los cambios hasta que se desactiva S 2? • Modifica el circuito para incluir un interruptor o pulsador que al activarse ponga a cero los contadores.
• Monta el circuito que se muestra en la Figura 7.7, que permite indicar el turno de espera en un establecimiento de 00 a 99. • Confirma que inicialmente el circuito se pone a cero cuando se conecta la alimentación. • Verifica que cada vez que se activa el pulsador S 1 se incrementa en uno el visualizador. • Comprueba que al cerrarse el interruptor S 2 se pueden producir incrementos del turno sin que se visualicen, hasta que el interruptor S 2 está de nuevo en circuito abierto.
DECENAS
13 12 11 10
a
1 7
16
b c
2 1
4 2
UNIDADES
9 15 14
d e
8 6
BI/RB0 RBI LT
4
1 15 1 4 10 1 1
13 12 11 10
IC6 7448
f g
9
5
a b c
1
"1"
3
7
8
16
IC4 7475
Q 1 Q 1 Q 2 Q 2 Q 3 Q 3 Q 4 Q 4
2 1
4 2
9 15 14
d e
8 6
BI/RB0RBI
4
1 15 1 4 10 1 1
9
IC5 7448
f g
5
LT
"1"
3
8
IC3 7475
Q 1 Q 1 Q 2 Q 2 Q 3 Q 3 Q 4 Q 4
VCC
D 1
D 2
D 3
D 4 C 12 C 34
D 1
D 2
D 3
D 4 C 12 C 34
2
3
6
7
2
3
6
7
13
4
13
R 4 10 kΩ
4
S 2 VCC 12
9
8 11
12
IC2 7490
Q A Q B Q C Q D
9
8 11
R 2 10 kΩ
IC1 7490
Q A Q B Q C Q D
IC7A
2
3
A B 14
1
R 0(1) R 0(2) R 9(1) R 9(2)
2
3
6
7
A B 14
1
1 R 0(1) R 0(2) R 9(1) R 9(2)
2
3
6
S 1
7400
7
IC7B 5
V CC 6
4
C 1
7400
1 μF R 1 0 kΩ
+
R 3 10 kΩ VCC
Figura 7.7. Circuito para organizar el turno de una fila.
187
7. Análisis y diseño con registros 7.1 Análisis de registros de almacenamiento
de los registros de almacenamiento A Estudio Los registros de almacenamiento están formados por un conjunto de biestables aislados entre sí, con una señal de reloj común a todos ellos, de forma que en todos se cargan simultáneamente los datos presentes en sus entradas, siendo accesibles en cada momento sus entradas y salidas. El circuito de la Figura 7.3 es un circuito de almacenamiento de datos de 4 bits, en el que la señal de entrada se activa por flanco de subida. Su funcionamiento es muy sencillo, cada uno de los biestables D está separado respecto de los datos de información del siguiente, de manera que cuando se pone un dato en la entrada D de cualquiera de los biestables, éste aparece en la salida Q en el instante en que se produce un flanco de subida en la señal de reloj ( CLK ). Como todos los biestables tienen conectada la señal de sincronismo a la misma señal de reloj, cuando en ésta se produce un flanco de subida, los cuatro datos presentes en las entradas A, B, C y D aparecen en las correspondientes salidas QA , QB , QC y QD (Fig. 7.8).
capacidad de almacenamiento de 4 bits, conectados dos a dos a una señal de sincronismo, de tal manera que el primero y el segundo latch están sincronizados por la señal 1C , 2C (pin 13), y el tercero y el cuarto, por la señal 3C , 4C (pin 4). Además, el circuito dispone de una salida negada por dato almacenado. Su estructura interna para un latch, es decir, para almacenar un solo bit, es la que se muestra en la Figura 7.9, en la que se puede apreciar que está formado por dos puertas AND, una NOR y dos inversores, de los cuales uno de ellos es un amp lificador de corriente. Su funcionamiento es el siguiente: cuando la entrada de Enable o C está a nivel bajo, en la salida de la puerta AND3 habrá un nivel bajo, independientemente de la entrada de datos, mientras que a la salida de la puert a AND2 aparecerá el valor que tuviera en ese instante la salida Qt (es decir, en el instante anterior al cambio del valor de la entrada C ). En consecuencia, a la salida de la puerta NOR aparecerá el valor negado de Qt , que se — aprovecha para obtener la salida Qt , que vuelve a negarse a la salida del buffer inversor 5, por lo que la salida Qt no varía.
