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Índice Índice ...................................................................................................................................... 1 Desarrollo ............................................................................................................................... 2 I. II.

Objetivos...................................................................................................................... 2 Actividades .............................................................................................................. 2 Actividad 1 ...................................................................................................................... 2 Actividad 2 ...................................................................................................................... 7 Actividad 3 .................................................................................................................... 10

Trabajo de investigación ....................................................................................................... 12 Tablas de Componentes a utilizar......................................................................................... 17 Pauta de Evaluación Pre-Informe. ........................................................................................ 18

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Desarrollo I.

Objetivos a. Diseñar un circuito secuencial sincrónico que permita contar números binarios de 3 bits de acuerdo al código Gray. b. Utilizar visores o Displays de siete segmentos para observar los resultados obtenidos a la salida de un circuito digital. c. Utilizar el CI 555 para generar la señal de reloj requerida para el funcionamiento de un circuito lógico secuencial.

II.

Actividades

Actividad 1 Diseñar un contador Gray de 3 bits utilizando FF- tipo T. Para poder diseñar y construir un contador de 3 bits es necesario saber a grandes rasgos como va a funcionar este, una manera de ver esto es realizando un esquema que muestra lo que realizará el circuito. Primero que todo, el resultado del contador será visualizado en un visor de 7 segmentos en el cual, la máxima cifra que puede representarse con 3 bits de entrada es el 7, por lo que el contador irá pasará por los estados desde el 0 hasta el 7. El esquema de la Figura 1 ilustra esto.

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Figura 1: Representación del esquema de diseño del controlador.

Ya con el Diagrama representativo de la función del contador se puede proceder a realizar el diseño de este.

Para la construcción del contador se utilizará la tecnología de Flip-Flop T cuya tabla de verdad se presenta a continuación junto con un dibujo del elemento a implementar.

Tabla 1: Tabla de verdad para flip-flop T. Q T Qn+1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

Donde T representa la entrada del flip-flop, Qn+1 la salida futura y Q el estado actual.

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Figura 2: Flip-Flop T.

Además posee otras 2 entradas, las que son el Set y el Reset, tales entradas alteran la salida independiente del valor que tenga la entrada T, es decir, si Set =1 el estado, será 1 independiente del valor de la entrada, así también si Reset =1 el estado será 0, independiente del valor de T. La tabla de estados para el contador es como sigue: Tabla 2: Tabla de estados. 000 001 011 010 110 111 101 100

001 011 010 110 111 101 100 000

001 010 001 100 001 010 001 100

Se observa que el digito más significativo es representado por . A partir de la tabla de estados se pueden dibujar los mapas de Karnaugh para cada digito. Estos son: Tabla 3: Mapa de Karnaugh para

.

0

1

00

-

-

01

1

-

10

-

-

11

1

-

4

Tabla 4: Mapa de Karnaugh para 0

1

00

-

1

01

-

-

10

-

1

11

-

-

Tabla 5: Mapa de Karnaugh para 0

1

00

1

-

01

-

1

10

1

-

11

-

1

De acá se tiene que: ̅

̅

̅̅

̅̅ ̅̅̅

̅

̅

̅

Al simplificar estas expresiones se obtiene finalmente que: ̅(

)

̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ ) ̅ ( ̅

(

)

De acuerdo a estas ecuaciones puede obtenerse el circuito secuencial para el contador. El circuito contador final se presenta en la Figura 3.

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Figura 3: Circuito Contador con FF - T. De la figura anterior se aprecia que el circuito esta compuesto por elementos o compuertas lógicas individuales, en la práctica esto no se puede realizar y se utilizarán las pastillas adecuadas para cada compuerta. Esto se representa en la Figura 4.

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Figura 4: Contador con circuitos integrados.

Actividad 2 El reloj del circuito secuencial sincrónico debe ser implementado utilizando el CI 555. Diseñe los componentes del circuito oscilador para obtener una frecuencia en el contador de 1 Hz. Para que funcione el contador es necesario agregar una señal de reloj la cual controlara los cambios en la salida de cada FF_T, cabe destacar que el diseño impone que el circuito sea sincrónico, es decir que a todos los FF llegue la misma señal de Reloj y al mismo tiempo o más simple, que el reloj produzca cambios en las salidas al mismo tiempo en cada FF. Se creará un pulso de reloj cuadrado con frecuencia

, por medio de un CI 555.

