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i

PASO 4 - EXPLORAR LOS FUNDAMENTOS Y APLICACIONES DE LA ELECTRÓNICA DIGITAL

GRUPO: 100414_17 YULIETH PAOLA GUZMAN BERMUDEZ RONALDO DAVID ARMENTA DIANA CAROLINA GARCIA EMERSON ENRIQUE PACHECO RONNY JESUS CUELLO

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA FISICA ELECTRONICA INGENIERIA INDUSTRIAL 2018

ii Introducción

Una compuerta lógica es aquel circuito digital que tiene la capacidad de aplicar un proceso interno a sus n bits de entrada, que cumple con alguna de las operaciones definidas en el Álgebra de Boole, y que cuyos resultados son manifiestos en sus bits de salida. El empleo de circuitos y compuertas lógicas programables para desarrollar circuitos mediante la utilización del software visto durante el desarrollo de este módulo de física electrónica, además de servir de soporte para el aprendizaje lo utilizamos para la simulación de dichos circuitos y su comprobación. Hoy en día, la simulación de circuitos se ha convertido en parte fundamental del diseño electrónico pues permite conocer el comportamiento de un circuito sin necesidad de construirlo físicamente. De esta forma, se ahorra tiempo y dinero al encontrar y corregir posibles errores en las primeras fases del diseño. De manera similar, se puede experimentar con distintos escenarios y observar cómo afectan las tolerancias de los componentes.

iii

Actividades

Emerson Enrrique Pacheco Martinez Diagrama #1

El resultado de esta señal se ve reflejada en esta tabla: A 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

B 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

C 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

D 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

OUT 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0

iv

AB

CD

00

0 1

1 1

10

00

0

0

0

1

01

0

1

1

0

11

0

0

0

1

11

0

1

1

0

OUT = Ã B D + A Ḃ D 2 -Elija uno de los siguientes circuitos, diseñe un circuito sencillo en el que pruebe su funcionamiento y explique el mismo. R/ El tema escogido es SUMADORES, a continuación desarrollo el ejercicio y explico el tema. En la siguiente tabla de 3Bits podemos realizar la suma con acarreo y nos da como resultado el siguiente circuito.

A

B

C

S

C

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

1

0

0

1

1

0

1

1

0

0

1

0

v 1

0

1

0

1

1

1

0

0

1

1

1

1

1

1

Como resultado dela tabla del sumador de 3Bits podemos sacar la siguiente ecuación para la elaboración de su circuito. S= Ã Ḃ C + Ã B Ĉ + A Ḃ Ĉ + A B C C= B C + A C + A B

A

BC 0 0

01

11

10

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

B C +A C + A B

Este es el circuito del sumador de 3 Bits realizado por medio de las ecuaciones booleanas.

vi

Explicación del tema:

SUMADORES En un circuito digital un sumador es aquel que realiza la adición de números, en muchas computadoras y otros tipos de procesadores se utilizan sumadores en las unidades aritméticas lógicas. También se utilizan en otras partes del procesador, donde se utilizan para calcular direcciones, índices de tablas, operadores de incremento y decremento y operaciones similares. Los sumadores también son considerados Binarios y se deriva la siguiente clasificación: Semisumador: El semisumador suma dos dígitos binarios simples A y B, denominados sumandos, y sus salidas son Suma (S) y Acarreo (C), la señal de acarreo representa un desbordamiento en el siguiente dígito en una adición de varios dígitos. Dos semisumadores pueden ser combinados para hacer un sumador completo, añadiendo una puerta OR para combinar sus salidas de acarreo. Este es el diseño simple de un semisumador, que incorpora una puerta XOR para S y una puerta AND para C.

Ejemplo con tabla de verdad.

ENTRADAS A B

SALIDAS C S

0

0

0

0

1

0

0

1

vii 0

1

0

1

1

1

1

0

Sumador completo Es un circuito combinacional que realiza la suma de dos bit y un acarreo de entrada, obteniendo en su salida la suma y un acarreo de salida. Este es un ejemplo donde las entradas son A,B y Cin. A y B son los bits de entrada, Cin el acarreo de entrada. La salida es S, y Cout la salida de acarreo. Está compuesto por dos compuertas OR - Exclusiva, tres compuertas AND y una OR de tres entradas.

A

B

C in

0 0 0 0 1 1 1 1

0 0 1 1 0 0 1 1

0 1 0 0 0 1 0 1

C out 0 0 0 0 0 1 1 1

S 0 1 1 1 1 0 0 1

Esquema de un circuito de sumador completo.

