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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LEÓN

Manual Prácticas de Laboratorio

Electricidad y Electrónica Industrial

Ingeniería Industrial

Dra. María del Rosario Baltazar Flores

ENERO JULIO 2011

Dra. Rosario Baltazar

Índice PRÁCTICA 1 .............................................................................................................................. 3 DISEÑO DE CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELO ........................................................................ 3 PRÁCTICA 2 ............................................................................................................................... 8 CURVAS CARACTERÍSITICAS DE LOS DIODOS ......................................................................... 8 PRÁCTICA 3 ............................................................................................................................... 9 RECTIFICADORES ...................................................................................................................... 9 PRÁCTICA 4 ............................................................................................................................. 11 AMPLIFICADOR EN CONFIGURACIÓN EMISOR-COMUN. ......................................................... 11 PRÁCTICA 5 ............................................................................................................................. 13 AMPLIFICADOR OPERACIONAL ............................................................................................... 13 PRÁCTICA 6 ............................................................................................................................. 16 TEMPORIZADOR 555 ................................................................................................................ 16 PRÁCTICA 7 ............................................................................................................................ 18 CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES: COMPUERTAS AND Y OR ............................................ 18 PRÁCTICA 8 PROYECTO 1 ....................................................................................................... 20 DISEÑO DIGITAL ...................................................................................................................... 20 PRÁCTICA 9 PROYECTO 2 ....................................................................................................... 21 DECODIFICADOR BDC A 7 SEGMENTOS .................................................................................. 21 PRÁCTICA 10 ........................................................................................................................... 22 SUMADOR DIGITAL .................................................................................................................. 22 PRÁCTICA 11 ........................................................................................................................... 23 MULTIPLICADOR DIGITAL ........................................................................................................ 23

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PRÁCTICA 1 DISEÑO DE CIRCUITOS EN SERIE Y PARALELO Objetivos: Reconocer el código de colores. Aprender a calcular arreglos de resistencias conectadas en serie y paralelo. Aplicar la ley de Ohm. Calcular Corrientes y Voltajes. Diseñar circuitos en serie y en paralelo Marco Teórico: Investigar la Ley de Ohm y las Leyes de Kirchhoff. Escribir las formulas del divisor de corriente y del divisor de voltaje. Desarrollo:

Diseño de Circuitos en Serie Cuando se tiene solo un grupo reducido de resistencias y se requiere de un valor en particular se procede a realizar diseño de circuitos usando combinaciones de resistencias en serie o bien en paralelo que nos permita satisfacer los requisitos de un circuito. 0-10 mA miliamperímetro mA S R1 820 Ω

+ 15 V

R2 680 Ω

-

Fig. 2 El primer paso para el diseño de circuitos en serie consiste en buscar las resistencias que cumplan con la siguiente ecuación RT = R1 + R2 + R3 + … Si se requiere que el circuito que estamos diseñando cumpla con requisitos específicos de voltaje y corriente, usamos la ley de Ohm

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RT = V / I Cuando se encuentran los valores adecuados se arma el circuito y se mide la corriente y el voltaje para verificar que el circuito este correcto. El conjunto de resistencias que se utilizarán son las siguientes: 820 ohms

1K

2.2 K

3.3 K

4.7 K

5.6 K

El primer paso de la práctica consiste en medir cada una de las resistencias y registrar su valor en la tabla 2 incluyendo el código de colores de la resistencia. Tabla 2. Valores medidos contra valores nominales de resistores individuales Resistor R1 R2 R3 R4 Valor nominal 820 ohms 1K 2.2 K 3.3 K Valor medido

R5 4.7 K

R6 5.6 K

Código de colores

Deberá marcar las resistencias que requiere en cada caso para obtener RT y luego mida cada una de ellas y llene la tabla 3 con los valores medidos de las resistencias, primero individualmente y luego en conjunto para obtener la RT total. Calcule y mida la corriente total de circuito IT medida= ______ IT calculada=_______ Tabla 3. Valores medidos contra valores nominales de resistores conectados en serie. RT requerida Ω

