Sistemas Digitales Tema 12

CARRERA PROFESIONAL DE ELECTRONICAINDUSTRIAL SISTEMAS DIGITALES TEMA 12: SISTEMAS SECUENCIALES 12.1. INTRODUCCIÓN En los circuitos combinacionales la salida en un determinado momento depende únicamente de los valores de las señales de entrada en el mismo instante. Sin embargo, en el mundo real la mayor parte de los sistemas con los que nos enfrentamos tienen una dimensión adicional: el funcionamiento de los mismos depende no únicamente de sus entradas actuales, sino también de la historia por la que han pasado. Así, los circuitos secuenciales surgen para solucionar las limitaciones intrínsecas de los combinacionales. En este capítulo se inicia el estudio de los fundamentos de la lógica secuencial. Se cubren los circuitos biestables, monoestables y los dispositivos lógicos aestables, denominados multivibradores. Los dispositivos biestables se dividen en dos categorías: flip-flops y latches. Los biestables poseen dos estados estables, denominados SET (activación) y RESET (desactivación), en los cuales se pueden mantener indefinidamente, lo que les hace muy útiles como dispositivos de almacenamiento. La diferencia básica entre latches y flip-flops es la manera en que cambian de un estado a otro. Los flip-flops son los bloques básicos de construcción de los contadores, registros y otros circuitos de control secuencial, y se emplean también en ciertos tipos de memorias. El multivibrador monoestable, normalmente denominado monoestable, tiene un único estado estable. Un monoestable genera un único impulso de anchura controlada cuando se activa o dispara. El multivibrador aestable no tiene ningún estado estable y se emplea principalmente como oscilador, es decir, como generador de señales automantenido. Los osciladores de impulsos se emplean como fuentes de señales de temporización en los sistemas digitales. 12.2. ASPECTOS GENERALES DE LOS CIRCUITOS SECUENCIALES Los circuitos secuenciales son sistemas que, además de entradas y salidas, también tienen estados que recuerdan la historia pasada por el circuito. Utilizan la información del estado conjuntamente con una combinación lógica de sus entradas de datos para determinar el futuro estado del sistema y sus salidas. Por tanto, una de sus características es que las mismas entradas en estados diferentes dan lugar a salidas distintas, ya que estas dependen también del estado. Muchos de los sistemas digitales prácticos se realizan siguiendo la filosofía de los circuitos secuenciales (circuitos de control, sistemas de alarma y seguridad, relojes, etc.). Podemos considerar como ejemplo una máquina expendedora (simplificada), que representaríamos como se muestra en la figura 1. 1 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES  Figura 1. Representación de una máquina expendedora. En la figura 1 pueden verse varios estados, en los que el sistema espera monedas o la selección de productos, o entrega el producto. Estos estados memorizan la última acción del usuario, de forma que el sistema puede responder a las nuevas acciones de forma diferente dependiendo de la historia pasada: si seleccionamos producto, la salida no será la misma si ya le hemos entregado el dinero o todavía no. Este puede ser un ejemplo sencillo de máquina secuencial, y a partir de ahora formalizaremos el concepto y estudiaremos la forma de analizar y diseñar este tipo de circuitos. Estructura general y funcionamiento La estructura general de un circuito secuencial responde al diagrama de bloques de la figura 2 (modelo de Huffman). Como se puede observar, incluye un circuito combinacional y un bloque de memoria (formado por flip-flops, por ejemplo). Existen “u” entradas físicas cada una de las cuales la identificaremos por la letra “X” (X0, X1,... Xu-1), “v” líneas de salida, que identificaremos por la letra “Z” (Z0, Z1,... Zv-1), y “p” elementos de memoria que identificaremos por la letra M (M0, M1,... Mp-1). Cada elemento de memoria tiene unas entradas que vamos a denominar Ei y una salida que llamaremos Qi que almacenará el estado actual del circuito. Figura 2. Esquema general de un sistema secuencial 2 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES   Estados presentes: Son los valores que toman las variables secundarias (y1, y2,..., ym) debido a los estados siguientes y a las transiciones.  