Sumadores con propagación de acarreo

viii Un sumador con propagación de acarreo también se denomina sumador de acarreo en serie, y es aquel constituido por varios sumadores completos en los cuales el acarreo de salida se conecta a la entrada de acarreo del sumador siguiente. Sin embargo, puede observarse que el primero de los sumadores puede ser reemplazado por un semisumador suponiendo que el acarreo de entrada Cin es cero.

Sumadores con anticipación de acarreo Estos sumadores fueron creados para reducir el tiempo de cálculo, y funcionan creando dos señales (P y G) para cada posición de bit, basándose que si un acarreo se propaga a través de una posición de bit menos significativa (al menos una entrada es un 1), generada en esa posición de bit (ambas entradas son 1) o es nulo en esa posición de bit (ambas entradas son 0). En la mayoría de los casos, P es simplemente la suma de salida de un semisumador y G es la salida de acarreo de éste. Después de que se generen P y G, se crean los acarreos para cada posición de bit. Algunas arquitecturas avanzadas de acarreo anticipado son la cadena de acarreo de Mánchester, el sumador de Brent-Kung y el sumador de Kogge-Stone.

Sumadores con acarreo almacenado Si un circuito de adición se usa para calcular la suma de tres o más números, puede ser ventajoso no propagar el resultado de acarreo. En su lugar, se utilizan sumadores de tres entradas, generando dos resultados: una suma y un acarreo. La suma y el acarreo pueden ser introducidos en dos entradas del sumador posterior de 3 números sin tener que esperar la propagación de una señal de acarreo. Después de todas las etapas de adición, sin embargo,

ix se debe usar un sumador convencional (tal como el de propagación de acarreo o de acarreo anticipado) para combinar los resultados finales de suma y de acarreo. YULIETH PAOLA GUZMAN BERMUDEZ

1. Cada estudiante debe elegir uno de los siguientes diagramas de tiempo, construir la tabla de verdad, diseñar el circuito lógico asociado a los mismos y validar el diagrama de tiempos por medio del simulador.

a. Diagrama 2

N

A

B

C

D

out

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

1

0

2

0

0

1

0

1

3

0

0

1

1

0

4

0

1

0

0

0

5

0

1

0

1

0

6

0

1

1

0

1

7

0

1

1

1

0

8

1

0

0

0

0

9

1

0

0

1

0

10

1

0

1

0

0

11

1

0

1

1

0

12

1

1

0

0

0

13

1

1

0

1

0

x Tabla de la verdad:

14

1

1

1

0

0

15

1

1

1

1

0

Ecuación:

y= ( 𝐴 ∙ 𝐵 ∙ 𝐶 ∙ 𝐷) + ( 𝐴 ∙ 𝐵 ∙ 𝐶 ∙ 𝐷)+( 𝐴 ∙ 𝐵 ∙ 𝐶 ∙ 𝐷)

xi

xii

a. MULTIPLEXOR

Los multiplexores son circuitos combinacionales con varias entradas y una única salida de datos. Están dotados de entradas de control capaces de seleccionar una, y sólo una, de las entradas de datos para permitir su transmisión desde la entrada seleccionada hacia dicha salida. En el campo de la electrónica el multiplexor se utiliza como dispositivo que puede recibir varias entradas y transmitirlas por un medio de transmisión compartido. Para ello lo que hace es dividir el medio de transmisión en múltiples canales, para que varios nodos puedan comunicarse al mismo tiempo. Una señal que está multiplexada debe demultiplexarse en el otro extremo.

xiii Según la forma en que se realice esta división del medio de transmisión, existen varias clases de multiplexación:    

Multiplexación por división de frecuencia Multiplexación por división de tiempo Multiplexación por división de código Multiplexación por división de longitud de onda

La función de un multiplexor da lugar a diversas aplicaciones: 1. Selector de entradas. 2. Serializador: Convierte datos desde el formato paralelo al formato serie. 3. Transmisión multiplexada: Utilizando las mismas líneas de conexión, se transmiten diferentes datos de distinta procedencia. 4. Realización de funciones lógicas: Utilizando inversores y conectando a 0 o 1 las entradas según interese, se consigue diseñar funciones complejas, de un modo más compacto que con las tradicionales puertas lógicas.

