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REGISTRO DE DESPLAZAMIENTOS Pilatasig Aynuca Alexis Fabian [email protected]

Paucar Socasi Elvis Patricio [email protected]

Ingeniería Mecatrónica, 6to. Nivel, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE Extensión Latacunga, Márquez de Maenza S/N Latacunga, Ecuador. 28 de Julio de 2015 temporización [1]

RESUMEN: Los registros de desplazamientos contienen un papel fundamental en el sistema digital ya que permiten almacenar un conjunto de bits por un momento determinado, también permiten desplazar datos a lo largo de los flip-flops. Dentro de este tema abarcan los contadores tipo anillos y los contadores de tipo Johnson, cada uno de ellos tienen sus características de funcionamiento, sus circuitos integrados y sus aplicaciones en el campo digital

a) Contador anular (valor inicial 1000)

PALABRAS CLAVE: Flip-Flops, contador anillos, contador Johnson, circuitos integrados.

1. INTRODUCCIÓN El objetivo principal de los registros de desplazamientos es permitir que la información que es ingresada a la entrada se desplazase a las salidas mientras exista una señal de reloj, si no existe una señal de reloj o este deje de enviar la señal en la salida se obtendrá la información que se obtuvo con anterioridad. b) Contador y decodificador

2. CONTADOR ANULAR O ANILLO Un contador anular (o de anillo) es un registro de desplazamiento circular en el que sólo un flip-flop está establecido en cualquier instante dado; los demás están despejados. El bit solitario se desplaza de un flip-flop al siguiente para producir la sucesión de señales de temporización. En la figura 1a) se aprecia un registro de desplazamiento de cuatro bits conectado como contador anular. El valor inicial del registro es 1000. El bit 1 se desplaza a la derecha con cada pulso de reloj y al llegar a T3 circula de vuelta a T0. Cada flip-flop está en el estado 1 una vez cada cuatro ciclos de reloj y produce una de las cuatro señales de temporización que se indican en la figura 1c). c) Sucesión de cuatro señales de temporización Figura 1 Generación de señales de temporización [1]

Cada salida se convierte en 1 después de la transición de borde negativo de un pulso de reloj y sigue siendo 1 durante el siguiente ciclo de reloj.

Para generar 2𝑛 señales de temporización, se requiere un registro de desplazamiento con 2𝑛 flipflops o bien un contador binario de n bits junto con un decodificador de n a 2𝑛 líneas

Las señales de temporización también pueden generarse con un contador de dos bits que pasa por cuatro estados distintos. El decodificador que se ilustra en la figura 1b) decodifica los cuatro estados del contador y genera la sucesión requerida de señales de

Por ejemplo, podemos generar 16 señales de

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temporización con un registro de desplazamiento de 16 bits conectado como contador anular, o con un contador binario de cuatro bits y un decodificador de 4 a 16 líneas. [1] En el primer caso, se necesitan 16 flip-flops. En el segundo, necesitaremos cuatro flip-flops y 16 compuertas AND de cuatro entradas para el decodificador. También es posible generar las señales de temporización con una combinación de un registro de desplazamiento y un decodificador. En este caso, el número de flip-flops es menor que con un contador anular, y el decodificador sólo requiere compuertas de dos entradas. La combinación se denomina contador Johnson. [1]

b) Sucesión de conteo y decodificación requerida Figura 2 Construcción de un contador Johnson [1] Un contador Johnson es un contador anular con extremo conmutado de k bits provisto de 2k compuertas decodificadoras para generar salidas correspondientes a 2k señales de temporización. Las compuertas decodificadoras no se indican en la figura 2, pero se especifican en la última columna de la tabla. Las ocho compuertas AND que se registran en la tabla, conectadas al circuito, completan la construcción del contador Johnson. Puesto que cada compuerta se habilita durante una sucesión dada de estados, las salidas de las compuertas generan ocho señales sucesivas de temporización.