Estados siguientes: Son los valores que toman las variables de excitación (Y1, Y2,..., Ym) debido a los estados presentes. Como consecuencia de la definición anterior podemos llegar a la conclusión de que este tipo de circuitos son capaces de memorizar información y que esta información en un momento dado depende de las entradas ocurridas en el circuito hasta ese momento. El circuito no es capaz de memorizar todas las entradas ocurridas hasta un instante de tiempo determinado, sino solo una cierta parte. A la información almacenada se le denomina estado del sistema, y el número máximo de informaciones almacenables es el número de estados posibles del sistema. El diagrama de bloques de un circuito secuencial en resumen es: Figura 3. Diagrama de bloques característico de un sistema secuencial El circuito secuencial recibe información binaria de su ambiente a través de las entradas E, las cuales, en combinación con el estado actual Q(t) (almacenado en los elementos de almacenamiento), determinan el valor binario de las salidas S y el siguiente estado Q(t+1). Las salidas de un circuito secuencial son las salidas del circuito combinacional. 12.3. Funciones de transición Un circuito o sistema secuencial queda definido por dos funciones lógicas, llamadas funciones de transición:  Función de salida: nos indica cómo depende la salida o salidas, de las entradas actuales y del estado actual.  Función de transición de estado: nos indica como depende el nuevo estado del estado anterior y de las entradas al sistema. 12.3.1. Función de salida Si designamos por:  S(t) = salidas en el mismo instante de tiempo t.  E(t) = entradas en el mismo instante de tiempo t. 3 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES   Q(t) = estado en el instante de tiempo t. La función de salida puede expresarse: S (t) = F [ E (t), Q (t) ] 12.3.2. Función de transición de estado Nos indica si unas determinadas entradas producen un cambio en el estado y a qué estado se cambia. La función puede expresarse: Q(t+1) = G [ E(t), Q(t) ] Tanto F como G son funciones lógicas, exactamente iguales a las estudiadas hasta ahora. La única novedad, que confiere a los circuitos secuenciales propiedades totalmente distintas a los combinacionales, es el hecho de que existe realimentación. La función G nos da los valores Q en función de los propios valores Q anteriores. Las mismas variables son variables de entrada y salida de la función. Las funciones F y G pueden expresarse mediante tablas de verdad. como cualquier otra función. Por el hecho de existir realimentación, se les denomina tablas de transición del circuito secuencial. 12.4. Cronogramas Hemos visto que los circuitos secuenciales tienen una estructura tal que las salidas dependen del tiempo, ya que el estado depende de las entradas y éstas son función del tiempo. Aunque las tablas de transición permiten definir un circuito secuencial, cuando éste es complejo, es más cómodo manejar una representación gráfica de las variables en función del tiempo. A esta representación se le llama cronograma. Más adelante veremos los cronogramas de los distintos biestables. 12.5. TIPOS DE CIRCUITOS SECUENCIALES Los sistemas secuenciales se pueden clasificar en dos grandes bloques: síncronos y asíncronos. Esta clasificación se hace atendiendo a los tipos de elementos de memoria (Mi) utilizados. La diferencia entre los sistemas secuenciales síncronos y asíncronos está en que en los primeros los cambios de estado son controlados por una señal de referencia común (señal de reloj) y en los segundos no. 12.6. LATCHES El latch (cerrojo) es un tipo de dispositivo de almacenamiento temporal de dos estados (biestable), que se suele agrupar en una categoría diferente a la de los flip- flops. Básicamente, los latches son similares a los flip-flops, ya que son también dispositivos de dos estados que pueden permanecer en cualquiera de sus dos estados gracias a su capacidad de realimentación, lo que consiste en conectar (realimentar) cada una de las salidas a la entrada opuesta. La diferencia principal entre ambos tipos de dispositivos está en el método empleado para cambiar de estado. 