Q
Data D
Q D
Q C
Q B
Q A
4 A otro latch
D
C
B
A
Figura 7.8. Representación del flujo de información del circuito de la Figura 7.3.
188
3
1
5
Q
2
Enable C
Figura 7.9. Diagrama interno de uno de los latch del C.I. 7475.
Respecto de las entradas asíncronas, las entradas Preset están puestas a nivel alto, por lo que no actúan, mientras que las entradas Clear están conectadas a un circuito RC de inicialización que pone a cero las salidas del registro en el momento de alimentar el circuito. Además, el pulsador S es capaz de poner a cero el registro cuando es activado poniendo un nivel bajo en las entradas Clear, independientemente de la señal de sincronismo.
Cuando la entrada de Enable C está a nivel alto, a la entrada de la puerta NOR le llega el valor del dato de entrada y un nivel bajo; luego a su salida se tendrá el dato de entrada negado, que vuelve a negarse para obtener la salida Qt . Mientras que la entrada de Enable esté a nivel alto, cualquier variación de la entrada de datos se refleja en la salida, quedando almacenado (encerrojado) el dato sólo cuando la entrada de Enable se pone a nivel bajo. Por tanto, su tabla de funcionamiento es la que se muestra en la Tabla 7.3.
Cuando los registros de almacenamiento se activan por nivel, también reciben el nombre de latch. Es el caso del circuito integrado TTL 7475, que tiene una
En la Figura 7.7 se muestra un circuito en el que se utilizan registros de datos. El circuito está constituido por dos contadores en BCD del tipo 7490
7. Análisis y diseño con registros 7.2 Análisis de registros de desplazamiento
Entradas
Tabla 7.3.
Salidas
D
C
Q (t+1)
Q (t+1)
L H X
H H L
L H Qt
H L Qt
Tabla de funcionamiento del C.I. TTL 7475.
conectados en cascada y cuyo funcionamiento ya estudiamos en la Unidad 6. Para generar los impulsos de incremento se utiliza un circuito antirrebotes con puertas NAND , que también se ha estudiado en la unidad anterior. Las salidas de los contadores se conectan a las entradas de dos circuitos del tipo 7475, que tienen unidas todas las entradas Enable, de manera que cuando están puestas a nivel alto, los latch son transparentes a los datos que les llegan de los contadores y éstos pasan directamente al circuito de visualización. Cuando se quiere que salte
el turno sin que se visualice en el display, se pone la entrada de Enable a nivel bajo; en este instante, la información que tenían a la entrada se transfiere a la salida, quedando ésta bloqueada (encerrojada), por tanto, el circuito de visualización marcará el número que tuviera en ese momento la salida del latch. Si se activa varias veces el pulsador de cuenta de impulsos, la visualización permanecerá en el número que tuviera anteriormente, y sólo cuando la señal de Enable esté a nivel alto, cambiará el nuevo número a visualizar, que coincidirá con el número decimal que tengan los contadores. El circuito de visualización está compuesto por dos decodificadores de BCD a 7 segmentos del tipo cátodo común y que están configurados para que no se ilumine el cero de las decenas, si el dato a visualizar es menor de 10BCD. Además, el circuito dispone de un sistema de inicialización automática implementado por una resistencia (R1) y un condensador (C 1), que hace que los contadores se pongan a cero al conectar la alimentación al circuito.
7.2 Análisis de registros de desplazamiento Actividades propuestas 4
Registro de desplazamiento con biestables J-K . • Utilizando dos circuitos integrados TTL del tipo 7476 y una puerta inversora del tipo 7404, monta un registro de desplazamiento (entrada serie/salida paralelo y entrada serie/salida serie) de 4 bits, como el que se muestra en la Figura 7.10. • Conecta cada una de las salidas de los biestables (Q A a QD) a un LED indicador de nivel lógico, del equipo didáctico sobre el que estás montando el circuito, y la entrada de sincronismo CLK al pulsador de impulsos con un circuito antirrebotes. • Alimenta el circuito y mide en ese instante el valor que toman cada una de las salidas de los biestables. Anota en la Tabla 7.4 el resultado obtenido y explica a qué es debido. • Si el estado de todas las salidas de los biestables no es un nivel bajo, activa el pulsador S 1.
