"LÓGICA SECUENCIAL" Unidad 7

Que es la lógica Secuencial?

La Lógica Secuencial es el Método de ordenamiento de acciones, razonamiento, y expresión de la automatización de maquinaria, equipos y procesos. Y su interrelación con el hombre. Esto nos da por consiguiente los binomios, hombre-máquina, hombre-proceso.

La lógica secuencial es un tipo de circuito de lógica que salida dependa no sólo de la actual entrada pero también de la historia de la entrada. Esto está en contraste con lógica combinacional, del que salida es una función, y solamente de, la actual entrada. Es decir la lógica secuencial tiene almacenaje (memoria) mientras que la lógica combinacional no. 

La lógica secuencial por lo tanto se utiliza para construir algunos tipos de computadora memoria, otros tipos de retrasan y los elementos del almacenaje, y autómatas finito. La mayoría de los circuitos de computadora prácticos son una mezcla de la lógica combinacional y secuencial. En los Circuitos Combinacionales las salidas están determinadas por completo por los valores presentes en las entradas.

En los Circuitos Secuenciales las salidas dependen de la conducta anterior del circuito, así como de los valores presentes en las entradas.

Los Circuitos Secuenciales   se realizan usando Lógica Combinacional y uno o más Flip-Flops.

Los circuitos lógicos se clasifican principalmente en circuitos de lógica combinacional, y circuitos de lógica secuencial. La diferencia entre éstos tipos de lógica radica en que, en el caso de los circuitos de lógica combinacional, su salida depende únicamente de el estado actual de sus entradas, pero en el caso de los circuitos de lógica secuencial su salida actual depende de alguna manera de las salidas anteriores, lo que implica que debe tener algun tipo de dispositivo de almacenamiento, o memoria.

 Los dispositivos básicos de memoria (de 1 bit), son los latches y los flip-flops. El funcionamiento de los latches y flip-flops es muy similar, y muchas personas suelen confundirlos. La diferencia principal entre los latches y los flip-flops, está en que los latches son activados por “nivel”, mientras que los flip-flops son activados por flancos (instantes de cambio de un nivel a otro).

Figura 1.

Para ver mejor ésta diferencia observemos el ejemplo de la figura 1, donde se compara el funcionamiento de un D latch y un D Flip-Flop. En éstos 2 dispositivos la entrada es D y la entrada CLK determina cuando se activa la salida. El latch es alto-activo y el flip-flop se activa con el flanco de subida (cambio de nivel bajo a nivel alto).

Podemos verificar ésto al ver el diagrama de ondas para el latch de la figura 1, ya que vemos que la salida toma el valor de la entrada en cualquier momento que CLK = 1. Sin embargo si vemos el diagrama de ondas del flip-flop, podemos ver que la salida toma el valor de la entrada unicamente en el instante en que CLK cambia de nivel bajo a nivel alto. También podemos ver que memorizan el nivel para otros instantes de CLK. También podemos ver que una forma sencilla de diferenciar el símbolo de un latch, de el de un flip-flop, es que el flip-flop en su terminal de entrada CLK tiene una figura triangular y el latch no. Este triángulo indica que el dispositivo es accionado por flancos. Se pueden obtener varios tipos de latches y flip-flops, activados por nivel alto, nivel bajo, flanco de subida o flanco de bajada. Usualmente cuando el dispositivo es bajo activo, o activado por flanco de bajada, se coloca una burbuja o círculo en la entrada CLK.

Los flip-flops tienen muchos usos en la práctica, son utilizados para implementar memorias volátiles (RAM), registros, contadores, divisores de frecuencia y máquinas de estados.

Divisores de Frecuencia

Los divisores de frecuencia son circuitos lógicos secuenciales que se utilizan para obtener señales de diferentes frecuencias, sincronizadas con un oscilador de frecuencia superior. Como se mencionó anteriormente, los flip-flops son utilizados para éste tipo de aplicación. Si observamos la figura 2, podemos ver que si conectamos la salida QN con la entrada D del flip-flop tipo D, obtebemos en la salda Q una señal de frecuencia f = 1/2T cuando la frecuencia de clk es 1/T. Evidentemente éste circuito divide entre 2 la señal periódica conectada en clk.

Figura 2. Flip-Flop T

Esta configuración de flip-flop también es conocida como flip-flop tipo T, y su funcionamiento consiste en invertir el nivel de salida en Q y QN a cada flanco de subida de CLK. Para obtener un mayor divisor de frecuencia, se pueden conectar flip-flop tipos T en secuencia, en donde el divisor de la frecuencia se obtiene mediante divisor = 2^n, donde n es el número de flip-flops.