4 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES 12.6.1. El latch S-R (SET-RESET) Un latch es un tipo de dispositivo lógico biestable o multivibrador. Un latch S-R (Set- Reset) con entrada activa a nivel ALTO se compone de dos puertas NOR acopladas, tal como se muestra en la Figura 4; un latch con entrada activa a nivel BAJO está formado por dos puertas NAND conectadas tal como se muestra en la Figura 5. Observe que la salida de cada puerta se conecta a la entrada de la puerta opuesta. Esto origina la realimentación (feedback) regenerativa característica de todos los latches y flip-flops. Figura 4. Latch S-R con entrada activa a nivel ALTO Figura 5. Latch 𝑆-𝑅 con entrada activa a nivel BAJO 12.6.2. LATCH SET-RESET 74LS279 El 74LS279 es un cuádruple latch S R representado por el diagrama lógico de la Figura7.7(a) y cuyo diagrama de pines es el mostrado en la parte b de la misma figura. Observe que dos de los latches tienen dos entradas. 5 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES  Figura 6. Latch Set-Reset 74LS279 También existe el latch set y reset con tecnología CMOS el cual es el CD4043. 12.7. FLIP-FLOPS (biestables) Un flip-flop difiere de un latch en la manera en que cambia de estados. Un flip-flop es un dispositivo disparado por una señal de reloj, en el cual solamente un flanco del pulso de reloj determina cuando se ingresa un nuevo bit. El flanco activo puede ser positivo o negativo. 12.7.1. Biestable RS El biestable básico es el RS. Su símbolo lógico se muestra a continuación. Tiene dos entradas S(set) y R(reset), y tiene dos salidas complementarias Q (qn) y 𝑄 , tiene además una entrada CLK(reloj) que viene a ser una entrada de habilitación: Figura 7. Flip-flop S-R sincronizado por reloj 6 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES  Figura 8. Diagrama de tiempos de un Flip flop S-R sincronizado por reloj Figura 9. Versión simplificada de los circuitos internos de un flip flop S-R sincronizado por reloj 7 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES  Figura 10. Flip flop sincronizado por reloj SR, dispara solo en transiciones de pendiente negativa 12.7.2. Biestable D (Latch) Se trata de otro tipo de Biestable, esta vez, con una entrada D(datos) y dos salidas de estados complementarias, Q. Cuenta además con una entrada de CLK(reloj), que funciona como habilitador “disparando” el biestable. También puede contar con dos entradas más, conocidas por PR (de preset: reiniciar) y CLR (de clear: despejar). El Biestable D que aparece en la figura, puede funcionar de dos formas:  Síncrona: usa una señal de reloj.  Asíncrona: usa las señales PR Y CLR. De forma síncrona lo hace de la siguiente manera: Si la transición de la señal de reloj es de bajo a alto (o sea, de 0 a 1) se traslada el dato D a la salida, se dice que el biestable ha sido disparado por la señal de reloj. Si por el contrario la transición en el pulso de reloj es de estado alto a bajo (o sea, pasa de 1 a 0) el biestable no responde. Las entradas PR y CLR son lo que se llaman entradas asíncronas, pues independientemente de cómo esté la señal de reloj, reiniciarán (pondrán un 1 en la salida) o despejarán (pondrán un 0 en la salida) el biestable. Éste es el modo de funcionamiento asíncrono. Un biestable como el de la figura se dice disparado por flanco de subida. Figura 11. Flip-flop D sincronizado por reloj 8 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES  Figura 12. Diagrama de tiempos de un Flip flop D sincronizado por reloj 12.7.3. Biestable JK El biestable JK puede considerarse como el biestable universal. Dispone de tres entradas síncronas J y K, para especificar la operación y CLK, para disparar el biestable. También consta de dos entradas asíncronas PR y CLR, y por supuesto dos salidas complementarias. Este es su símbolo tradicional y su tabla de funcionamiento: Figura 13. Flip-flop J-K sincronizado por reloj Figura 14. Diagrama de tiempos de un Flip flop D sincronizado por reloj 9 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES  Figura 15. Flip flop JK solo se dispara con las transiciones de pendiente negativa Figura 16. Circuito interno de un