• Utiliza el conmutador S 2 para introducir un nivel alto por la entrada de datos serie. Seguidamente, genera un flanco de bajada por la entrada CLK . Pon a nivel bajo el conmutador S 2 y genera un flanco de bajada por la entrada de sincronismo. Vuelve a poner S 2 a nivel alto y genera posteriormente otro impulso de sincronismo. Pon nuevamente el conmutador S 2 a nivel bajo y genera un nuevo impulso de sincronismo. Cada vez que se genera un impulso de sincronismo, mide el estado de la salida de cada uno de los biestables y anota el resultado en la Tabla 7.4. • Genera cuatro impulsos de sincronismo seguidos. Mide y anota en la Tabla 7.4 el valor de las salidas de los biestables para cada uno de los impulsos. • Completa el cronograma de la Figura 7.11 de la página 185, que indica el funcionamiento del registro de la Figura 7.10. (continúa)
189
7. Análisis y diseño con registros 7.2 Análisis de registros de desplazamiento
Actividades propuestas (continuación) Q A
Q B
Q C
Q D VCC
VCC
2
(Datos) S 2 4 1
IC3A
16 1
(Clear) S 1
2
7404
J
PR
IC1A Q 15
CL 3
9 6
CLK K
Q
IC1B
7
14
12
J
PR
2
Q 11
4 1
CLK K
7476
CL
Q
10
16
7476
8
J
PR
IC2A Q 15
CL 3
9 6
CLK K
7
Q
14
7476
12
J
PR
IC2B R 1 10 kΩ
Q 11
CLK K
CL 8
Q
10
7476 +
C 1 1 μF
CLK (Sincronismo)
Figura 7.10. Registro de desplazamiento de entrada serie/salida serie con biestables J-K.
Instante de tiempo
S2
Qt Qt+1 Qt+2 Qt+3 Qt+4 Qt+5 Qt+6 Qt+7 Qt+8 S 1 = 0
X 1 0 1 0 1 1 1 1 X
Tabla 7.4.
Q A
Q B
Q C
Resultados de la Actividad 3.
• Contesta a las siguientes preguntas: a) ¿Qué ocurre si cuando el estado de los biestables es Q A = 0, QB = 1, QC = 0 y QD = 1, activas el pulsador S 1? b) ¿Qué tipo de sincronismo emplea este registro? c) ¿Cuántos impulsos de la señal de sincronismo tienen que producirse para que el primer dato, que se introduce por la entrada de datos serie, aparezca en la salida de datos serie (QD)?
190
d) ¿Cuál es el número de datos que es capaz de almacenar este registro simultáneamente?
Q D
5
Ensayo y experimentación con un registro comercial de desplazamiento entrada serie/salida serie 7491. En la Figura 7.12, de la página siguiente, se muestra el diagrama de conexión del registro de desplazamiento entrada serie/salida serie 7491, fabricado en tecnología TTL. • Conecta la entrada de reloj (pin 9) a la salida del pulsador con circuito antirrebotes del equipo didáctico, para controlar, de forma manual, el número de impulsos que llegan al registro. Conecta las salidas QH (pin 13) y Q¯¯H (pin 14) a los diodos indicadores de nivel lógico. Asimismo, conecta las entradas A (pin 12) y B (pin 11) a dos conmutadores que denominaremos S 1 y S 2, respectivamente, y que pueden dar a su salida un nivel alto o bajo. • Introduce los datos que se muestran en el cronograma de la Figura 7.13 y completa las salidas que se obtienen para cada una de las señales de reloj. (continúa)
7. Análisis y diseño con registros 7.2 Análisis de registros de desplazamiento
Actividades propuestas (continuación) S 2 t
CLK
t
Q A
t
Q B
t
Q C
t
Q D
t
S 1
t
Figura 7.12. Diagrama de conexión del circuito integrado 7491.
Figura 7.11. Cronograma de funcionamiento del registro de desplazamiento de la Figura 7.10.
Input
Input
Q H
Q H
A
B
14
13
12
11
Q H
Q H
A
B
1
2
3
4
5
6
7
NC
NC
NC
NC
VCC
NC
NC
SN5491A (J) SN54L91 (J) SN54LS91 (J)
GND CLOCK NC 10
9
8
CK
SN7491A (J, N) SN74L91 (J, N) SN74LS91 (J, N)
A t
B
t
CLK
t
Q H
t
Q H
t Q t
Q (t +1) Q (t +2) Q (t +3) Q(t+4) Q (t +5) Q (t +6) Q (t +7) Q (t +8) Q (t +9) Q (t +10) Q (t +11) Q (t +12) Q (t +13) Q (t +14) Q (t +15) Q (t +16) Q (t +17) Q (t +18) Q (t +19) Q (t +20) Q (t +21) Q (t +22) Q (t +23) Q (t +24) Q (t +25) Q (t +26)
Figura 7.13. Cronograma de funcionamiento del registro de desplazamiento entrada serie/salida serie 7491.