Una manera más eficiente de implementar divisores de frecuencia es por medio del uso de contadores sincrónicos y lógica combinacional para generar la señal de salida. Su diseño es más complicado pero su comportamiento es más predecible y estable que el de los  flip-flop tipo T conectados en secuencia, ya que todos los flip-flop cambian al mismo tiempo con respecto al oscilador maestro.

Para describir el funcionamiento de un divisor de frecuencia utilizando VHDL, primero debemos definir un comportamiento del circuito. Podemos definirlo como un circuito que cuenta los pulsos de la señal de entrada CLK, cuando la cuenta < X cantidad entónces, la señal de salida Q = ‘1’, si cuenta > Y cantidad, entónces Q=’0′. Las cantidades X y Y se pueden variar de manera que se consigan diferentes ciclos de trabajo en la señal de salida. El contador debe ser una señal interna solamente, a menos que el valor de la cuenta sea requerido como una salida.

CARACTERÍSTICAS DE LOS CONVERTIDORES.

Es un dispositivo para convertir un código digital (generalmente binario, compuesto de ceros y unos) a una señal analógica (corriente, voltaje o carga eléctrica). Hay distintos componentes que pueden intervenir en este proceso, como interruptores simples, red de resistores, fuentes actuales o condensadores. Un convertidor de analógico a digital (ADC) realiza la operación inversa.

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS

Los principales parámetros que definen un convertidor digital analógico son, en primer lugar, su resolución, que depende del número de bits de entrada del convertidor. Otra característica básica es la posibilidad de conversión unipolar o bipolar. Una tercera la constituye el código utilizado en la información de entrada -generalmente, los convertidores digitales analógicos operan con el código binario natural o con el decimal codificado en binario (BCD)-. El tiempo de conversión es otra particularidad que define al convertidor necesario para una aplicación determinada. Es el tiempo que necesita para efectuar el máximo cambio de su tensión con un error mínimo en su resolución. Otros aspectos que posee el convertidor son: su tensión de referencia, que puede ser interna o externa (si es externa puede ser variada entre ciertos márgenes); la tensión de salida vendrá afectada por este factor, constituyéndose éste a través de un convertidor multiplicador; así mismo, deberá tenerse en cuenta la tensión de alimentación, el margen de temperatura y su tecnología interna.

UTILIDADES

La mayoría de las señales de audio modernas se almacenan de forma digital (por ejemplo, MP3s y CDs) y para poder ser escuchadas a través de altavoces deben ser convertidas en analógicas. Lectores de CD, reproductores digitales de la música, y tarjetas de sonido de los PC montan por ello un dispositivo de este tipo de forma interna.

El uso de un DAC independiente (en este número de CEC analizamos uno de ellos), también se puede encontrar como un chasis separado en sistemas de alta fidelidad. Estos DAC separados toman la salida digital de un lector de CD (o del transporte dedicado) y convierten la señal para enviársela al amplificador. Algunos de ellos pueden conectarse a ordenadores personales usando un interfaz del USB. De hecho, el análisis de Josep Armengol sobre el DAC Moon 300D nos explica cómo hacerlo.

ESPECIFICACIONES DE UN DAC

Existe una amplia variedad de DAC como circuitos integrados o bien como paquetes encapsulados. Hay que conocer las especificaciones más importantes de los fabricantes a fin de evaluar un DAC en una determinada aplicación.

- Resolución: La resolución porcentual de un DAC depende única y exclusivamente del número de bits. Por esta razón, en las fichas técnicas se detalla de esta manera. Un DAC de 10 bits tiene una resolución más sensible (mayor exactitud) que uno de 8 bits. Este dato es extrapolable a las especificaciones de lectores de CD o equipos integrados.

- Precisión: Los fabricantes de DAC tienen varias maneras de establecer la precisión o exactitud. A las dos más comunes se las llama Error de Escala Completa y Error de Linealidad (o en ocasiones, directamente linealidad), que normalmente se expresan como un porcentaje de la salida de escala completa del convertidor (%FS).

El error de escala completa es la máxima desviación de la salida del DAC de su valor estimado (teórico). 

El error de linealidad es la desviación máxima en el tamaño de etapa del teórico. Algunos de los DAC menos económicos tienen errores de escala completa y de linealidad en el intervalo 0.01% - 0.1%.