Flip flop J-K. 12.7.4. Biestable T Se trata de un biestable que cambia de estado con cada pulso de reloj: Figura 17. Tabla de estados y circuito característico de un Flip flop T. 10 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES 12.8. TABLA DE EXCITACIÓN DE LOS BIESTABLES 12.8.1. Tabla de excitación del Flip-flop S-R Durante el proceso de diseño se conocen por lo general la transición del estado presente al estado siguiente al que se desea: encontrar las condiciones de entrada del FF que causen la transición requerida. Y por esta razón se necesita una tabla que liste las entradas necesarias para un cambio de estado dado. A este tipo de tabla se le conoce como tabla de excitación, en la Tabla 1 se presenta la tabla de excitación de los Flip Flop S-R. Figura 18. Circuitos internos de un FF S-R, símbolo normalizado del FF S-R. Tabla 1. Tabla de excitación del Flip flop SR. 12.8.2. Tabla de excitación del Flip-flop JK El Flip Flop J-K es simplemente una versión modificada del S-R para que ambas entradas puedan activarse al mismo tiempo. Para el FF S-R está condición fue considerada no válida, en el caso del FF JK está en una condición de salida permitida sobre ciclos de reloj sucesivos. Éste comportamiento y la representación estándar del FF J-K se ilustra en la tabla 2. Figura 19. Flip flop J-K, Diagrama lógico y símbolo gráfico. 11 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES  Tabla 2. Tabla de excitación del FF JK 12.8.3. Tabla de excitación del Flip-flop D El Flip flop D (Data) tiene una entrada de control D y dos salidas Q y Q. Es una versión modificada del S-R mediante un inversor colocado entre las terminales S y R. La disposición del circuito se puede observar en la figura 5.4 (b). Se observa que el patrón de la onda lógica Q es un duplicado exacto de la onda de datos de entrada D con un retraso de tiempo. Figura 20. Flip flop D, diagrama lógico y símbolo gráfico. Tabla 3. Tabla de excitación del FF D 12.8.4. Tabla de excitación del Flip-flop T El Flip flop T (Toggle) tiene sólo una entrada de control y es una variante del FF J-K. Esta se obtiene interconectando las dos entradas J y K para generar una sola entrada T. Observar figura 21. Figura 21. Flip flop T, diagrama lógico y símbolo gráfico. 12 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES  Tabla 4. Tabla de excitación del Flip-Flop T 12.9. EL TEMPORIZADOR 555 12.9.1. FUNCIONAMIENTO COMO MONOESTABLE Para configurar un temporizador 555 como monoestable no redisparable, se utilizan una resistencia y un condensador externos, tal como se muestra en la Figura 22. La anchura del impulso de salida se determina mediante la constante de tiempo, que se calcula a partir de R1 y C1 según la siguiente fórmula: tW = 1,1 R1.C1 La entrada de la tensión de control no se utiliza y se conecta a un condensador de desacoplo C2, para evitar la aparición de ruido que pudiera afectar los niveles umbral y de disparo. Figura 22.El temporizador 555 conectado como monoestable. Antes de aplicar el impulso de disparo, la salida está a nivel BAJO y el transistor de descarga Q1 conduce, manteniendo C1 descargado, como se muestra en la Figura 22. Cuando se aplica un impulso de disparo negativo en el instante t0, la salida pasa a nivel ALTO y el transistor de descarga se bloquea, permitiendo al condensador C1 comenzar a cargarse a través de R1, como se muestra en la parte (b). Cuando C1 se ha cargado hasta 1/3 de VCC, la salida pasa de nuevo a nivel BAJO en t1 y Q1 entra en conducción inmediatamente, descargándose C1, como se indica en la parte (c). Como puede ver, la velocidad de carga de C1 determina cuánto tiempo va a estar la salida a nivel ALTO. 13 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES El temporizador 555 se puede configurar de varias maneras, incluyendo la posibilidad de configurarlo como monoestable. Un monoestable básico se muestra en la figura 23. El ancho de pulso se determina por las constantes R1C1 y es aproximadamente. tW = 1,1 R1.C1. Figura 23.El temporizador 555 operando en modo monoestable. Ejemplo1.- Determinar el ancho de pulso para el circuito que se muestra en la figura 24. Solución: tW = 1.1R1C1 = 1.1(10 kW)(2.2 uF) =24.2 ms Figura 24. Tiempo de duración del pulso en modo monoestable. 