DIANA CAROLINA GARCIA

Actividad Diseñe un circuito CONTADOR sencillo en el que pruebe su funcionamiento y explique el mismo. Introducción En electrónica es bastante frecuente verse necesitado de contabilizar eventos y por tanto se requiere utilizar un contador, en nuestro caso se tratará de un contador electrónico digital. Por otra parte, en nuestros días estamos rodeados de dispositivos que disponen de algún tipo de contador digital, incluso en la mayoría de los electrodomésticos vienen equipados con uno. Un contador digital, básicamente consta de una entrada de impulsos que se encarga de conformar (escuadrar) las señales, de manera que el conteo de los pulsos no sea alterado por señales no deseadas, las cuales pueden falsear el resultado final. Estos impulsos son acumulados en un contador propiamente dicho cuyo resultado, se presenta mediante un visor que puede estar constituido por una serie de sencillos dígitos de siete segmentos o en su caso mediante una sofisticada pantalla de plasma.

xiv Procedimiento 1. El primer paso es determinar cuantos bits de entrada existen para determinar el número de Flip-Flops necesarios. Para esto se necesita ver el diagrama de estados propuesto. Como se puede observar, el diagrama solo llega hasta el número 3 en binario, es decir que solo utiliza 2 bits de entrada. Por lo tanto solo se utilizaran 2 Flip-Flops. 2. Luego es necesario hacer una tabla de verdad donde existan todos los estados posibles (incluyendo el switch X) y el estado que deseamos a continuación. 3. Se elige un método de control para cumplir con los estados actuales y siguientes. En este caso se decidió utilizar Flip-Flops tipo JK. Para lograr definir los estados de control se requiere revisar la teoría de tablas de transición y excitación de los JK.

4. Se realiza la tabla de estados y se define una función para las entradas de los JK. Para esto se utiliza el método de mapas de Karnaugh para J2, K2, J1 y K1. Note que la función de J1 puede ser simplificada a un 1 lógico debido a sus estados con variables (x). Se procede de Para J2

la siguiente manera:

xv Simplificando se obtiene la función:

Para k2

Simplificando se obtiene la función:

Para k1

Simplificando se obtiene la función:

Para finalizar se procede a realizar un diagrama con las fucniones simplificadas para cada entrada de los FLip-Flops JK 3. Resultados: Circuito simulado en CircuitMaker

xvi

Aplicaciones Reloj Digital de Lectura Binaria En principio el planteamiento es el mismo que en un reloj digital común y corriente: un generador de pulsos, un contador/divisor por 10, un contador/divisor por 12, un contador/divisor por 6 y si queremos un pre selector para una alarma. En un caso usaremos, displays y en el otro caso unos diodos LED para representar los bits.

xvii La figura siguiente muestra la disposición de los 20 diodos LED en un panel que dispondremos para su presentación.

La lectura de este tipo de reloj, se efectúa sumando el peso de cada LED encendido en cada columna, de modo que en la imagen que se muestra debajo.

Actividad Individual Tabla de Verdad #

A 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Diagrama 4 C

B 0 0 0 0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 1 1 1 1 0

D 0 0 1 1 0 0 1 1 0

S 0 1 0 1 0 1 0 1 0

0 0 0 1 A̅B̅CD 0 1 A̅BC̅D 0 1 A̅BCD 0

xviii 9 10 11 12 13 14 15

1 1 1 1 1 1 1

0 0 0 1 1 1 1

0 1 1 0 0 1 1

1 0 1 0 1 0 1

0 0 0 0 0 0 0

Diagrama de Karnaugh AB CD 00 01 11 10

00

01

1

1 1

11

10

̅ 𝑪𝑫 + 𝑨 ̅ 𝑩𝑫1 𝑭=𝑨 Circuito Lógico

2

1

Mapa de Karnaugh de 4 variables YouTobe. Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=65E94lx4Le4 2

Introducción

al

Circuit

Maker

aplicado

https://www.youtube.com/watch?v=DY2c0wfdxyk

en

Circuitos

Lógicos.