191
7. Análisis y diseño con registros 7.2 Análisis de registros de desplazamiento
de los registros de desplazamiento A Estudio Los registros de desplazamiento están formados por una cadena de n biestables conectados en cascada, de tal manera que la salida de uno es la entrada del siguiente. Además, la entrada de sincronismo es la misma para todos y cada uno de los biestables. Los datos en este tipo de registros pueden transferirse en entrada serie o paralelo, la salida también puede transmitirse en serie o paralelo, dando lugar a distintos tipos de registros, según la forma de introducir o extraer la información.
B
Estudio de los registros de desplazamiento entrada serie/salida serie
En este tipo de registros la información llega en serie a través de un terminal y se obtiene la salida de los datos también en serie a través de otro terminal. En la Figura 7.10 se muestra un circuito que se comporta como un registro de entrada serie/salida serie, si se considera que la entrada llega a través del conmutador S 2 y la salida se obtiene a través de QD. Como los biestables son del tipo Master-Slave, la entrada de datos se transfiere en los flancos de bajada de la señal de reloj. El número de biestables del registro es cuatro, y como puede apreciarse,
están dispuestos de manera que la entrada J de cada biestable está conectada a la salida Q del biestable anterior, excepto en el primer biestable, cuya entrada J coincide con la de datos serie. Por otra parte, la entrada K de cada biestable está conectada a la salida Q¯¯ del biestable anterior, excepto en el primero de los biestables, que está conectada a la entrada de datos negada. Las entradas Preset están puestas a nivel alto, por lo que no actúan, mientras que las Clear se utilizan para inicializar el registro poniéndolo a cero, cuando se activa el pulsador S 1. Al alimentar el circuito se produce una puesta a cero de los biestables, ya que inicialmente el condensador C 1 se encuentra descargado, por lo que, durante un instante de tiempo, hasta que alcanza el valor de tensión correspondiente a un nivel alto, las entradas Clear de todos los biestables están a nivel bajo, produciendo un reset del circuito. Supongamos que se quiere introducir la secuencia 0101. Para ello, se pone S 2 = 1 y se produce un flanco de bajada por CLK , en este mismo instante Q A = 1, mientras que QB = QC = QD = 0. Seguidamente, se pone S 2 = 0 y se genera un nuevo flanco de bajada en CLK , lo que provoca que QB = 1 y Q A = QC = = QD = 0. Se van introduciendo el resto de los datos de entrada y las correspondientes señales de sincronismo y se obtiene el diagrama de tiempos de la Figura 7.14, en el que se representan también los impulsos de sincronismo necesarios para que, por QD, se obtenga la secuencia completa de datos.
CLK
DATOS Q A Q B Q C Q D
t t t t t t
Figura 7.14. Cronograma de funcionamiento del registro de la Figura 7.10.
192
7. Análisis y diseño con registros 7.2 Análisis de registros de desplazamiento
El proceso también puede verse reflejado en la Figura 7.15.
Como puede apreciarse, este registro está realizado con 8 biestables R-S de tipo Master-Slave pero, debido al inversor existente entre la entrada R y S , éstas tendrán siempre valores complementarios.
Un registro entrada serie/salida serie integrado en tecnología TTL MSI es el 7491, cuyo diagrama interno se muestra en la Figura 7.16.
Las entradas A y B son las entradas de una puerta NAND, que introduce la información en el primero de los biestables, y pueden usarse, indistintamente, una como entrada de datos y otra como entrada de validación.
Estado del registro en el instante inicial
Entrada 1
Q A
Q B
Q C
Q D
0
0
0
0
0 Salida
Su tabla de funcionamiento es la que se muestra en la Tabla 7.5, en la que se indica el valor de la salida QH después de 8 impulsos de sincronismo por la entrada Clock .
Estado del registro después del primer flanco de bajada
Entrada 0
Q A
Q B
Q C
Q D
1
0
0
0
0 Salida
Input
Estado del registro después del segundo flanco de bajada
Entrada 1
Q A
Q B
Q C
Q D
0
1
0
0
0 Salida
Estado del registro después del tercer flanco de bajada
Entrada 0
Q A
Q B
Q C
Q D
1
0
1
0
Tabla 7.5.
0 Salida
Output
A
B
Q H
Q H
H L X
H X L
H L L
L H H
Tabla de funcionamiento del C.I. TTL MSI 7491.