3. CONTADOR JOHNSON Un contador anular de k bits circula un solo bit entre los flip-flops para producir k estados distinguibles. El número de estados puede duplicarse si el registro de desplazamiento se conecta como contador anular con extremo conmutado. Un contador anular con extremo conmutado es un registro de desplazamiento circular en el que la salida de complemento del último flip-flop está conectada a la entrada del primer flip-flop. La figura 2a) muestra un registro de desplazamiento de este tipo. La conexión circular se efectúa entre la salida de complemento del flip-flop de la extrema derecha y la entrada del flip-flop de la extrema izquierda. [1]

La decodificación de un contador anular con extremo conmutado de k bits para obtener 2k señales de temporización sigue un patrón regular. El estado de puros ceros se decodifica tomando el complemento de las salidas de los dos flip-flops de los extremos. El estado de puros unos se decodifica tomando las salidas normales de los dos flip-flops de los extremos. Todos los demás estados se decodifican a partir de un patrón 1, 0 o 0, 1 adyacente en la sucesión. Por ejemplo, la sucesión 7 tiene un patrón 0, 1 adyacente en los flip-flops B y C. La salida decodificada se obtiene tomando el complemento de B y la salida normal de C, es decir, B'C.

El registro desplaza su contenido una vez a la derecha con cada pulso de reloj y, al mismo tiempo, el valor complementado del flip-flop E se transfiere al flip-flop A. Empezando en el estado despejado, el contador anular con extremo conmutado pasa por una sucesión de ocho estados, la cual se representa en la figura 2b). En general, un contador anular con extremo conmutado de k bits pasa por una sucesión de 2k estados. Partiendo de ceros, cada operación de desplazamiento inserta unos por la izquierda hasta que el registro queda lleno de unos. A continuación, se insertan ceros por la izquierda hasta que el registro vuelve a estar lleno de ceros. [1]

Una desventaja del circuito de la figura 2a) es que si llega a estar en un estado no utilizado, persistirá en pasar de un estado no válido a otro y nunca llegará a un estado válido. Esto se corrige modificando el circuito a modo de evitar esta condición indeseable. Un procedimiento de corrección consiste en desconectar la salida del flip-flop B que va a la entrada D del flipflop C, y habilitar la entrada del flip-flop C con la función 𝐷𝑐 = (𝐴 + 𝐶)𝐵

(1)

Donde DC es la ecuación para la entrada D del flip-flop C. a)

Contador anular con extremo conmutado de cuatro etapas

Podemos construir contadores Johnson para cualquier número de sucesiones de temporización. El número de flip-flops requeridos es la mitad del número de señales de temporización. El número de compuertas decodificadoras es igual al número de señales de temporización, y sólo se necesitan compuertas de dos entradas.

3.1 EL CIRCUITO INTEGRADO CD4017 Es un contador y divisor hasta 10, se le conoce a este tipo de circuito, como contador jhonson de

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varias etapas (en este caso 5).

puede utilizar para ampliar las salidas del contador, utilizando uno o más circuitos integrados.

El CD4017, es utilizado frecuentemente como secuenciador de luces y divisor de bajas frecuencias. [2]

3.1.2 APLICACIONES Aquí, vamos a apuntar unas pocas aplicaciones que son más didácticas. Como ya se ha dicho, si tiene conocimiento de cómo trabaja este circuito integrado, tanto como contador como divisor, se estará preparado para poder aplicarlo sin ningún tipo de problema. El contador de década HC4017B dispone de diez salidas en secuencia que, se ponen a ALTO, cuando una fuente de impulsos se conecta a la entrada de reloj y cuando los niveles lógicos adecuados se aplican al RESET y la entrada Habilitar (Enable). Dicho esto, si observamos la gráfica anterior, podemos imaginar, como construir un secuenciador de luces, con sólo aplicar una señal de reloj en la entrada adecuada y aplicando una resistencia en serie con un LED en cada salida, pronto veremos como avanza una de las salidas, seguida de la siguiente al tiempo que aplicamos un nuevo impulso de entrada, esto simplemente es un contador.

Figura 3 CI Contador Johnson Terminales[2] La alimentación del circuito integrado, se hace por medio del pin 16 y debido a su tecnología CMOS, el CD4017 puede ser alimentado desde 3 a unos 15 voltios, de corriente continua. Sus salidas 10 en total, de 0 a 9 comienzan desde el pin 3 (Q0) y no se encuentran de forma secuencial, terminando en el pin 11 (Q9), como se puede ver en la imagen. [2]

También vemos que al llegar a la salida 9, patilla 11 (corresponde al número 10), vuelve a empezar. Lo que confirma que cuenta hasta 10. Esto, no es del todo cierto, me explico, puesto que, si hacemos una pequeña combinación en sus patillas de reloj, enable y reset, podemos modificar el conteo obtenido. Así mismo, se observa que la patilla de salida 12 (etiquetada con ÷10), tiene un ciclo del 50% en una cuenta de 10, ya que es Alto entre 0-4 y Bajo entre 59, esto nos servirá para muchos proyectos.