12.9.2. FUNCIONAMIENTO COMO AESTABLE En la Figura 7.56 se muestra un temporizador 555 conectado para funcionar como multivibrador aestable, que es un oscilador no sinusoidal. Observe que, en este caso, la entrada umbral (THRESH) está conectada a la entrada de disparo (TRIG). Los componentes externos R1, R2 y C1 conforman la red de temporización que determina 14 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES la frecuencia de oscilación. El condensador C2 de 0,01 μF conectado a la entrada de control (CONT) sirve únicamente para desacoplar y no afecta en absoluto al funcionamiento del resto del circuito; en algunos casos se puede eliminar. Figura 25. El temporizador 555 configurado como multivibrador aestable (oscilador). El 555 se puede configurar también como un multivibrador aestable básico como se muestra en el siguiente circuito. En este circuito C1 carga a través de R1 y R2 y descarga a través de R2. La frecuencia de salida está dada por: Figura 26. Configuración aestable Dadas las componentes, se puede leer la respuesta desde el gráfico. Alternativamente, se puede usar el gráfico para tomar los componentes de una frecuencia deseada. 15 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES  Figura 27. Frecuencia de oscilación en función de C1 y R1 + 2R2. Las líneas diagonales representan los valores de R1 + 2R2. EJERCICIOS PROPUESTOS EJERCICIO 1.- Realizar el circuito de control de un motor trifásico de inducción. Para el sistema de arranque se posee un pulsador de START, y para la parada un pulsador de STOP. El sistema además posee un interruptor general, fusibles y relé térmico para la protección contra sobrecargas. 16 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES EJERCICIO 2.- un biestable JN tiene dos entradas, J y N. J se comporta de manera idéntica a la entrada de J de un biestable JK, K se comporta como la entrada de K complementada de un biestable JK. a) Escribir su tabla característica. b) Escribir su tabla de excitación. EJERCICIO 3.-Convertir Un Flip Flop D En Un Flip-Flop J-k Añadiendo la Lógica externa adecuada. EJERCICIO 4.- El sentido del pasillo es el marcado por la flecha. Cuando la fotocélula A detecta una presencia, enciende la bombilla 1 y el ventilador. Cuando la fotocélula B detecte presencia. Apagara la bombilla 1 y encenderá la bombilla 2. Finalmente la fotocélula C apagara todo el sistema. Este proceso solo se iniciara con un pulsador de marcha y se desconectara con un pulsador de paro. EJERCICIO 5.- Convertir Un Flip-Flop T En Un Flip-Flop J-k Añadiendo la Lógica externa adecuada. EJERCICIO 6.- Arranque secuencial de dos motores. La bomba de aceite arranca primero en seguida recién se puede arrancar el motor principal. Por ninguna manera puede arrancar primeramente el motor principal, este es condicionado al arranque del motor de aceite. 17 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES EJERCICIO 7.- Llenado de Tanques en Secuencia. Se trata de llenar tres tanques agua de forma secuencial. El Sistema de control deberá llenar en primer lugar el tanque nº1 para posteriormente proceder al llenado de los tanques nº 2 y nº 3. Para tal fin disponemos en cada tanque de una electroválvula y un sensor de nivel máximo. El proceso se iniciará al activar el interruptor Marcha-Paro. Condiciones iníciales: Los tres tanques están vacios - Electroválvulas cerradas - Sensores de nivel abiertos. - Motor bomba parado. Condiciones de seguridad: No se puede activar la electroválvula de un tanque si éste está lleno. No se puede activar el motor si los depósitos están llenos y/o todas las electroválvulas están cerradas. EJERCICIO 8.- Taladro Automático. Utilizando un autómata programable, se desea gobernar un taladro semiautomático, cuyo proceso de funcionamiento es el siguiente: al pulsar S1, y estando el portabrocas arriba, S3 activado, el portabrocas (Q3) comienza a girar y el taladro baja (Q2) hasta tocar el interruptor de posición S4. En ese momento, con la pieza ya agujereada, el taladro comienza a subir hasta tocar S3, momento en el que se detiene todo el proceso. Si en cualquier etapa de funcionamiento se pulsa S2 (parada), la máquina se detiene. 