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Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica LABORATORIO SISTEMAS DIGITALES I EE-635M 1er Laboratorio – Algebra de Boole

2013-I

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

ALGEBRA DE BOOLE EXPERIENCIA #1

I.

II.

Objetivo. 1.

Identificar los circuitos integrados de tecnología digital.

2.

Comprobar el funcionamiento de los circuitos integrados TTL y CMOS.

3.

Uso del manual de circuitos integrados y la terminología empleada.

Fundamento teórico. 1. Familias lógicas de los circuitos integrados

Una familia lógica es un conjunto de componentes digitales que comparten una tecnología común de fabricación y tienen estandarizadas sus características de entrada y salida, es decir, son compatibles unos con otros. Como consecuencia de la estandarización, la interconexión entre dispositivos lógicos de una misma familia es particularmente sencilla y directa, no requiere de etapas adicionales de acoplamiento.

1.1. Familia de los TTL La familia lógica TTL es quizás la mas antigua y común de todas las familias lógicas de circuitos integrados digitales. La mayor parte de los chips SSI y MSI se fabrican utilizando tecnología TTL. Los circuitos integrados TTL implementan su lógica interna, exclusivamente a base de transistores NPN y PNP, diodos y resistencias.

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La primera serie de dispositivos digitales TTL fue lanzada por Texas Instruments en 1964. Los chips TTL se usan en toda clase de aplicaciones digitales, desde el mas sencillo computador personal hasta el mas sofisticado robot industrial. Los circuitos TTL son rápidos, versátiles y muy económicos. La familia TTL está disponible en dos versiones: la serie 54 y la serie 74, la primera se destina a las aplicaciones militares y la segunda a aplicaciones industriales y de propósito general. La familia TTL o bipolar se divide en las siguientes categorías o subfamilias básicas:

      

TTL STANDART. TTL SHOTTKY (S). TTL DE BAJA POTENCIA (L). TTL SHOTTKY DE BAJA POTENICA (LS). TTL DE ALTA VELOCIDAD (H). TTL SHOTTKY AVANZADO (AS). TTL SHOTTKY DE BAJA POTENCIA AVANZADA (ALS).

Otra familia bipolar muy popular es la ECL (lógica de emisor acoplado). Los dispositivos de esta familia se caracterizan por su rapidez, pero consumen mucha potencia, son costosos y su manufactura es relativamente compleja. Su uso se limita a aplicaciones de muy alta velocidad.

1.2. Característica de los circuitos integrados TTL Las características que mas se notan de los circuitos integrados de la familia TTL, los estándares son los siguientes: Alta velocidad de operación. Pueden trabajar con frecuencias de 18MHz a 20MHz. La velocidad de operación se expresa casi siempre en términos del tiempo o retardo de propagación del C.I. El tiempo o retardo de propagación de un circuito digital es el tiempo que toma un cambio lógico en la entrada en propagarse a través del dispositivo y producir un cambio lógico en la salida. Los tiempos de propagación en TTL normalmente del orden de 2 a 30 nanosegundos por compuerta. Alta disipación de potencia, es una desventaja asociada con la alta velocidad de operación. En general,

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cuanto mas rápido sea un circuito, mas potencia consume y viceversa. La mayoría de los circuitos TTL disipan típicamente, de 1 a 25 mw por compuerta. Tensión de alimentación nominal de +5V. Los circuitos TTL en general pueden operar con tenciones de CC entre 4.75 V y 5.25V, pero el valor nominal de la tensión de trabajo es +5V, por esta razón, los aparatos que incluyen circuitos integrados TTL se deben alimentar con una fuente regulada de 5V. El máximo voltaje positivo que puede aplicarse a una entrada TTL es +5.5V y el máximo negativo es -0.5V, al excederse estos parámetros, los dispositivos TTL generalmente se destruyen.

III.

Materiales y configuración a emplearse en la experiencia.

1. Materiales.

NOMBRE

CANTIDAD

Fuente de alimentación regulada variable +5VDC

1

Protoboard

2

Alicate de punta

1

Cable telefónico para conexiones

----------

Resistencia de 330Ω

----------

Diodos LED

-----------

2. Circuitos integrados.

DESCRIPCION

CANTIDAD

CODIGO

FAMILIA

6

74LS00

TTL

NAND de dos entradas

6

74LS02

TTL

NOR de dos entradas

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IV.

5

74LS04

TTL

NOT INVERSOR

4

74LS08

TTL

AND de dos entradas

3

74LS32

TTL

OR de dos entradas

3

74LS86

TTL

OR EXCLUSIVO

3

7401

TTL

NAND de dos entradas O.C.

3

7405

TTL

Hex INVERSOR O.C.

