Cómo funcionan los biestables JK

Introducción

Los biestables son circuitos integrados que se utilizan para almacenar un solo bit de datos binarios en dos estados estables. Son ampliamente utilizados para contadores, registros, divisores de frecuencia y, para el ejemplo utilizado aquí, un circuito lógico secuencial, también conocido como multivibrador astable.

Hay muchos tipos de biestables para elegir, con características comunes como entradas de configuración y reinicio, borrados, preajustes, entradas de reloj y salidas lógicas complementarias. Se activan mediante una transición de borde ascendente o descendente en la entrada del reloj. Los tipos comunes son el biestable SR, el biestable D o el biestable T. Los biestables JK a veces se denominan “universales” porque se pueden configurar para emular muchos de los otros tipos.

Funcionalidad del biestable JK

Cuando se trabaja con biestables, es esencial tener a mano la tabla de verdad de la hoja de datos del dispositivo para determinar las características de salida según las múltiples opciones de entrada y las transiciones de reloj. Por ejemplo, el CD74HCT73E de Texas Instruments es un biestable JK dual típico con características comunes y una tabla de verdad fácil de leer.

Hay dos verdades básicas para recordar: la salida Q (bar) o notQ es siempre el complemento de la salida Q y solo hay cuatro configuraciones de entrada JK que determinan la salida cuando la entrada del reloj cambia de alta a baja. Consulte la Figura 1 para conocer las configuraciones JK posibles. El término alternar significa que el estado actual de las salidas Q y notQ se invierten cuando J y K están en nivel alto y el reloj cambia de alto a bajo (condición 4 en la tabla de verdad).

Fig. 1. Tabla de verdad típica de la hoja de datos del biestable JK.

Las verdades básicas mencionadas no tienen en cuenta la entrada de reinicio (R) que le da al biestable un estado inicial cuando el reinicio se mantiene bajo. El término “irrelevante” se usa en la hoja de datos para hacer referencia al reloj y a las entradas JK cuando el reinicio es bajo. Los cambios en estas entradas no tienen efecto en la salida hasta que el reinicio se mantiene alto y se recibe una transición de reloj.

Punto para reflexionar: Cuando un biestable se enciende por primera vez, su salida no se establece automáticamente en un estado conocido. No hay forma de predecir qué estado de salida prevalecerá, por lo que la entrada de reinicio brinda la oportunidad de inicializar la salida a un estado conocido después del encendido.

Ejemplo de circuito lógico secuencial: Generador de caracteres Morse

Se necesitan tres DIT para hacer un DAH

El generador de caracteres Morse Digi-Keyer tiene muchos componentes con tareas específicas. Para demostrar la función que cumplen los biestables, se incluyen elementos relacionados con los biestables denominados FF1 y FF2. Consulte la Figura 2 para ver el diagrama esquemático de la sección de formación de caracteres DIT-DAH del Digi-Keyer.

Fig. 2. Circuito de formación de caracteres del biestable Digi-Keyer

Antes de adentrarse en la creación de caracteres (DIT y DAH, también conocidos como PUNTOS y RAYAS), se debe explicar la función de la compuerta lógica NOR1. NOR1 no es solo la primera etapa del circuito de salida de caracteres. También permite que un circuito de sincronización envíe pulsos regulares a FF1 mientras la salida NOR1 es baja. Cuando la salida NOR1 es alta, los pulsos cesan al final del ciclo de sincronización actual.

Al presionar el interruptor de paleta DIT, se activa un pulso de transición inicial de alto a bajo desde el circuito de sincronización hasta la entrada C de FF1. Los pines de salida Q y notQ se alternan porque las entradas JK se mantienen altas. NotQ activa NOR1 para enviar una señal baja de vuelta al circuito de sincronización, lo que indica que se está procesando un DIT. Al finalizar la función de sincronización, se envía otro pulso a FF1, lo que lo cambia a su estado normal. Durante la formación de DIT, la salida Q de FF1 activa la entrada C de FF2, pero debido a que no se presionó la paleta DAH (la entrada J de FF2 es baja), la salida de FF2 sigue la condición 3 de la tabla de verdad de la Figura 1. La Figura 3 describe la tabla de verdad lógica secuencial resultante para generar un solo DIT.

Figura 3. Tabla de verdad lógica secuencial para la formación de DIT.

Al presionar la paleta DAH, también se activa un pulso inicial del circuito de sincronización que alterna FF1 y establece como alta la entrada J de FF2, lo que hace que las salidas FF2 también cambien. Como la salida Q de FF2 también establece como baja la salida NOR1, los pulsos de sincronización continúan. La salida de NOR1 no vuelve a cambiar a alta hasta que FF1 y FF2 hayan regresado a su estado normal, lo que requiere tres ciclos de DIT. La Figura 4 describe la tabla de verdad lógica secuencial para generar un solo DAH.

Figura 4. Tabla de verdad lógica secuencial para la formación de DAH.

El tiempo que tardan los biestables en volver a su estado normal depende del tiempo que transcurre entre las transiciones de alto a bajo. En este ejemplo, el tiempo bajo de un ciclo de pulso se fija en 8 ms, pero el tiempo alto se puede ajustar de 15 a 150 ms en el circuito de sincronización. En la configuración más lenta, los caracteres DIT tienen una longitud de aproximadamente 158 ms y los DAH de aproximadamente 474 ms. La transición final de alto a bajo que hace que FF1 y FF2 vuelvan a su estado normal vuelve a pasar a alto en 8 ms, lo que da como resultado un espacio fijo entre los caracteres si una o ambas paletas se mantienen cerradas (alto).

Otro punto para reflexionar: En el encendido del circuito, FF1 y FF2 pueden terminar en estados lógicos aleatorios, como se mencionó anteriormente. Si cualquier estado da como resultado un nivel bajo en la salida de NOR1, el circuito de sincronización comenzará a enviar pulsos hasta que FF1 y FF2 alcancen su estado normal. El resultado es que los biestables se inicializan automáticamente a su estado normal después del encendido sin usar la entrada de reinicio.

Resumen

Puede ser difícil seguir la lógica de los biestables paso a paso, y es por eso que, generar tablas de verdad, como se muestra en las Figuras 3 y 4, es útil para visualizar el trabajo que se realiza en segundo plano. En este ejemplo, la lógica secuencial de varios pasos se realizó sin el uso de un microcontrolador o un reloj fijo en funcionamiento constante. Las salidas de los biestables son datos almacenados en el sentido de que se necesita un cambio de entrada deliberado para efectuar un cambio en la salida. Los datos también son volátiles. Cuando se quita la energía, los datos se pierden. El objetivo del generador de caracteres Morse no es producir datos. Los biestables se utilizan para recordar una condición anterior para determinar la siguiente condición entre las transiciones de alto a bajo de los pulsos de reloj.

Recursos:

Creación de ondas cuasi sinusoidales a partir de ondas cuadradas

Cómo funciona el Digi-Keyer

Actualización del Digi-Keyer original

Qué son los circuitos de sincronización de RC

Montaje del Digi-Keyer

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