18 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES EJERCICIO 9.- Se tiene un proceso en el cual se tiene una bomba de agua y un tanque. la bomba arranca si se presiona START, la bomba solo bombea agua si hay agua en el tanque, caso contrario no bombea agua a pesar que se presione el pulsador de arranque. También se posee un pulsador de paro de emergencia. EJERCICIO 10.- Hay tres grupos de participante en un juego. Alumnos de primaria, estudiantes de la escuela superior y profesores. Si ellos quieren contestar las preguntas hechas por el moderador, ellos deben presionar el botón para contestar. Si un grupo presiona el pulsador de respuesta, los pulsadores de los otros grupos quedan inválidos. En el grupo de estudiantes de primaria hay dos pulsadores para responder, en el grupo de estudiantes de la escuela superior hay solo un pulsador para responder y finalmente en el grupo de profesores hay dos pulsadores para responder. Si x0 o x1 son presionados se activa y0, al mismo tiempo se inhabilitan los pulsadores de los estudiantes de escuela secundaria y de los profesores. Lo mismo pasa x2 es presionado y1 se activa y se inhabilita los pulsadores de los otros grupos, ocurre lo mismo cuando y2 se activa. Si el moderador presiona x5, resetea y0, y1 e y2. 19 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES EJERCICIO 11.- Control de Motores Excluyentes. Se tiene 3 mezcladoras que son accionadas por motores asíncronos trifásicos, los cuales son energizados a través de los contactores K1M, K2M y K3M respectivamente. Cada mezcladora cuenta para el control de su funcionamiento con un pulsador de marcha y otro para la parada, además cada motor dispone de un relé térmico para su protección contra sobrecargas. Para arrancar una mezcladora, solo es necesario activar su pulsador de marcha, mientras que para detenerlo, se deberá activare su pulsador de parada o cuando se arranque cualquier otra mezcladora; por ningún motivo pueden funcionar dos o tres motores a la vez. Por otro lado, se tiene un pulsador de emergencia que al activarse desconecta todos los motores independientemente de la mezcladora que esté funcionando en ese momento. Ejercicio 12.- control de inversión de giro de un motor de inducción trifásico asíncrono. Cuando se presiona X0=ON, al cabo de un segundo Y0 será habilitado, y el motor de inducción arrancara en forma directa. En el otro caso, cuando X1=ON, al cabo de 1 segundo Y1 será habilitado, y el motor de inducción arrancara de forma inversa. Además Y0 y Y1 son deshabilitados cuando se presiona X2. Los temporizadores son usados para evitar corto circuitos cuando el motor hace cambio de sentido de giro. 20 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES EJERCICIO 13.- Control de Nivel de Tanque de Agua. El nivel de un tanque debe mantenerse entre dos puntos determinados. Al presionar el pulsador de arranque manual S1, el motor de la bomba arrancara para llenar el tanque hasta que el nivel de agua cause la apertura de un interruptor de nivel de límite superior LSmax (posición ON) o cuando se presione un pulsador de parada S2. Asimismo, cuando el nivel de agua va disminuyendo, un interruptor de nivel límite inferior LSmin detectara el nivel mínimo permitido (posición OFF). Originando que el motor de la bomba arranque nuevamente hasta que el nivel alcancé el límite superior. Téngase presente que el motor cuenta con un relé de sobrecarga RT. EJERCICIO 14.- Convertir Un Flip-Flop T En Un Flip-Flop D Añadiendo la Lógica externa adecuada. EJERCICIO 15.- Contador binario de 4 bits Diseñar e implementar un contador ascendente binario de 4 bits (cuenta desde 0000 hasta 1111). Hacerlo con biestables JK y D. ¿Con qué biestable se obtiene la solución más óptima? EJERCICIO 16.- Convertir Un Flip Flop D En Un Flip-Flop T Añadiendo la Lógica externa adecuada. EJERCICIO 17.-Dado Un Hipotético Flip-Flop P-K Definido por la ecuación de transición siguiente: Q=𝑃𝐾 + q𝑃+ PK𝑞 Obtener: a) Su tabla de excitación. b) Implementarlo utilizando un Flip Flop J-K y la lógica adecuada EJERCICIO 18.