3

7409

TTL

AND de dos entradas O.C.

3

7433

TTL

NOR BUFFER O.C.

3

74125

TTL

BUFFER TRI STATE

3

74126

TTL

BUFFER TRI STATE

2

555

TIMER

Procedimiento. 1. Del manual de C.I. defina lo siguiente: 1.1. Niveles lógicos TTL. En los circuitos digitales es muy común referirse a las entradas y salidas que estos tiene como si fueran altos y bajos, es decir niveles lógicos altos o bajos. A la entrada se le asocia el nivel alto, es decir “1” y a la salida se le asocia un nivel bajo, es decir “0”. Los diferentes circuitos integrados trabajan con valores de entrada y salida que varían de acuerdo a la tecnología del circuito integrado, por ejemplo: Nivel de tensión

TTL

HC

Bajo (0)

0v – 0.8v

0v – 1v

Alto (1)

2v – 5v

3.5v – 5v

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1.2.

Niveles lógicos CMOS. Cuando las salidas CMOS manejan solo entradas CMOS, los niveles de voltaje de la salida puede estar muy cercanos a 0v para el estado bajo, y a VDD para el estado alto. Esto es resultado directo de la alta resistencia de entrada de los dispositivos CMOS, que extrae muy poco corriente de la salida a la que está conectada. De esta forma, cuando un CMOS funciona con VDD =5v, acepta voltaje de entrada menor que VIL(max)=1.5v como bajo y cualquier voltaje de entrada mayor que VIL(min)=3.5v como alto.

1.3.

VOL(max)

0v

VOL(max)

VDD

VOL(max)

30%VDD

VOL(max)

70%VDD

Inmunidad al ruido. Mide la sensibilidad de un circuito digital al ruido electromagnético ambiental. La inmunidad al ruido es una consideración importante en el diseño de sistemas que deben trabajar en ambientes ruidosos como automóviles, maquinas, circuitos de control industrial, etc.

1.4.

Margen de ruido. Es el límite de tensión de ruido admisible a la entrada del elemento lógico, sin registrar cambios en el estado de la salida. Existen dos márgenes de un ruido, uno para el estado lógico uno y otro para el estado lógico cero.

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1.5.

Disipación de potencia. Es la potencia suministrada necesaria para operar la compuerta, este parámetro se expresa en milivatios (mW) y representa la potencia real designada por la compuerta. Un C.I. con cuatro compuertas exigirá de la fuente cuatro veces la potencia disipada por cada compuerta. En un sistema dado puede haber muchos circuitos integrados y sus potencias deben tenerse en cuenta. El poder total disipado en un sistema es la suma total del poder disipado de todos los C.I.

1.6.

Retardo de propagación. Es el tiempo promedio de demora en la transición de propagación de una señal de la entrada a la salida, cuando las señales binarias cambian de valor. Se expresa en nanosegundos (ns). Las señales que viajan de las entradas de un circuito digital a las salidas pasan por una serie de compuertas. La suma de las demoras de propagación a través de las compuertas es la demora de la propagación del circuito.

1.7.

Producto velocidad-potencia. Esta medida es sólo útil en CMOS ya que es la única familia lógica (de las dos estudiadas) cuyo consumo depende de la velocidad (frecuencia) de operación. En TTL este producto es constante respecto de la velocidad. Si se indica es para poder comparar CMOS y TTL. El producto velocidad-potencia se mide típicamente en pico-Julios (pJ).

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2. Obtener la curva de transferencia de la puerta NAND a partir del C.I. 74LS00.

V1 5V

R1 U1A

5kΩ 50% Key=A

74LS00D

V1

V2

3. Utilizando el manual de C.I. TTL, verificar en el laboratorio la lógica del funcionamiento de los siguientes C.I. verificando su tabla de funcionamiento.

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74LS00 – NAND de dos entradas X5 J2

2.5 V

U6A

V2 12 V

R3 220Ω

74LS00D

LED3

A 0 0 1 1

01 02 03 04

B 0 1 0 1

X 1 1 1 0

74LS02 – NOR de dos entradas X5 J2

2.5 V

U6A

V2 12 V

R3

74LS02D

220Ω LED3

A 0 0 1 1

01 02 03 04

B 0 1 0 1

X 1 0 0 0

74LS04 – NOT X5 J2

U6A

V2 12 V

74LS04D

2.5 V R3 220Ω LED3

01 02

B 0 1

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X 1 0

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74LS08 – AND de dos entradas X5 J2

2.5 V

U6A

V2 12 V

R3 220Ω

74LS08D

LED3

A 0 0 1 1

01 02 03 04

B 0 1 0 1

X 0 0 0 1

74LS32 – OR de dos entradas X5 J2

2.5 V

U6A

V2 12 V

R3 220Ω

74LS32D

LED3

A 0 0 1 1

01 02 03 04

B 0 1 0 1

X 0 1 1 1

74LS86 – OR-EXCLUSIVO X5 J2 V2 12 V

01 02 03 04

2.5 V

U6A

R3 220Ω

74LS86D

LED3

A 0 0 1 1

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B 0 1 0 1

X 0 1 1 0

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4. Implementar en el laboratorio el circuito lógico mostrado y haciendo uso de una tabla de combinaciones hallar el valor de f(w,x,y,z).