Estado del registro después del cuarto flanco de bajada
Entrada 1
Q A
Q B
Q C
Q D
0
1
0
1
C
0 Salida
En este instante, en la salida está el primer dato que entró, con tres flancos de bajada más; en la salida se obtienen los tres datos restantes.
Como la señal de reloj está conectada a un inversor, hará que el registro se active por flanco de subida.
Figura 7.15. Movimiento de la información en el circuito de la Figura 7.10.
A B
Análisis de los registros de desplazamiento entrada paralelo/salida serie
(12)
S
(11)
Q
CK R
Clock
S
Q
CK Q
R
S
Q
CK Q
R
S
Q
CK Q
R
S
Q
CK Q
R
S
Q
CK Q
R
S
Q
CK Q
R
S
Q
(13) Q H
Q
(14) Q H
CK Q
R
(9)
Figura 7.16. Diagrama interno del registro entrada serie/salida serie 7491.
193
7. Análisis y diseño con registros 7.2 Análisis de registros de desplazamiento
Actividades propuestas
6
Ensayo y experimentación con un registro comercial de desplazamiento entrada paralelo/salida serie 7494. En la Figura 7.17 se muestra el diagrama de conexión del registro de desplazamiento entrada paralelo/salida serie 7494, fabricado en tecnología TTL. • Realiza el montaje que se muestra en la Figura 7.18. • Conecta la entrada Clock (pin 8) a la salida del pulsador con circuito antirrebotes del equipo didáctico. Conecta la salida Out (pin 9) a uno de los indicadores de nivel lógico. • Pon los conmutadores Load 1 y Load 2 a nivel bajo. Activa a nivel alto el conmutador de Clear durante un instante y ponlo nuevamente a nivel bajo. • Utiliza el conmutador de Serial Input , e introduce secuencialmente los datos 1, 0, 1 y 0, generando, cada vez que se introduce un dato, un flanco de subida por la entrada CLK (pin 8).
P 2A
PE 2
P 2B P 2C G N D P 2 D CLEAR OUTPUT
16
15
14
13
12
PE 2 P 2B P 2C P 2A
11
10
9
P 2D CLEAR OUTPUT
• Pon a nivel alto la entrada Serial Input y genera cuatro nuevos impulsos de reloj. Mide y anota los resultados obtenidos en la Tabla 7.6. • Genera, durante un instante, un nivel alto en la entrada Clear. Con las entradas PE 1 = PE 2 = 0, pon a nivel alto la entrada Serial Input . Seguidamente, acciona los conmutadores de forma que en las entradas P 1 A, P 1B, P 1C y P 1D se obtengan los datos 0, 0, 1, 1, y en P 2 A, P 2B, P 2C y P 2D, los datos 1, 1, 0 y 0, respectivamente. Pon, durante un instante, la entrada PE 1 a nivel alto, volviendo a situarla a nivel bajo. Genera después cuatro flancos de subida por la entrada CLK . Mide y anota los resultados que se van obteniendo en la Tabla 7.7. • Genera un impulso a nivel alto en la entrada Clear . Seguidamente, pon la entrada PE 2 a nivel alto durante un instante de tiempo. Genera cuatro impulsos de reloj y anota los resultados que se van obteniendo en la Tabla 7.7. • Contesta a las siguientes preguntas: a) ¿Cuál es la capacidad de almacenamiento del registro? b) ¿Cuál es el tipo de sincronismo de la señal de reloj del registro? c) ¿Qué función tienen las entradas PE 1 y PE 2? d) ¿Qué ocurre cuando la señal de Clear se pone a nivel alto? (continúa) Clear
P 1A P 1B P 1C P 1D
1
2
P 1A P 1B
3
4
P 1C P 1D
CK PE 1 SER. IN
5 Vcc
6
7
8
PE1 SER. CLOCK IN
SN5494 (J,W) SN7494 (J,N) Figura 7.17. Diagrama de conexión del circuito inte grado TTL 7494.
194
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabla 7.6.
Impulso de CLK
Serial Input
— ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
1 1 0 1 0 1 1 1 1 1
Resultados de la Actividad 6.
Out
7. Análisis y diseño con registros 7.2 Análisis de registros de desplazamiento
Estudio de los registros de desplazamiento entrada paralelo/salida serie
Los biestables se ponen a cero cuando la entrada Clear es puesta a nivel alto; este paso es siempre previo a la carga de datos en paralelo. Además, tiene la posibilidad de introducir dos entradas paralelo distintas, controladas por las señales PE 1 y PE 2. Las señales P 1 A a P 1D se cargan en los biestables cuando la entrada PE 1 recibe un impulso positivo, teniendo que estar la entrada PE 2 durante este tiempo a nivel bajo. Por otra parte, las entradas P 2 A a P 2D se cargan en los biestables cuando a la entrada PE 2 le llega un impulso positivo y la entrada PE 1 está a nivel bajo.