R1

Valor nominal de resistores cuya suma satisface RT R2 R3 R4 R5

R6

RT medida Ω

3.2 k 5.5 k 6.520 k 8k 13.6 k

El segundo paso de la práctica consiste en diseñar un circuito para valores específicos de Voltaje y de Corriente colocando la resistencia equivalente adecuada para obtener los valores que se muestran en la tabla 4. Tabla 4. Diseño de circuitos para valores específicos de V e I V aplicado V 12

Corriente del circuito Requerida Medida

R1

Valor nominal del resistor de diseño, Ω R2 R3 R4 R5

R6

4 mA

4

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5.5

1 mA

8

1 mA

6.4

2 mA

Diseño de Circuitos en Paralelo Existen casos en que las combinaciones que resultan de los circuitos en serie no son suficientes para encontrar algún valor de resistencia dado, entonces se requiere buscar alguna combinación de circuitos en paralelo. En este caso se requiere usar la fórmula de resistencias en paralelo, a partir de ahí realizar combinaciones con las resistencias existentes para encontrar los valores adecuados para el circuito que se requiere. Paso 1. Con las mismas resistencias del diseño de circuitos en serie mida las resistencias y busque las combinaciones en paralelo de dos o tres resistencias necesarias para llenar la tabla 5 del diseño de una red resistiva para una RT requerida. Luego conecte cada una de las combinaciones en paralelo y mida la RT con un óhmetro; y registre los valores medidos: Tabla 5. Diseño de una red resistiva en paralelo para una RT requerida. Combinación de resistores en paralelo Corriente (valor nominal, ohms) calculada IT RT requerida Rama 1 R Rama 2 R Rama 3 R Valor medido RT, ohms mA 374

Corriente medida IT mA

417 825 1320 2555 Paso 3. Con los resistores suministrados diseñe un circuito en paralelo de dos resistores que extraiga alrededor de 20 mA cuando se apliquen 15 V a la combinación en paralelo. Si más de una combinación parece adecuada, elija el circuito que más se acerque a los 20 mA; en la tabla 6 registre los valores nominales de los resistores utilizados. Con la alimentación apagada y el interruptor S1 abierto, arme el circuito del paso como en la figura 3. Encienda la alimentación; cierre S1. Ajuste VFA en 15 V y mida IT; escriba su valor en la tabla 5. IT 20 mA rama 1

+

0-15 Vcd

rama 2

A

R 1= ?

V VFA 15 V

S1

R2= ?

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Fig. 3 Tabla 6. Diseño de un circuito que suministre IT con V conocido. VFuenteA, Voltaje IT, mA Pasos Valor Valor Valor Valor Valor dado calculado medido requerido medido 3 15 20 4

20

Resistores en paralelo Rama 1 R Rama 2 R

1K

2.2 K

Paso 4. Calcule el voltaje necesario para suministrar 20 mA a un circuito que consta de un resistor de 1 K ohms en paralelo con otro de 2.2 K ohms; registre su respuesta en la tabla 6. Conecte el circuito a una fuente de voltaje variable como en la figura 4. Ajuste VFA, hasta que el amperímetro indique 20 mA. Mida VFA y registre su valor en la tabla 5.

IT 20 mA rama 1

+

0-15 Vcd

rama 2

A

R1= 1 K

V

R2= 2.2 K

VFA 15 V Fig. 4 Paso 5. Diseñe un circuito en paralelo de tres ramas con las corrientes de rama que muestra la figura 5. Elija los resistores de entre los seis suministrados para este experimento. Calcule el voltaje requerido para suministrar las corrientes de rama señaladas; anote las respuestas en la tabla 7. Con la alimentación apagada y S1 abierto arme el circuito de la figura 5 con los valores de los resistores del diseño. Encienda la alimentación y cierre S1. Ajuste VFA hasta que suministre miliamperimetro la IT especificada. Mida I1, 12, 13, IT y VFA rama 3 rama 2 - rama 1 + y registre los valores A en la tabla 7.