Salida simplificada

5. Obtener la curva de trasferencia de la puerta mostrada en el

osciloscopio.

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CASO#1 XSC1 U1A

D1

Ext Trig +

1N4148

_

74LS00D

B

A +

_

_

+

V1 R1 1kΩ

5 Vrms 100 Hz 0°

CAS0#2: Apague la fuente y luego cambie la resistencia de por otra de 100 K y observe que ocurre con la curva.

1K

XSC1 U1A

D1

Ext Trig +

1N4148

_

74LS00D +

V1 5 Vrms 100 Hz 0°

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R1 100kΩ

B

A _

+

_

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6. Implementar en el laboratorio el circuito lógico mostrado en la figura, llenar una tabla de combinaciones y determinar S y C. Contrastar los valores teóricos y prácticos.

Salida C Ecuaciones lógicas: Salida C: Salida S:

(

Salida S

) (

)

Tabla lógica:

A

B

C

S

C

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

2

0

1

0

1

0

3

0

1

1

0

1

4

1

0

0

1

0

5

1

0

1

0

1

6

1

1

0

0

1

7

1

1

1

1

1

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7. Determine la función Boleana de la salida en el circuito mostrado, indicando la tabla de combinaciones. Verificar en el laboratorio su funcionamiento, donde X es la entrada más significativa, siguiendo A, B, C en ese orden. Determinar los valores de S y Cv.

Ecuaciones Boleanas: Salida de Cv: Salida de S:

Cy  (( B  C).(A  X )).(B.C) S  A  (B  C)

Tabla lógica: Laboratorio de Sistemas Digitales I EE635M - 14 -

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X

A

B

C

S

Cy

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

1

0

2

0

0

1

0

1

0

3

0

0

1

1

0

1

4

0

1

0

0

1

0

5

0

1

0

1

0

1

6

0

1

1

0

0

1

7

0

1

1

1

1

1

8

1

0

0

0

0

0

9

1

0

0

1

1

1

10

1

0

1

0

1

1

11

1

0

1

1

0

1

12

1

1

0

0

1

0

13

1

1

0

1

0

0

14

1

1

1

0

0

0

15

1

1

1

1

1

1

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V.

Conclusiones

1. Se observa que en el uso del integrado se debe de tener un cuidado en la protección de las diversas conexiones de sus pines para que puedan desarrollar adecuadamente las propiedades intrínsecas de diseño, por lo cual se debe de implementar un sistema de protección a través de las resistencias en el DIP SWITCH como lo muestra la última grafica de la guía de laboratorio. 2. Es importante la adecuada calibración de la fuente de alimentación para la polarización de los circuitos integrados, ya que al ser su mecanismo de funcionamiento de tipo TTL, es importante observar cuales son sus valores límites para el adecuado funcionamiento según diseño, y de este modo no exista un error en el senso que realizaría el circuito integrado según si su entrada es cero o uno. 3. En los análisis en donde se requiere el uso del osciloscopio para el análisis de su salida en frecuencia o ganancia, se observó que el diseño de los circuitos lograron alcanzar en gran performance el nivel de simulación del circuito realizado en MultiSim, cabe resaltar que este hecho ha sido en gran manera posible por el tipo de cable que se utilizó en el diseño del circuito, ya que no se siguió el consejo que se dio en la guía sobre estos conectores sino que se opto por el uso de cables de tipo niquelado. 4. Se ha constatado que para la implementación de los diferentes circuitos pedidos en la presente experiencia se uso como fuente de alimentación un cargador de celular que fue previamente preparado para el uso del mismo en el protoboard, pudiendo observar que otorgo una fuente estable de alimentación, sin grandes caídas en su valor inicial al ser conectado a un determinado circuito. 5. Se ha visto sumamente adecuado el detalle del uso de una punta digital, la cual se confeccionada según el diseño propuesto por la guía del presente laboratorio, ya que en las ocasiones en donde se presentaron alguna deficiencia en el funcionamiento del circuito, esta herramienta sirvió para poder despejar y centralizar los problemas de conexión que se podrían a ver dado y por lo cual el circuito no operaria de la manera esperada.

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