En este tipo de registros de desplazamiento, la información llega en paralelo a la entrada, que se carga mediante una señal de control, y la salida se obtiene en paralelo sincronizada por una señal de reloj. Para introducir los datos en paralelo, pueden utilizarse las entradas asíncronas o las e ntradas síncronas. De este modo, por ejemplo, el circuito integrado 7494, cuya estructura interna es la que se muestra en la Figura 7.19, utiliza las señales asíncronas de Preset para introducir los datos en paralelo.
El circuito integrado 7494 tiene la posibilidad de introducir datos en modo serie y obtener la salida en serie. Para que funcione en este modo, se deben mantener a nivel bajo las entradas PE 1 y PE 2 y realizar un borrado del registro, poniendo, durante un instante, a nivel alto la entrada Clear . Seguidamente, se introducen los datos serie por la entrada Serial Input (pin 7) y se genera un flanco positivo por la entrada CLK por cada dato a cargar en serie.
El registro está formado por cuatro biestables R-S del tipo Master-Slave, a cuyas entradas R y S les llegan siempre señales complementarias. Por tanto, la capac idad máxima del registro es de 4 bits. Además, como la entrada de la señal de reloj tiene un inversor, el registro se hace activo a los flancos ascendentes de la señal de sincronismo de entrada.
Las tablas de funcionamiento de este registro son las que se muestran en la Tabla 7.8 de la página siguiente.
PRESETS P 1A PRESET ENABLE INPUTS
PE 2 PE 1
(15)
P 2A
(1)
(16)
P 1B
2
1
A S PRESET Q A CK
CLOCK
CLEAR
(14)
P 1C
P 2C
(3)
(13)
P 1D
R CLEAR Q A
2
1
B S PRESET Q B CK R CLEAR Q B
2
(11)
1
C S PRESET Q C CK R CLEAR Q C
2
D D S PRESET Q CK R CLEAR
(8)
(10)
Figura 7.19. Diagrama interno del registro de desplazamiento entrada paralelo/salida serie 7494.
196
P 2D
(4)
(6) 1
SERIAL (7) INPUT
P 2B
(2)
(9)
OUTPUT
7. Análisis y diseño con registros 7.2 Análisis de registros de desplazamiento
(9) CLEAR SERIAL INPUT (1) SHIFT/LOAD (15) A
(2)
R
CK
S
Q A B
(3) R
CK
S
Q B C
(4) R
CK
S
Q C D
(5) R
CK
S
Q D E
(10) R
CK
S
Q E F
(11) R
CK
S
Q F G
(12) R
CK
S
Q G
(14) (7) CLOCK (6) CLOCK INHIBIT H
R
CK
S
(13)
Figura 7.20. Diagrama lógico del registro de desplazamiento entrada paralelo/salida serie 74166.
198
Q H
7. Análisis y diseño con registros 7.2 Análisis de registros de desplazamiento
CLOCK CLOCK INHIBIT CLEAR SERIAL INPUT SHIFT/LOAD A
H L
B C
H L
PARALLEL D INPUTS
E F
H L
G
H
H
H
OUTPUT Q H
CLEAR
H SERIAL SHIFT
INHIBIT LOAD
H
L
H
L
H
L
H
SERIAL SHIFT
Figura 7.21. Cronograma de funcionamiento del registro de desplazamiento 74166.
Actividades propuestas 7
Ensayo y experimentación con el registro universal 7495. En la Figura 7.22 se muestra el diagrama de conexión del registro de desplazamiento universal 7495 fabricado en tecnología TTL. • Conecta las entradas A (pin 2), B (pin 3), C (pin 4), D (pin 5), Mode Control (pin 6) y Serial Input (pin 1) a conmutadores del equipo didáctico sobre el que estás montando el circuito, capaces de dar a la salida un nivel alto o bajo. • Conecta las salidas Q A, QB, QC y QD a los indicadores de nivel lógico del equipo didáctico. • Interconecta las entradas de Clock 1 (pin 8) y Clock 2 (pin 9) y conéctalas a su vez a la salida del pulsador con circuito antirrebotes. • Pon a nivel alto la entrada Mode Control y la entrada Serial Input a nivel bajo. • Pon, en las entradas A, B, C y D, los valores lógicos 1, 0, 0, 1, respectivamente, y genera un flanco de bajada por las entradas de reloj. Mide y anota el resultado en la Tabla 7.10.