- Tiempo de respuesta: La velocidad de operación de un DAC se explica como tiempo de respuesta, que es el periodo que se requiere para que la salida pase de cero a escala completa cuando la entrada binaria cambia de todos los ceros a todos los unos. Los valores comunes del tiempo de respuesta variarán de 50 ns a 10 ms. En general, los DAC con salida de corriente tendrán tiempos de respuesta más breves que aquéllos con una de voltaje. Por ejemplo, un DAC puede operar como salida de corriente o bien de voltaje. Su tiempo de respuesta a su salida es menor cuando se utiliza salida de corriente que cuando se emplea la de voltaje. 

- Voltaje de balance: En teoría, la salida de un DAC será cero voltios cuando en la entrada binaria son todo ceros. En la práctica, habrá un voltaje de salida pequeño producido por el error de balance del amplificador del DAC. Este desplazamiento es comúnmente 0.05% FS. Casi todos los DAC con voltaje tendrán una capacidad de ajuste de balance externo que permite eliminar el desequilibrio.

Si bien las indicaciones de los fabricantes frecuentemente no se ajustan a la realidad, al menos ya sabemos para qué sirve y cómo funciona un convertidor digital analógico. El objetivo, como siempre hacemos en CEC, es que el lector tenga su propio criterio para afrontar la búsqueda o compra de un DAC.

APLICACIONES DE LOS DAC

Los DAC se utilizan siempre que la salida de un circuito digital tiene que ofrecer un voltaje o corriente analógicos para impulsar o activar un dispositivo analógico. Algunas de las aplicaciones más comunes se describen a continuación:

- Control: La salida digital de una computadora puede convertirse en una señal de control analógica para ajustar la velocidad de un motor o para controlar casi cualquier variable física.

- Análisis automático: Los ordenadores personales pueden ser programados para generar las señales analógicas (a través de un DAC) que se necesitan para analizar circuitos analógicos. La respuesta de salida analógica del circuito de prueba normalmente se convertirá en valor digital por un ADC. 

- Control de amplitud digital: Un DAC multiplicativo se puede utilizar para ajustar digitalmente la amplitud de una señal analógica. Recordemos que éste genera una salida que es el producto de un voltaje de referencia y la entrada binaria. Si dicho voltaje es una señal que varía con el tiempo, la salida del DAC seguirá esta señal, pero con una amplitud determinada por el código de entrada binario. Una utilización normal de esta aplicación es el “control de volumen” digital, donde la salida de un circuito o computadora digital puede ajustar la amplitud de una señal de audio.

- Convertidores A/D: Varios tipos de convertidores A/D utilizan unos DAC que son parte de sus circuitos.

 

El denominado convertidor analógico-digital (CAD), por su parte, es capaz de transcribir las señales analógicas en señales digitales para que su procesamiento resulte más simple y para que la señal lograda tenga más protección contra las interferencias y el ruido.

El convertidor digital-analógico realiza el procedimiento inverso y convierte la señal digital en una señal analógica. Estos convertidores son frecuentes en los reproductores de audio para que los sonidos digitales (como el MP3) puedan ser oídos mediante los altavoces.

De la misma forma tampoco podemos olvidar que actualmente en el ámbito de la informática nos encontramos con otra herramienta que también se conoce por el nombre de convertidor. Así, este se califica al programa o aplicación que da la oportunidad a un usuario en concreto de hacer que un archivo que se encuentra en un formato determinado pase a estar en otro.

Un claro ejemplo de ello es el conjunto de convertidores online que nos encontramos en la Red que nos ofrecen la opción de convertir un archivo de vídeo que está en .avi en otro que tenga una extensión .mp3. Una opción que se realiza con frecuencia no sólo para lograr que dicho archivo “pese” menos sino también para poder visualizarlo pues hay muchos reproductores que no tienen la capacidad de reproducir el formato .avi.

Además de todo lo expuesto también nos encontramos con otra clase de convertidor que podemos utilizar en nuestra vida diaria. En concreto, es aquel que nos da la oportunidad de calcular las aplicaciones de cambios en lo que respecta a distintas monedas oficiales. Así, por ejemplo, si nos dan una cantidad en dólares y queremos saber a cuántos euros equivale la misma sólo tendremos que hacer uso de ese mencionado tipo de convertidor.

Un sistema este muy útil que también podemos encontrar que trabaja con otra serie de medidas o valores. De esta manera, nos encontramos con convertidores que operan con unidades de volumen, de peso, de tiempo, de distancia o de masa.

Un convertidor de par, por último, se utiliza en la transmisión automática de los coches junto a un kit de engranajes. El convertidor de par dispone de una bomba que lanza aceite hidráulico y de una turbina que recibe dicho aceite, generando la fuerza mecánica.