I1 = 9mA I2 = 4mA R1= ?

VFA

R2= ?

I3 = 2mA R3= ?

6

S1

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Figura 5. Tabla 7. Diseño de un circuito divisor de corriente Corriente de rama, mA Valor nominal del resistor, ohms Requerida Medida Rama 1 Rama 2 R Rama 3 R R I1 I2 I3 I1 I2 I3 9.0 4.0 2.0

Voltaje, V Calculado Medido

Cuestionario 1.- ¿Todos los resistores que utilizó en su diseño estuvieron dentro de su tolerancia nominal? Para sustentar su respuesta consulte sus mediciones en la tabla 3 y el código de colores de los resistores. 2.- ¿Por qué fue necesario medir la resistencia de los resistores que uso en su diseño? 3.- ¿La medición de IT en el paso 3 confirmo que los valores de los resistores de diseño hallados satisfarían las especificaciones del problema? De no ser así, explique la diferencia. 4.- ¿En el voltaje medido, VFA , en el paso 5 fue el mismo que el calculado? De no ser así explique las posibles razones de la diferencia. Miniexamen 5.- En una hoja aparte diseñe un circuito en paralelo de tres ramas que divida la corriente de modo que en la primera rama la corriente sea el doble de la corriente de la segunda rama y tres veces más que en la tercera rama. La corriente total en el circuito, IT , es de 110 mA. La resistencia total del circuito en paralelo, RT , es de 305 ohms aproximadamente. Encuentre el valor de cada resistor en paralelo. (Los resistores pueden tener cualquier valor entero). También halle el valor del voltaje aplicado; muestre todas las formulas y los cálculos; dibuje y rotule el diagrama del circuito.

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PRÁCTICA 2 CURVAS CARACTERÍSITICAS DE LOS DIODOS Objetivo: Conocer y graficar las curvas características de los diodos Marco Teórico: Investigar las características más importantes de los diferentes tipos de diodos incluyendo las curvas características. Desarrollo: Obtenga las curvas características de los diferentes tipos de diodos, colocándolos en el protoboard como lo muestra el siguiente arreglo y aumente lentamente el voltaje de la fuente comenzando desde 0.1 volts y haciendo incrementos de 0.05 volts hasta llegar al máximo amperaje permitido por el multímetro en cuanto al incremento de corriente, es decir, aproximadamente 0.8 o 0.9 volts, haga una gráfica de voltaje contra corriente. PRECAUCIÓN: Observe siempre el incremento de corriente para que no dañe el amperímetro

Tabla de Voltaje del Diodo vs. Corriente Voltaje de la fuente Voltaje en el diodo Corriente 0.1 0.2 0.3 …. 1.5 Nota: El máximo valor del voltaje lo toman cuando la corriente sea de 100 mA aproximadamente Haga una tabla por cada diodo y grafique los resultados en una hoja de cálculo para que observe como salen las gráficas de la corriente del diodo, en el eje x grafique el voltaje y en el eje y grafique la corriente, haga una gráfica para el voltaje del diodo y la corriente y otra para el voltaje de la fuente VS la corriente.

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PRÁCTICA 3 RECTIFICADORES Objetivo Observar y medir las formas de onda de salida de un rectificador de media onda y de onda completa. Marco Teórico Investigar sobre Rectificación de media onda y de onda completa

Desarrollo Arma el siguiente circuito y después conecta el osciloscopio y el generador para poder visualizar las ondas

1. 2. 3. 4. 5.

Haga un diagrama de las forma de onda obtenidas Luego invierta la polaridad del diodo en el primer rectificador de la figura 1 y vuelva a observar la forma de onda Mida los parámetros de las ondas de entrada y de salida (amplitud voltaje pico a pico y voltaje rms, periodo, frecuencia y fase) Compare los valores de la entrada y de la salida Finalmente explique los resultados y haga sus conclusiones en el reporte.

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Desarrollo

1.

4.