Para que el CD4017 pueda realizar sus acciones, este debe recibir un tren de pulsos por el pin 14. Cada vez que reciba un flanco positivo, el CD4017 avanzara una posición en su contador y al llegar al final, activara el pin 14 (carry out) en donde podremos conectar otro circuito integrado CD4017 para ampliar el conteo hasta 20 pasos. [2] A esta configuración se le suele llamar "conexión en cascada".

4. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS REGISTROS DE DESPLAZAMIENTOS

Como fuente de pulsos digitales, se suele utilizar el popular circuito integrado 555. [2] Velocidad de operación

En estos registros las señales de entradas y salidas pueden ser serie o paralelo. Realizando una combinación entre estas dos formas se obtendrá los registros descritos en la Tabla1

CD4017 a 5v = 2 Mhz CD4017 a 15v = 6 Mhz 74HC4017 a 5v = 25 Mhz (Versión TTL de alta velocidad).

Tabla 1Registros de desplazamientos Fuente: Alexis Pilatasig 2015

Reset (pin 15): En funcionamiento normal, este pin debe ser llevado a tierra (GND). Si queremos limitar el conteo a menos de 10 salidas, entonces se debe llevar el ultimo pin de la cuenta hacia el pin de Reset. Por ejemplo, queremos un conteo de 3 pasos, entonces se debe conectar, la salida 4 al pin de Reset, para iniciar nuevamente el conteo desde la primera posición. Clock Inhibit (pin 13): Normalmente debe estar conectado a tierra. Pero si queremos detener el conteo, este pin deberá recibir un estado alto, cuando pase nuevamente a nivel bajo, el conteo sigue desde donde se había detenido.

4.1 REGISTRO DE ENTRADA SERIE Y SALIDA SERIE En esta primera combinación el registro solo obtiene una sola línea de entrada de datos lo que significa que dichos datos se ingresan uno tras otro y estos datos serán almacenados por el registro

Carry out (pin 12): Cuando el conteo termina, este pin pasa a estado alto momentáneamente. Se

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4.1.1 CARACTERÍSTICAS      

En los registros de desplazamientos se debe tener presente que los biestables D deben ser siempre disparados mediante flancos Los bits de entrada deben ser sincronizados con la señal de reloj (clk), así el registro operara de forma adecuada. En la “Fig.4” se puede observar que las salida de cada biestable está conectado con la entrada del próximo Q0 indica la salida del registro serie Q3 indica la entrada de registro en serie. Se utiliza como unidad de retardo

4.3 REGISTRO DE ENTRADA PARALELO Y SALIDA SERIE Los datos de entrada son paralelos y las salidas en serie, por lo tanto se cuatro bits a la entrada y en la salida obtendremos un solo bit En estos registros se necesita un ciclo de reloj para almacenar el dato y cuatro ciclos de reloj para leer el dato

4.4 REGISTRO DE ENTRADA PARALELO Y SALIDA EN PARALELO

Figura 4 Estructura de un registro de 4 bits Fuente: Alexis Pilatasig, 2015

Los datos ingresan en paralelo en un determinado tiempo se da una señal y estos datos quedan automáticamente almacenados en las salidas del flip-flop

4.1.2 FUNCIONAMIENTO  

  

Todos los biestables deben estar reseteados En el momento de la señal de reloj empiece a funcionar aparecerá el primer flanco ya sea de subida o de bajada (esto dependerá mucho del biestable). El flanco permitirá que el dato de entrada del primer estable D3 pase a la salida Q3. Esta salida Q3 se vuelve el dato de entrada del segundo biestable D2 La salida Q2 pasa hacer la entrada del tercer biestable D2. La salida Q1 pasa hacer la entrada del cuarto bientable.

Figura 6 Registro de entrada paralelo y salida en paralelos Fuente: Alexis Pilatasig, 2015

4.5 CONTADOR 74LS164 Es un registro de desplazamiento de entrada serie y salida paralelo de 8 bits

4.2 REGISTRO DE ENTRADA SERIE Y SALIDA PARALELO La información de entrada es en serie y la salida se obtendrá en paralelo siempre y cuando hayan transcurrido los ciclos del reloj. Las entradas del biestable están conectadas a la salida del biestable y de la salida en paralelo.