- Dado electrónico Se puede hacer un dado electrónico de la siguiente manera: si tenemos un contador de 1 a 6 conectado a un display de 7 segmentos donde se vea el número, al conectarlo a un reloj que vaya lo suficientemente rápido (1KHz por ejemplo) será imposible para el ojo humano distinguir el número visualizado. Si conectamos un interruptor a la señal de reloj, de tal forma que 21 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES podamos inhibirla, en el momento que lo hagamos el contador no cambiará de estado y el último número se visualizará en el display hasta que activemos el reloj de nuevo. Dicho número es aleatorio, ya que en el momento de inhibir el reloj no podemos saber el estado del contador. Diseñar el circuito con biestables JK y con biestables T. EJERCICIO 19.- Quiniela electrónica, Existen unos dados para realizar la quiniela que tienen 1 en tres de las caras, X en dos caras y 2 en una cara. Diseñar un circuito similar al anterior que muestre 1, X, 2 en cada tirada pero con la probabilidad del dado de quinielas: por cada 2, deberán salir dos X y tres 1 (estadísticamente hablando, por supuesto). PISTA: Si ya tenemos el dado, el problema resultará más sencillo. EJERCICIO 20.- Control de llenado de botellas. Se tiene un proceso industrial en el cual se hace el llenado de botellas, asumiendo que puede ser cualquier liquido, por ejemplo gaseosa, cerveza, ron, aceite etc. Teniendo en cuenta que, tanto el pulsador de marcha como el de parada son pulsadores con enclavamiento. Diseñar un automatismo para el llenado de botellas hasta un cierto nivel, de acuerdo con el siguiente programa de trabajo: • Al pulsar sobre m (marcha) el motor M de la cinta transportadora arrancará. • Cuando la fotocélula F detecte una botella, el motor M se parará y se activará la electroválvula E para el llenado de la botella. • Cuando la botella pese lo deseado, el sensor S pasará a 1, mandando una señal de paro a la electroválvula. • Una vez llenado la botella el motor se pondrá de nuevo en marcha, parándose en la próxima detección. • La cinta podrá parase en cualquier momento mediante un pulsador de paro P y arrancarse, si se desea, a continuación mediante m. Implementar una maquina de estado que gobierne dicho sistema. EJERCICIO 21.- Se tiene una máquina automática de clavar clavos. Dicha máquina está formada por un martillo de movimiento vertical hacia arriba y hacia abajo. El programa de trabajo de la máquina es el siguiente: 1) Al pulsar C, pulsador de control, un instante y estando "a" accionado se pone en marcha el martillo en dirección de bajada. El martillo sigue bajando hasta que el clavo se introduce, situación detectada por "b" 22 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES 2) Nada más activarse "b" se para el contactor B y se acciona S, hasta que el detector "a" haga volver el sistema a la situación de reposo; estando éste en espera de una nueva pulsación de C EJERCICIO 22.- Proyectar el circuito de mando para un móvil que se desliza por un husillo movido por un motor de doble sentido de giro. El motor es gobernado por dos contactores Rd y Ri que lo conexionan para que gire en sentido derecha o izquierda respectivamente. Condiciones: a) Al pulsar Md entrará el contactor Rd; entonces el móvil se desplaza hacia la derecha, y al llegar al final de carrera Fd se para, regresando seguidamente hacia Fi, donde permanecerá en reposo hasta nueva orden de Md b) Al pulsar un botón de parada P, se parará el móvil en cualquier posición en que se encuentre, y podrá reanudar la marcha hacia la derecha si se pulsa Md, o hacia la izquierda si se pulsa Mi. En cualquiera de los dos casos se parará al final del ciclo; es decir, al llegar el móvil al final de carrera Fi. EJERCICIO 23.- CONTROL DE UNA BANDA TRANSPORTADORA Controlar el avance de una banda transportadora: si el sensor s1 detecta un objeto, el motor M de la banda transportadora gira y lleva el objeto hacia el final de carrera de la banda, ésta se detiene cuando el sensor s2 detecta el objeto. 23 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES EJERCICIO 24.- SELECTOR DE CAJAS. Se requiere controlar la separación de cajas de dos tamaños diferentes provenientes de una banda transportadora siguiendo una secuencia de trabajo:  El motor M de la banda transportadora gira cuando el botón de marcha s4 es pulsado.  