Arme el circuito mostrado en el diagrama (Tenga cuidado con las puntas del transformador nunca debe juntar las dos terminales de salida, ya que generaría un corto) Haga un diagrama de la forma de onda obtenida Mida los parámetros de las ondas de entrada y de salida (amplitud voltaje pico a pico y voltaje rms, periodo, frecuencia y fase) Compare los valores de la entrada y de la salida

5.

Finalmente explique los resultados y haga sus conclusiones en el reporte.

2. 3.

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PRÁCTICA 4 AMPLIFICADOR EN CONFIGURACIÓN EMISOR-COMUN. Objetivo Armar un amplificador de ca con un transistor con configuración en emisor común mediante la polarización de divisor de voltaje. Medir la ganancia de voltaje de un amplificador en emisor común. Marco Teórico Investigar como funciona el Transistor como amplificador de CA Analizar los métodos de polarización de los transistores BJT Desarrollo Estabilidad de Polarización 1. Arme el siguiente circuito

2. Mida la corriente del colector y complete la siguiente tabla Pasos

2 4 5

Ic

Vbe

Vce

Ve

Vrms in

Vpp in

Vrms out

Vpp out

no

No

no

no

no

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Ie =

3. Con la ley de Ohm y la ecuación de Ie calcule su valor con, β=100 o con la beta de su transistor 4. Conecte Un generador y el osciloscopio con una frecuencia de 1000Hz 5. Ajuste la salida del generador en el punto máximo. Medir el Vpp de la onda de salida y entrada. 6. Reduzca la señal de entrada hasta el mínimo valor mida los valores de la tabla y dibuje la onda. 7. Efecto capacitor: con el osciloscopio ajuste el generador hasta obtener el 59% de la señal máxima del amplificador. 8. Observe, mida y anote en la tabla 2 el valor pico a pico de la señal de entrada de la señal de salida del emisor. 9.

Calcule la ganancia y anótela Vrms Onda B

Vpp

Vrms Colector

Vpp

Vrms emisor

Vpp

Ganancia

7, 8 9, 10 9. Sin modificar la configuración retire el capacitor 3 del circuito 10. Repita los pasos 7, 8. 11. Ponga en corto la resistencia del emisor. 12. Repita los pasos 7, 8.

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PRÁCTICA 5 AMPLIFICADOR OPERACIONAL Objetivo: Conocer las características básicas de los Amplificadores Operacionales Hacer que un Amplificador Operacional opere como amplificador no inversor Hacer que un Amplificador Operacional opere como sumador inversor Marco Teórico Investigar las características y configuraciones de los amplificadores operacionales Desarrollo 1. Conecte el circuito que se muestra en la figura RF=RR=10,000 Ω con los Switch abiertos para comprobar el funcionamiento del amplificador . Observe el resultado de la salida en el osciloscopio. Sincronice en forma externa el sinc/disparo del osciloscopio a la salida del generador. 2. Cierre los Switches 3. Incremente de manera gradual la salida del generador justo por debajo del punto donde la forma de onda se distorsiona. Mida y registre en la tabla 1 la señal de voltaje de salida pico a pico. Esta es la señal de salida máxima sin distorsión para los resistores de realimentación en el circuito. RF

RR

2

7 741

vent

9V 6 vsal

3 4

9V

Tabla 1. Ganancia de un amplificador operacional inversor.

RF Ω

RR Ω SALIDA

10,000

VPP ENTRADA

GANANCIA vsal/vent

FASE

10,000 5,000 3,300 2,500 20,000 30,000 13

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4. 5. 6. 7. 8.

Mida con el osciloscopio y registre la señal de entrada al amplificador Calcule y registre la ganancia del amplificador Compare la fase de las señales de entrada y salida Reduzca la salida del amplificador hasta cero Repita los pasos 3-7 para cada valor de Rr en la tabla 1.

