Los sistemas combinacionales y secuenciales tienen gran variedad de aplicaciones en la vida real. En la mayoría de sistemas digitales encontrados en la práctica se incluyen elementos que memorizan la información, por lo cual se requieren de circuitos secuenciales.
El objetivo de esta lección consiste en dar aplicabilidad a la teoría vista en este capítulo, mediante dos ejemplos sencillos, con los cuales se harán uso de las herramientas de análisis y diseño de circuitos secuenciales: la implementación de un semáforo y un control de un motor de pasos.
Implementación de un Semáforo
Construir el circuito lógico para un semáforo que responda a la siguiente secuencia: Verde, Amarillo, Rojo y Rojo/Amarillo.
El semáforo tiene cuatro estados, los cuales se pueden representar con 2 flip-flops, sin embargo para asignar el tiempo de duración de cada estado se emplearan 3 flip-flops, de los cuales se pueden obtener 8 estados, cuyos tiempos se pueden distribuir de la siguiente forma:
- Verde (3 ciclos)
- Amarillo (1 ciclo)
- Rojo (3 ciclos)
- Rojo-Amarillo (1 ciclo)
Donde cada ciclo representa una transición en la señal de reloj. Observe que la duración de la secuencia de los cuatro estados es de 8 ciclos.
El primer paso para realizar el diseño consiste en asignar los estados lógicos, como se puede notar en la tabla 7.4.1. Esta asignación de estados se puede hacer de forma libre y no necesariamente debe corresponder a una secuencia binaria, sin embargo, en este caso por comodidad sean establecido de esta forma para implementar el circuito con base en un contador sincrónico de tres bits.
Color
|
Salidas de los flip-flops
|
Salidas al Semáforo
| ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
Q2
|
Q1
|
Q0
|
V
|
A
|
R
| |
Verde>
|
0
|
0
|
0
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
0
| |
0
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
| |
Amarillo
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
Rojo
|
1
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
1
|
0
|
1
|
0
|
0
|
1
| |
1
|
1
|
0
|
0
|
0
|
1
| |
Rojo-Amarillo
|
1
|
1
|
1
|
0
|
1
|
1
|
Tabla 7.4.1. Asignación de estados
En la figura 7.4.1 se observa un contador sincrónico de tres bits construido con flip-flops JK, a partir del cual se realizará el diseño. El objetivo de hacer uso del contador es emplear sus salidas (Q2, Q1 y Q0) para generar los estados de las variables V, A y R (Verde, Amarillo y Rojo) del semáforo.
Figura 7.4.1. Contador de tres bits
El siguiente paso consiste en deducir la logica combinacional adicional para generar los estados de las variables V, A y R. Para ello se deben construir los mapas de Karnaugh y obtener las ecuaciones lógicas. En la figura 7.4.2 se muestran los mapas con las ecuaciones resultantes para cada variable.
Figura 7.4.2. Mapas de Karnaugh
Con las expresiones obtenidas solo resta agregar la lógica al contador de la figura 7.4.1. El diseño del final del circuito de muestra en el ejemplo Visual.
Motor paso a paso operando en forma unipolar
Un motor de pasos es un tipo especial de motor diseñado para rotar un determinado ángulo como respuesta a una señal en su circuito de control. Estos motores se utilizan en varios sistemas de control de posición debido a la presición que manejan.
Este tipo de motor puede tener una o dos bobinas por fase. Los que tienen una bobina por fase se conocen como motores de tres hilos y los que tienen dos bobinas por fase se conocen como motores de devanado partido. Para este ejemplo se empleará un motor de fase partida, como el que se indica en la figura 7.4.3. Observe la foma en que debe ser conectado para hacer el control.
Figura 7.4.3. Motor de pasos de devanado partido
En este ejemplo se hará el diseño del circuito de control para manejar cuatro pasos, los cuales corresponden a la posición de los interruptores se indican en la tabla 7.4.2.
| Numero de paso | Estado de los interruptores | |||
|---|---|---|---|---|
| S1 | S2 |
S3
| S4 | |
| 1 | ON | OFF | OFF | ON |
| 2 | ON | OFF | ON | OFF |
| 3 | OFF | ON | ON | OFF |
| 4 | OFF | ON | OFF | ON |
Tabla 7.4.2. Secuencia de estados de los interruptores (4 pasos)
Los interruptores se pueden controlar de dos formas, ya sea con tiristores (SCR's) o mediante el uso de relevos. En la figura 7.4.4 se observan las dos opciones para manejar los interruptores.
Figura 7.4.4. Interruptor por relevo y de estado solido
Observando la tabla 7.4.2, se puede notar que los estados de los interruptores S1 y S2, son complementarios, al igual que los interruptores S3 y S4, lo cual simplifica el diseño del circuito.
El primer paso para realizar el diseño de la unidad de control, consiste en asignar los estados lógicos y seleccionar el tipo de flip-flop con el cual se implementará el circuito lógico. En la tabla 7.4.3 se relacionan los estados lógicos de las salidas y los estados de las entradas j y k de los flip-flops. Note que las variables S2 y S4 no se tuvieron en cuenta, debido a que sus estados son el complemento de S1 y S3 respectivamante.
| Estado Actual | Entrada | Estado Siguiente | Estadas de los flip-flops | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
S1
|
S3
|
D
|
S1
|
S3
|
J1
|
K1
|
J3
|
K3
|
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | X | 1 | 0 | X |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | X | 0 | X | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | X | X | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | X | 1 | X |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | X | 0 | 1 | X |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | X | 1 | X | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | X | X | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | X | 0 | X |
Tabla 7.4.3. Tabla de estado
El siguiente paso consiste en construir los mapas de Karnaugh para los estados de los flip-flops (J1, K1, J3, K3). Tales estados se indican en los mapas de Karnaugh mostrados en las figura 7.4.5 con las ecuaciones lógicas correspondientes.
Figura 7.4.5. Mapas de Karnaugh
El último paso del diseño consiste en construir el circuito lógico a partir de las ecuaciones lógicas obtenidas, el cual se muestra en la figura 7.4.6.
Figura 7.4.6. Diseño final del circuito lógico
Observe que los estados S2 y S4 no se tuvieron en cuenta en el diseño debido a que los flip-flops por defecto entregan en sus salidas una variable y su complemento.
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