Recuperado

de

xix Simulación

A 0

A 0

B 0

Diagrama 4 C 0

D 0

OUT 0

B 0

Diagrama 4 C 0

D 1

OUT 0

xx

A 0

A 0

B 0

Diagrama 4 C 1

D 0

OUT 0

B 0

Diagrama 4 C 1

D 1

OUT 1

xxi

A 0

A 0

B 1

Diagrama 4 C 0

D 0

OUT 0

B 1

Diagrama 4 C 0

D 1

OUT 1

xxii

A 0

A 0

B 1

Diagrama 4 C 1

D 0

OUT 0

B 1

Diagrama 4 C 1

D 1

OUT 1

xxiii

A 1

A 1

B 0

Diagrama 4 C 0

D 0

OUT 0

B 0

Diagrama 4 C 0

D 1

OUT 0

xxiv

A 1

A 1

B 0

Diagrama 4 C 1

D 0

OUT 0

B 0

Diagrama 4 C 1

D 1

OUT 0

xxv

A 1

A 1

B 1

Diagrama 4 C 0

D 0

OUT 0

B 1

Diagrama 4 C 0

D 1

OUT 0

xxvi

A 1

A 1

B 1

Diagrama 4 C 1

D 0

OUT 0

B 1

Diagrama 4 C 1

D 1

OUT 0

xxvii

RONNY CUELLO ORTEGA

CIRCUITO_COMPARADOR. Un comparador es un circuito electrónico, ya sea digital o analógico, que puede comparar dos señales de entrada y variar la salida en función de cuál es mayor, para el diseño que relacionara a continuación, se hará una comparación simulada entre una entrada fija(septointpotenciometro) y una variable (ldr), el cual emula un circuito comúnmente llamado fotocelda, para este caso a medida que la luz es más intensa la resistencia del circuito LDR disminuye incrementándose el voltaje en la entrada positivo del comprador .

xxviii

En la siguiente imagen, el led de salida está apagado, ya que la entrada negativa del comparador es mayor a la entrada positiva.

Cómo se puede apreciar en la imagen, podemos observar que al hacerse más intensa la luz la resistencia de LDR1 vario ocasionando que le voltaje en la entrada positiva del comparador se incrementara superando el voltaje de la entrada negativa del comparador, dando como resultado la activación de la salida del comprador y encendiendo el led, esta señal se puede utilizar para activar cualquier otro elemento.

xxix RONALDO DAVID ARMENTA

1. Cada estudiante debe elegir uno de los siguientes diagramas de tiempo, construir la tabla de verdad, diseñar el circuito lógico asociado a los mismos y validar el diagrama de tiempos por medio del simulador.

Tabla de verdad NUM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

A 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

B 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

C 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

D 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

SALIDA 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1

Mapa de Karnaugh

CD

00 01 11

00 1 1 1

AB 01 1 1 1

11 0 1 1

10 0 1 1

xxx 10 1 1 0 0 DISEÑO CIRCUITO LOGICO ASOCIADO

DIAGRAMA POR MEDIO DEL SIMULADOR

xxxi

MAPA DE KARNAUGH

ABCD 00 01 11 12

00 A´B´C´D´ A´BC´D ABC´D´ AB´C´D´

01 A´B´C´D A´BC´D ABC´D AB´C´D´

11 A´B´CD A´BCD ABCD AB´CD

10 A´B´CD´ A´BCD´ ABCD´ AB´CD´

xxxii

La función básica de un decodificador es detectar la presencia de una determinada combinación de bits (código) en sus entradas y señalar la presencia de este código mediante un cierto nivel de salida.

Un ejemplo de aplicación es el decodificador BCD a 7 segmentos. Este tipo de decodificador acepta código BCD en sus entradas y proporciona salidas capaces de excitar un display de 7 segmentos para indicar un dígito decimal.

xxxiii 74ls47 >>> usa display de ánodo común 74ls48 >>> usa display de cátodo común

FLIP FLOP La función básica del FLIP-FLOP es la de memoria o almacenamiento de datos Esta diseñado para almacenar un alto(H) o un bajo (L) en su salida ALTO (H) 1 VERDADERO SI

BAJO (L) 0 FALSO NO

Un FLIP FLOP SIMPLE Puede almacenar un biteo simple de información binaria Los Flip-Flops son los dispositivos con memoria mas comúnmente utilizados. Sus características principales son:   

Asumen solamente uno de dos posibles estados de salida. Tienen un par de salidas que son complemento una de la otra. Tienen una o más entradas que pueden causar que el estado del Flip-Flop cambie.

FLIP FLOP JK TABLA DE VERDAD J 0 0 1 1

K 0 1 0 1

Q Q 0 1 ̅ 𝑸

Los componentes que se utilizaran son los siguientes  



FLIP-FLOP MODEJO JK LEDS (VERDE, ROJO): Representan las salidas para el FLIP-FLOP, que se prenderán y apagaran, cuando el LED este prendido es 1 lógico, apagado será un 0 lógico. RESISTENCIAS: los valores para cualquier led están en el rango de los 200 Ohms y 1kOhms,en este caso escogimos resistencias de 400 Ohms

xxxiv 



SEÑAL DE RELOJ Y COMPUERTA NEGADORA: El FLIP-FLOP trabaja con una señal de reloj (flancos de subida o bajada), como se trabajará con flancos de bajada se necesita una compuerta NOT LOGIC STATE(ESTADOS LOGICOS): Representan la señal de entrada (J-K)



Con este ejercicio vamos a comprobar que cumple con la tabla de verdad

Cuando las entradas son iguales a 0,  

la salida Q va a hacer igual a la entrada JK (0 apagado) La 𝑄̅ niega la Q (1 encendido)