Amplificador No inversor 9. Abra los Switches 10. Modifique el circuito anterior para conformarlo como el de la figura, las fuentes permanecen igual y el generador está en 1000Hz a 0 V. 11. Cierre los Switches. 12. Complete la tabla 2 con el mismo procedimiento de la tabla 1. RF

RR

2 741

6

3

vsal

vent

Tabla 2. Amplificador operacional no inversor.

RF Ω

RR Ω SALIDA

10,000

VPP ENTRADA

GANANCIA vsal/vent

FASE

10,000 5,000 3,300 2,500 20,000 30,000

Amplificador Operacional como Sumador inversor 13. Abra los Switches, 14. Modifique el circuito anterior para conformarlo como el de la figura, las fuentes permanecen igual y el generador está en 1000Hz a 0 V. 15. Cierre los Switches de tal manera que pueda llenar la tabla 3

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16. Modifique el circuito sumador de manera que con las entradas de 1.5 v, el voltaje de salida sea de 1.5 v. muestre y registre de todos los resistores y polaridades de V1 y V2. RF

R1

1.5V

R2 2 6

741 1.5V

vsal

3

Tabla 3. Amplificador operacional como sumador

Condición S1 Abierto Cerrado Abierto Abierto

Polaridad de la entrada S2 Cerrado Abierto Abierto Abierto

V1

V2 + X + -

vent, V V1

X + + +

V2

Vsal, V X

X

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PRÁCTICA 6 TEMPORIZADOR 555 Objetivo: Armar un temporizador 555 en configuración astable y medir la frecuencia y el ciclo de trabajo. Medir el ancho de pulso a la salida de un temporizador 555 conectado como monoestable. MARCO TEÓRICO Investigar las características del temporizador 555, sus configuraciones y sus aplicaciones

MONOESTABLE En este caso el circuito entrega a su salida un solo pulso de un ancho establecido por el diseñador (tiempo de duración). El esquema de conexión es el que se muestra. La Fórmula para calcular el tiempo de duración es: T = 1.1 x R1 x C1 (en segundos)

ASTABLE En este caso es la figura la que nos presenta el esquema básico de este modo de funcionamiento. Puede ser interesante conocer su funcionamiento como astable ya que uniendo sus terminales 2 y 6, el circuito se auto dispara y trabaja como multivibrador. El comportamiento de este esquema genera una señal cuadrada en el tiempo, es decir, en la salida, el usuario dispone de una señal cuadrada con un ciclo de completo que viene determinado por la formula:

f 

1.44 Ra  2 Rb C 16

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Para especificar qué tan asimétrica es la salida, se usa el ciclo de trabajo definido como

D

W  100% T

D

Ra  Rb  100% Ra  2 Rb

El esquema de conexión es el que se muestra. La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo T1 y en un nivel bajo un tiempo T2. En la figura se presenta las señales del circuito astable con un ciclo del 50%. La duración del estado alto depende de Ra y Rb, mientras que la duración del estado bajo, depende de Rb.

DESARROLLO 1. 2. 3. 4. 5.

6.

Arme los dos circuitos para cada configuración del temporizador 555, el astable y el monoestable Conecte el circuito astable con las resistencias que marca la figura, calcule la frecuencia y el ciclo de trabajo con esos valores. Calcule las resistencias para obtener una frecuencia de 1KHz y un ciclo de trabajo de 50% Observe el voltaje a través del capacitor de la Terminal 6. Para el circuito monoestable calcule el ancho de pulso para las resistencias de la figura observe la salida Conecte un led en la salida para observar las señales del circuito astable y del monoestable.

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PRÁCTICA 7 CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES: COMPUERTAS AND Y OR Objetivos: Familiarizarse con las características y los símbolos de una compuerta AND y OR Determinar con experimentos la tabla de verdad de una compuerta AND y OR combinada. Determinar con experimentos la tabla de verdad de una compuerta AND/OR combinada. Marco Teórico: Investigar las tablas de verdad de todas las compuertas Desarrollo: Compuerta AND 1. 2.

