Fundamentos de Circuitos Secuenciales Digitales: Biestables, Registros y Contadores

Circuitos Secuenciales Digitales

Un circuito secuencial es aquel cuya salida depende no solo de las entradas actuales, sino también de su estado anterior (historial). Utilizan realimentación, donde la salida se reinserta en alguna entrada. Ejemplos comunes son los circuitos multivibradores y los biestables.

Componentes Fundamentales

Señal de Reloj (Clock)

• Trabajan con un tren de impulsos de frecuencia variable.
• Habilitan o no el funcionamiento del circuito.
• Pueden operar por nivel alto o nivel bajo.

Tipos de Biestables (Flip-Flops)

Biestable R-S (Set-Reset)

• Asíncrono: No utiliza señal de reloj y no está sincronizado.
• Síncrono por Nivel: Existe un problema si el reloj permanece en nivel alto, ya que puede ocurrir un cambio no deseado.

Biestable J-K

Es una evolución del R-S, diseñado para evitar la situación de indeterminación (o estado prohibido) que sucedía en el R-S.

Biestable Tipo D (Data)

Normalmente son síncronos por flanco. Poseen una única entrada y la salida sigue a la entrada cuando se recibe un flanco de reloj (ascendente o descendente).

Biestable Tipo T (Toggle)

Se trata de una aplicación del biestable J-K. Por cada impulso de reloj, la salida bascula (cambia de valor). Este circuito:

• Duplica el periodo de la señal de entrada.
• Divide entre dos la frecuencia de la señal de entrada.

Biestable con Funciones Asíncronas (Preset y Clear)

Pueden actuar por nivel alto o bajo, independientemente de la señal de reloj:

• Reset (PR - Preset): Pone la salida a 1 (Q=1).
• Clear (CLR): Pone la salida a 0 (Q=0).

Sistemas de Almacenamiento y Desplazamiento

Registros de Almacenamiento

Son circuitos que, en momentos determinados (normalmente sincronizados por impulsos de reloj), muestran en su salida los datos presentes en la entrada. Trabajan con $N$ bits en la entrada y salida. Se clasifican en:

• Almacenamiento puro.
• Desplazamiento (desplazan los bits hacia la derecha o izquierda).

Registros de Desplazamiento

Sirven para transferir la información de entrada a la salida, desplazando los bits secuencialmente (Bit a Bit) hacia la izquierda o derecha. Las entradas y salidas de datos pueden ser en serie o paralelo.

Clasificación por Modo de Operación

• Serie-Serie (SISO): Entrada y Salida en serie.
• Serie-Paralelo (SIPO): El dato entra en serie y se desplaza por cada impulso de reloj hasta aparecer en paralelo en las salidas.

Implementaciones Específicas

• Registro Desplazamiento Serie-Serie: Entran en serie y salen en serie, desplazados hacia la izquierda.
• Registro Desplazamiento Serie-Paralelo: Desplazamiento hacia la derecha.

Contadores Digitales

Definición y Aplicaciones

Son circuitos construidos a base de biestables Tipo T, capaces de contar los impulsos de reloj que van llegando y expresar esa cuenta en la salida en código binario. Este circuito es típico para relojes digitales y para gestionar secuencias en circuitos más amplios. Generalmente, dividen la frecuencia de la señal original del reloj en dos por cada etapa.

Tipos de Contadores

Contadores Asíncronos

Las señales de reloj de cada biestable son la salida del biestable anterior. No existe una sincronización centralizada.

Contadores Síncronos

Son aquellos en los que la señal de reloj es la misma y se aplica simultáneamente a todos los biestables del contador.