Cuando la J es 0 y la K es igual a 1  

la salida Q va a hacer igual a la entrada J (0 apagado) La 𝑄̅ niega la Q (1 encendido)

Cuando la J es 1 y la K es igual a 0  

la salida Q va a hacer igual a la entrada J (1 encendido) La 𝑄̅ niega la Q (0 apagado)

Cuando la J es 1 y la K es igual a 1    

la salida Q se complementa con 𝑄̅ de la siguiente manera Si en Q hay 1 en 𝑄̅ hay un 0 Si en Q hay 0 en 𝑄̅ hay un 1 Es por eso que los LEDS se intercambian por 1

xxxv

Actividad Colaborativa

El grupo debe adicionar los siguientes elementos al diseño del sistema planteado en el trabajo anterior, de tal manera que se incremente su funcionalidad.

a. Coloque un sistema que permita contar cuantos paquetes ha colocado el líder en el compartimiento.

xxxvi

“Clic para simular el envío” es la salida del circuito monoestable, y es la forma en que se informa a nuestro contador que se ha emitido un pulso, que es controlado por el tiempo propagado en las compuertas. Para el contador se cuenta con un controladores 74LS90 uno para las unidades y el 74LS47 es un codificador, se conecta de entrada a salida y basta con observar las entradas y salidas, las conexiones son directas. Los conectores 𝑅0, 𝑅0, 𝑅9, 𝑅9 se deben enviar a tierra, en el caso de 𝐶𝐾𝐵 van conectadas en 𝑄0 esto permite que cuando el contador llegue a 9 retome a cero se reseteará el contador, Los pulsos inicialmente llegan a el contador y aumenta de 1 en los compartimientos que el líder va dejando. En el circuito se ha implementado un Logictoggle, que al enviar un uno simula lo que sería el montaje completo del circuito, y deja en evidencia el comportamiento de nuestro reloj.

b. 5 segundos después de que el compartimiento ha empezado a bajar, debe enviar una señal auditiva como alerta de seguridad para que no haya una persona o un elemento que pueda dañarse cuando llega a la parte inferior.

xxxvii

La lógica que se implementa a continuación, es muy parecida a los autos cuando van en reversa, es una alerta auditiva a través de un Speaker, (Parlante que tiene una resistencia de 330 Ohm, un Botón que realiza ese cierre del circuito, representa los 5 segundos que emprende la bandeja el movimiento. Indicando a cualquier persona que este cercana, que debe estar atenta, o en algunos casos verificar que cuando baje no realice ningún daño.

Circuito integrado 555. El temporizador IC 555 es un circuito integrado (chip) que se utiliza en la generación de temporizadores, pulsos y oscilaciones. El 555 puede ser utilizado para proporcionar retardos de tiempo, como un oscilador, y como un circuito integrado flip flop. Es la herramienta con la cual podremos realizar el control de tiempo en el cual el Speaker emitirá la alerta, la configuración principal de este dispositivo esta en R2 y C1, dados por la formula 1,1 ∗ 𝑅2 ∗ 𝑅𝐶 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒𝑚𝑜𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑙𝑒𝑑 𝑝𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑑𝑜, a mayor resistencia, mayor será el tiempo de encendido del led. c. Si el líder está en el lugar para enviar el paquete y alguien está revisando el compartimiento, debe evitar el movimiento del motor y enviar una alerta visual.

El sistema electrónico debe enviar -SALIDAS- una alerta y evitar el movimiento del motor al detectar -ENTRADAS -

xxxviii Conclusión Se infiere que a través de los circuitos lógicos podemos realizar tareas de control y administración dependiendo de la necesidad y estos a su vez son aplicables a circuitos sencillos hasta circuitos complejos industriales, partir de compuertas sencillas podemos obtener otras compuertas un poco más complejas, esto es de suma importancia en el caso que tengamos que armar circuitos y ciertos tipos de las mismas no estén en el mercado.

xxxix BIBLIOGRAFÍA

Mijarez, C. R. (2014). La maravillosa electrónica digital. En México: Larousse - Grupo Editorial Patria. Electrónica (pp 159-214). Recuperado de http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2077/lib/unadsp/reader.action?docID=11013154&pp g=180

Flórez, F. H. A. (2010). Diseño lógico: fundamentos de electrónica digital. Bogotá, CO: Ediciones de la U. (pp 45-151). http://bibliotecavirtual.unad.edu.co:2077/lib/unadsp/reader.action?ppg=46&docID=105601 76&tm=1467131348335

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en

Circuit

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