Conecte el circuito de la figura 42-7. (recuerde conectar la terminal 14 a +5v y la terminal 7 a tierra). Sitúe los interruptores como se necesite para obtener las diferentes combinaciones de entrada de la tabla 42-6. registre el estado de la salida como 0 o 1 para cada posibilidad de entrada.

Compuerta OR 3. 4.

Conecte el circuito de la figura 42-8 Mida el voltaje de salida para cada combinación de entrada de la tabla 42-7. registre los resultados como 0 o 1. explique el porqué de las diferencias entre las tablas 42-6 y 42-7.

+5v

A

S1

1 3 7408

S2

Y

2 B

Figura 42-7

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1. Encontrar la tabla de verdad del siguiente circuito

Circuito integrado a) 7408

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PRÁCTICA 8 PROYECTO 1 DISEÑO DIGITAL Objetivo: Diseñar un circuito digital Marco Teórico: Investigar las propiedades y leyes del algebra booleana, el Teorema de D’Morgan, los mapas de Karnough y maxi-términos y mini-términos

Desarrollo: Diseñe un circuito digital que evalue el porcentaje ponderado de 5 entradas, la entrada A =15%, B=20%, C=20%, D=30% y E=15%, la salida es 1 cuando la suma de las entradas sea mayor del 50%. 1. 2. 3. 4. 5.

Realice la tabla de verdad que cumpla con las características de diseño proporcionadas en el enunciado. Obtenga la función f(ABCDE) Reduzca al mínimo posible Implemente con compuertas de manera grafica Implemente con compuertas en el protoboard colocando en la salida un led para corroborar el resultado.

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PRÁCTICA 9 PROYECTO 2 DECODIFICADOR BDC A 7 SEGMENTOS Objetivo Implementar un decodificador BCD a 7 segmentos con compuertas. Marco Teórico Investigar sobre Codificadores y Decodificadores

Desarrollo Diseñe un circuito digital que dadas 4 entradas que van desde 0000 hasta 1111 en binario se obtenga en un display de 7 segmentos el valor en hexadecimal desde 0 hasta F.

a Entrada

Codificador

Sistema digital binario

Decodificador BCD – 7 segmentos

f

g

e

b c

d Display 1. 2. 3. 4. 5.

Realice la tabla de verdad que cumpla con las características de diseño proporcionadas en el enunciado. Obtenga la función f(ABCD) Reduzca al mínimo posible Implemente con compuertas de manera grafica Implemente con compuertas en el protoboard colocando en la salida un display para corroborar el resultado.

EL PROYECTO 3 CONSISTE EN HACER QUE EL DISPLAY MUESTRE LOS NÚMEROS DEL 0 AL 10 AUTOMATICAMENTE

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PRÁCTICA 10 SUMADOR DIGITAL Objetivo Implementar un sumador de uno y dos bits que incluyan el acarreo. Marco Teórico Investigar las bases del diseño combinacional, sumadores y comparadores. Desarrollo Diseñe un circuito digital que haga la suma de dos números de un bit y otro circuito que haga la suma de dos números de dos bits.. 1. 2. 3. 4. 5.

Realice la tabla de verdad que cumpla con las características de diseño proporcionadas en el enunciado. Obtenga la función f(ABCDE) Reduzca al mínimo posible Implemente con compuertas de manera grafica Implemente con compuertas en el protoboard colocando en la salida dos leds para corroborar el resultado.

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PRÁCTICA 11 MULTIPLICADOR DIGITAL Objetivo Implementar un multiplicador de uno y dos bits que incluyan el acarreo. Marco Teórico Investigar las bases del diseño combinacional multiplicadores, decodificadores y multiplexores. Desarrollo Diseñe un circuito digital que haga la multiplicación de dos números de un bit y otro circuito que haga la multiplicación de dos números de dos bits.. 1. 2. 3. 4. 5.

Realice la tabla de verdad que cumpla con las características de diseño proporcionadas en el enunciado. Obtenga la función f(ABCDE) Reduzca al mínimo posible Implemente con compuertas de manera grafica Implemente con compuertas en el protoboard colocando en la salida dos leds para corroborar el resultado.

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