Las cajas son separadas por tamaños distintos por los cilindros c1 y c2 hacia las estaciones 1 (cajas grandes) y 2 (cajas pequeñas).  El motor de la banda transportadora se detiene si:  El botón de paro s5 es pulsado.  El sensor s6 detiene la banda transportadora frente al cilindro c1 si la caja es grande.  El sensor s7 detiene la banda transportadora frente al cilindro c2 si la caja es pequeña.  Si ya no existen cajas en la banda, cuando el sensor s6 o s7 ya no detecten la presencia de alguna caja después de 10 segundos. En este caso, deberá ponerse en marcha la banda transportadora pulsando de nuevo el boton de marcha s4. EJERCICIO 25.- Elevador de comida en restaurante. Instrucciones: Diseñe el circuito de control que permita gobernar un elevador que se utiliza en un restaurante para subir los platillos de la cocina hasta el área de servicio (ver figura), basándose en el diagrama de tiempo de la figura. Condiciones: a) Inicialmente el elevador se encuentra en el piso inferior (cocina), manteniendo activado (posición ON) a un interruptor de nivel identificado como LS1. b) Cuando se presiona el botón pulsador BP1 (contacto NA), se energiza un contactor identificado como MC1 que a su vez conecta el motor, solo entonces el elevador comienza a subir. c) Cuando el elevador sube a una posición determinada, otro interruptor de límite LS2 es activado en (ON) y el contactor MC1 se desactiva, desenergizando el motor. 24 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES d) Cuando se presiona otro botón pulsador NA, identificado como BP2, se energiza el contactor MC2, activando el motor solo que en sentido inverso y el elevador baja. e) Cuando el elevador baja a una posición determinada, el LS1 es activado (ON) y el MC2 se desactiva, apagando el motor y colocándolo en espera de otro nuevo ciclo. A continuación se muestra el diagrama de tiempo que controla el elevador de restaurante. 25 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES Ejercicio 26.- Control de los movimientos de subida y bajada de un ascensor. Cada planta tiene un pulsador de llamada, que cuando es accionado, la cabina se posiciona en dicha planta. Los pulsadores del interior de la cabina, son los mismos que los que se encuentran en el exterior, por lo tanto no necesitan programación, ya que se conectarán en paralelo de forma cableada. Leyenda: I1: Pulsador de llamada de la 1ª planta. I2: Pulsador de llamada de la 2ª planta. I3: Pulsador de llamada de la 3ª planta. I4: Final de carrera de la 1ª planta. I5: Final de carrera de la 2ª planta. I6: Final de carrera de la 3ª planta. Q1: Salida gobierno del contactor de subida. Q2: Salida gobierno del contactor de bajada. Ejercicio 27.- Taladro Semiautomático. Al accionar el pulsador S1 se activa la salida Q1 bajando el taladro. Un vez que la pieza es perforada, la salida Q2 se pone activa subiendo el taladro hasta la posición de reposo. El motor M2, que permite el giro del protabrocas, estará activo cuando el motor suba o baje en condiciones normales de funcionamiento. El pulsador de emergencia S2 tiene como función, detener la bajada del taladro, poner en marcha el contactor de subida para situar la máquina en posición de reposo, y detener el motor de giro M2. 26 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES Se tendrá en cuenta que el inversor que controla los movimientos de subida y bajada, gobierna un motor trifásico de 220v o 380v, por lo tanto es absolutamente necesario prever que las dos salidas que controlan estos movimientos, nunca puedan activarse a la vez. Si esto no se hace así, puede producirse un peligroso cortocircuito en el circuito de fuerza que controla el motor. EJERCICIO 28.- Se desea diseñar el control de dos motores MA y MB por medio de sus pulsadores de marcha y parada ( ma, pa, mb, pb ) , de forma que el motor MA se active y desactive independientemente del motor MB, mientras que el motor MB sólo pueda activarse o desactivarse cuando MA esté activado. Es decir, que si estando activados los dos motores se desactiva MA, el motor MB no podrá desactivarse con su pulsador de parada hasta que vuelva a activarse MA. 27 DOCENTE: Ing. Marco Serrano Quispe SISTEMAS DIGITALES