Figura. 7.22. Diagrama de conexión del circuito integrado TTL 7495.
(continúa)
199
7. Análisis y diseño con registros 7.2 Análisis de registros de desplazamiento
Para el modo de trabajo entrada paralelo/salida paralelo, debe ponerse la entrada Mode Control (control de modo) a nivel alto; cuando esto ocurre las puertas señaladas con un 2 se abren, dejando pasar los datos que están en las entradas paralelo A, B, C y D; si ahora se produce un flanco de bajada por cualquiera de las entradas de reloj, se efectúa la carga en paralelo.
Se pone la entrada Mode Control a nivel alto y se conecta la salida de cada biestable a la entrada paralelo del precedente, convirtiéndose la entrada D (pin 5) en la entrada de datos serie, y Q A en la salida serie. En este tipo de registro hay que tener cierta precaución con los cambios de modo. En efecto, si, por ejemplo, la entrada Clock 1 está a nivel bajo y la entrada Clock 2 está a nivel alto y se pasa el control de modo de nivel alto a bajo, se produce un flanco de bajada en las entradas de reloj de los biestables, generando un cambio en éstos.
Para que el registro trabaje como desplazamiento a la derecha, ya sea de los datos cargados en paralelo o de los datos que se introduzcan por la entrada Serial Input , deberá ponerse a nivel bajo la entrada de control de modo. En este estado, las puertas que se abren son las numeradas con un 1 y se cierran las numeradas con un 2, con lo que se produce un desplazamiento a la derecha de los datos de los biestables cada vez que se genera un flanco de bajada por cualquiera de las entradas de reloj.
Esto se puede aprovechar en la carga en paralelo, uniendo las entradas de Control Mode y Clock 2, de manera que cuando esta unión está a nivel a lto, se selecciona el modo de carga en paralelo, y al pasar a nivel bajo y producirse el flanco de bajada, se hace efectiva dicha carga.
La razón de la existencia de dos señales de entrada de reloj es proporcionar al circuito mayor flexibilidad. Para que el circuito se comporte como un registro de desplazamiento a la izquierda, hay que realizar las conexiones que se muestran en la Figura 7.24.
A
Se puede resumir el modo de trabajo de este registro de desplazamiento en la Tabla 7.12 de la página siguiente.
B
(2)
"1" (6)
C
(3)
D
(4)
Entrada serie (5)
MODE CONTROL
(1) SERIAL INPUT
1
2
1
2
1
2
1
2
CLOCK 1 RIGHT-SHIFT CLK
(9) R
(8) CLOCK 2 LEFT-SHIFT
R
CK S
R
CK
Q A
S
CK
Q B
S
(13) Salida serie
Q A
R CK
Q C
S
(12) Q B
(11) Q C
Figura 7.24. Modo de funcionamiento del registro 7495 como desplazamiento serie a la izquierda.
202
Q D
(10) Q D
7. Análisis y diseño con registros Ejercicios propuestos
Ejercicios propuestos
1
Un registro de desplazamiento de 8 bits contiene el dato 10000110. Si se le aplica a la entrada serie el dato 11011011: Indica el número almacenado en el registro después de cinco impulsos de desplazamiento. Supón que el registro se desplaza de izquierda a derecha.
2
3
4
5
6
204
7
Analiza el funcionamiento del circuito de la Figura 7.25. Indica cuál es la función de cada una de las patillas de los circuitos integrados.
8
¿Cuántos impulsos de desplazamiento se requieren para cargar en forma serie una palabra de 16 bits en un registro de desplazamiento de 16 biestables?
Si se dispone de un reloj digital, con acceso a las entradas BCD que van a cada uno de los cuatro decodificadores BCD a 7 segmentos: Realiza un circuito que, mediante unos registros, conmutadores, circuitos comparadores y los componentes necesarios, realice la función de despertador.
Conecta dos registros del tipo 7491 para que se comporten como un único registro de desplazamiento entrada serie/salida serie de 16 bits.
9
Conecta dos registros del tipo 7495 para que se comporten como un solo registro de desplazamiento entrada paralelo/salida serie de 8 bits.
10 Dado un contador Johnson de 5 biestables:
Dibuja y explica el funcionamiento de un registro de desplazamiento entrada serie/salida serie implementado con biestables tipo D, mediante circuitos 7474. Conecta dos registros del tipo 7495 para que se comporten como un solo registro o de desplazamiento de entrada/salida serie con desplazamiento hacia la izquierda.