Figura 7 Simbologia del 74ls164 Fuente: Datasheet, 2011

4.5.1 DESCRIPCIÓN DE PINES      

Figura 5 Registro de entrada serie y salida paralelo Fuente: Alexis Pilatasig, 2015

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Los pines 1 y 2 representan la entrada de registro en serie Los pines 3,4,5,6,10,11,12 y 13 son las salidas de datos en paralelo sin inversión El pin 9 es el pin de puesta a cero de todas las salidas El pin 14 polarizaciones positiva El pin 7 polarización negativa o tierra El pin 8 es la señal de reloj en forma de flanco ascendente

4.5.2 DESCRIPCIÓN Y APLICACIÓN 

En la primera fila de la tabla 2 se puede observar que todas las salidas están puestas a ceros sin importar el nivel lógico que tiene las entradas Ay B, basta que (MR)’ se encuentra con un nivel lógico de cero para que las salidas sean cero. En la Figura 6 se observa una aplicación del 74ls164 Tabla 2.Tabla del circuito 74ls164 Fuente: Alexis Pilatasig, 2015

Figura 10.Encendido de todas las salidas Fuente: Alexis Pilatasig, 2015

Figura 11.Apagado descendente de las salidas Fuente: Alexis Pilatasig, 2015

4.6 CONTADOR 74LS165 El 74ls165 es un registro de entrada paralela y salida serie de 8 bits. Figura 8 Aplicación del 74ls164 Fuente: Alexis Pilatasig, 2015 

Entre la fila 2 y fila 3 de la Tabla 2 permite que las salidas se enciendan consecutivamente como se observaren la “Fig. 9”.

Figura 12.Simbologia del 74ls165 Fuente: Datasheet, 2011

4.6.1 DESCRIPCIÓN DE PINES 

Figura 9. Encendido consecutivo Fuente: Alexis Pilatasig, 2015 



Si colocamos un nivel de cero lógico en la entrada A y manteniendo el valor lógico 1 de (MR) ´ la secuencia de las salidas van apagarse como se observa en la “Fig. 10” y “Fig. 11”

   

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Los pines 3,4,5,6,11,12,13,14 son las entradas en paralelo El pin 2 es la entrada del reloj el cual realiza la operación de desplazamiento Pin 15 es la entrada de deshabilitacion del reloj El pin 1 determina que operación tiene lugar desplazamiento o carga en paralelo. Pin 7 y 9 son las salidas en serie Pin 16 y 8 son polarización

Tabla 3 Función del 74ls165 Fuente: Alexis Pilatasig, 2015

SH/(LD)´ 0 1 1 1 1

Entradas CP CP INH X X 1 X X 1 ↑ 0 0 ↑

En los registros de desplazamientos se debe tener presente que los biestables D deben ser siempre disparados mediante flancos.

OPERACIÓN Carga en Paralelo Sin carga Sin carga Desplazamiento Desplazamiento

En los registros entrada paralelo y salida serie se necesita un ciclo de reloj para almacenar el dato y cuatro ciclos de reloj para leer el dato Los bits de entrada deben ser sincronizados con la señal de reloj (clk), así el registro operara de forma adecuada.

7. REFERENCIAS

En la “Fig 13” se puede observar una aplicación del 74ls165 el cual tiene 8 bits de datos de entrada, cada pin está conectado respecto a la señal que necesita, los datos de salida son en serie. con la tabla de funciones del C.I. se puede comprobar el funcionamiento.

[1] Diseño digital, Prentice Hall.

M. Morris Mano. Mexico DF 1987.

[2]

Sharatronica. (2015, julio 28). Sharatronica. recuperado de Sharatronica: http://www.sharatronica.com/cd4017.html

Figura 13 Aplicación del 74ls165 Fuente: Alexis Pilatasig, 2015

[3] http://www.dte.us.es/personal/amolina/contadores%20y%20r egistros/contadores%20y%20registros.pdf http://meteo.ieec.uned.es/www_Usumeteog/comp_sec_regis tros.html

6. CONCLUSIONES El contador en anillo tiene la ventaja de que no se requieren puertas de decodificación. En el caso de un contador en anillo de 10 bits, hay una única salida para cada dígito decimal. Las aplicaciones del CI CD4017 es muy amplia si se tiene el conocimiento de cómo trabaja este circuito integrado, tanto como contador como divisor, se estará preparado para poder aplicarlo sin ningún tipo de problema. El 74ls165 es un registro de entrada paralela y salida serie de 8 bits.

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