Busca, en un catálogo de circuitos TTL, varios registros de desplazamiento que puedan trabajar como entrada serie/salida paralelo.
¿Cuántos estados distintos tiene? Indica cuáles son.
11 Un contador en anillo de 4 biestables puede utilizarse como divisor de frecuencia por: a) 4 b) 6 c) 8
7. Análisis y diseño con registros Ejercicios propuestos
Ejercicios propuestos
a b c
1
2
4
d e
8
f g
BI/RB0 RBI
IC1 7448
LT
Vcc
IC2 7475
Q 1 Q 1 Q 2 Q 2 Q 3 Q 3 Q 4 Q 4
D 1
D 2
D 3
D 4
C 12 C 34
Salida de impulsos siguiente etapa
Q A Q B Q C Q D
IC3 7490 Carga de datos
A B
Entrada
R 0(1) R 0(2) R 9(1) R 9(2)
Vcc Reset
Figura. 7.25 Circuito de aplicación con c ircuitos integrados.
205
7. Análisis y diseño con registros Actividades complementarias
Actividades complementarias
1
Ensayo y experimentación con un contador Johnson.
• Inicializa el circuito, activando durante un instante el pulsador S 1. Anota después el resultado en la Tabla 7.13. • Genera ocho flancos de bajada por la entrada de reloj. Mide y anota los resultados parciales y final que obtengas en la Tabla 7.13. • Partiendo del estado que se muestra en el cronograma de la Figura 7.27, completa el cronograma de funcionamiento.
• Utilizando biestables J-K del tipo 7476, implementa un circuito contador Johnson como el que se muestra en la Figura 7.26. • Conecta la entrada de reloj al pulsador con circuito antirrebotes del equipo didáctico. • Conecta las salidas de los biestables a los indicadores de estado lógico.
Q A
Q B
Q C
Q D VCC
IC1A
CLK
J
PR
Q
CLK K
CL
IC1B J
PR
Q
CLK Q 7476
K
CL
IC2A J
PR
Q
CLK Q 7476
K
CL
IC2B J
PR
R 1 10 kΩ
Q
CLK Q 7476
K
CL
Inicialización S 1
Q 7476 +
C 1 1 μF
Figura 7.26. Contador Johnson con biestables J-K conectados como un registro.
CLK Q A Q B Q C Q D S 1
t t t t t t
Figura 7.27. Cronograma de funcionamiento del contador Johnson del circuito de la Figura 7.26.
206
7. Análisis y diseño con registros Actividades complementarias
Actividades complementarias
• Contesta las siguientes preguntas: a) ¿Cuántos bits necesita un contador binario para contar 8 estados distintos? b) ¿Cuántos bits necesita un contador Johnson para contar 8 estados distintos? c) ¿Tienen alguna ventaja este tipo de contadores? • Realiza un contador Johnson con alguno de los registros comerciales que has estudiado en e sta unidad.
2
• Conecta la entrada de reloj al pulsador con circuito antirrebotes del equipo didáctico. • Conecta las salidas de los biestables a los indicadores de estado lógico. • Inicializa el circuito, activando durante un instante el pulsador S 1. Anota el resultado en la Tabla 7.14. Genera, seguidamente, cinco flancos de bajada por la entrada de CLK . Mide y anota en la Tabla 7.14 los resultados que se van obteniendo. • Partiendo del estado que se muestra en el cronograma de la Figura 7.27, completa el cronograma de funcionamiento correspondiente al circuito de la Figura 7.28. • Realiza un contador en anillo utilizando para ello el circuito integrado 7495.
Ensayo y experimentación con un contador en anillo . • Utilizando 4 biestables J-K del tipo 7476, monta un contador en anillo como el que se muestra en la Figura 7.28. S1
CLK
ON OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF OFF
— ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
Q A
Q B
Q C
Q D
S1
CLK
ON OFF OFF OFF OFF OFF
— ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
Q A
Q B
Q C
Q D
Tabla 7.14. Resultados de la Actividad 2.
Tabla 7.13. Tabla de funcionamiento del contador Johnson. Q A
Q B
Q C
Q D VCC
IC1A
IC1B
IC2A
IC2B R 1
J CLK
PR
Q
CLK K
CL
J
PR
Q
CLK Q
7476
K
CL
J
PR
Q
CLK Q
7476
K
CL
J
PR
Q
10 kΩ
CLK Q
7476
K
CL
Q
S 1
7476 + C 1
1 μF
Figura 7.28. Contador en anillo.
207