El CI 555 es un circuito integrado de bajo costo. Entre sus principales aplicaciones destacan las de multivibrador astable y monoestable, detector de impulsos, etc.

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En esta ocasión crearemos, un pulso cuadrado en la salida del CI por medio de la implementación de una malla RC que proporcionara los tiempos en alto y bajo del pulso por medio del tiempo de carga y descarga del condensador. La configuración a utilizar se presenta en la Figura 5:

Figura 5: Esquema del Clock con CI 555. Para obtener los valores de los componentes, se procede de la siguiente manera:  Se quiere crear un pulso tal que el tiempo de duración de la señal alta y baja sean similares. Como la frecuencia pedida es de 1 Hz el periodo de la señal debe ser T=1, así la duración de la señal alta debe ser de al igual que la señal baja, lo que se puede realizar siempre que el tiempo de carga y descarga del condensador sean . Por lo cual el tiempo de carga es de y el tiempo de descarga es . Idealmente lo anterior es deseable que se cumpla, pero en la práctica generalmente existen diferencias son leves. 

El fabricante recomienda valores para los capacitores presentes en el circuito, en este caso se consideran los valores de .



Con las siguientes ecuaciones se pueden calcular los valores de los parámetros que faltan: (

)

8

(

)

Con lo anterior y reemplazando los valores en las ecuaciones se logra obtener los valores de las Resistencias:

Con estos valores se logra obtener un pulso cuadrado bastante simétrico y de frecuencia similar a 1Hz, para implementar en el contador sincrónico. La Señal de reloj queda entonces como muestra la Figura 6 en donde además se observa que el tiempo de carga del condensador corresponde al tiempo en el que la señal esta en alto y el tiempo de descarga corresponde al tiempo en el que el pulso esta en baja.

Figura 6: Comparación señal condensador

y pulso cuadrado.

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Actividad 3 Considerar en el diseño una etapa de visualización a partir de un visor o Display de 7 segmentos. Incluya las correspondientes resistencias limitadoras y especifique claramente la forma en que obtuvo su valor. Debe especificar también el decodificador de BCD a siete segmentos que utilizará en su diseño. ATENCIÓN. Los displays de LEDs de 7-seg requieren de etapas drivers. Por ningún motivo puede permitirse cargar con LEDs la salida de compuertas comunes. Hay problemas con el FAN-OUT. Usando un decodificador de 7 segmentos se construye la etapa de visualización. Se debe destacar que a la salida del decodificador es necesario limitar la corriente que circula hacia el Display, pues la naturaleza de ésta se basa en tecnología LED los cuales, en este caso, soportan una corriente máxima de . Luego las resistencias se calculan como sigue:

La etapa de visualización al considerar esto queda como lo muestra la Figura 7.

Figura 7: Etapa de visualización. Considerando todo lo anterior se tiene que el circuito finalmente queda como:

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Figura 8: Circuito final con visualizador y clock.

Figura 9: Circuito final implementado con compuertas de circuito integrado.

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Trabajo de investigación ¿En qué consisten las configuraciones astable y monoestable con un CI 555? ¿Cuál de ellas propondría usted para el desarrollo de esta experiencia? En un CI 555 existen distintas configuraciones posibles, uno de los usos más frecuentes de estos circuitos integrados es en modo Multivibrador Astable, como en la experiencia de esta sesión de laboratorio. En esta configuración, el circuito produce en su pin de salida OUTPUT una onda cuadrada, con una amplitud igual a la tensión de alimentación. La duración de los periodos alto y bajo de la señal de salida pueden ser diferentes. El nombre de “astable” proviene de la característica de esta configuración, en la que la salida no permanece fija en ninguno de los dos estados lógicos, si no que fluctúa entre ambos en un tiempo T. El modo de funcionamiento: Multivibrador monoestable, recibe ese nombre por permanecer estable en un solo estado: el nivel bajo. En efecto, si conectamos el CI555 en configuración monoestable, su salida permanecerá en estado bajo, salvo en el momento en que reciba una señal en el pin TRIGGER, en cuyo caso la salida pasara a nivel alto durante un tiempo T, determinado por los valores de las resistencias y condensadores, de acuerdo a las fórmulas que rigen esta configuración. El circuito de dicha configuración se muestra en la figura:

Figura 10: Configuración Modo de funcionamiento Multivibrador Monoestable.

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¿Es posible obtener una señal cuadrada de salida con un duty-cycle de 50% con un CI 555? Si su respuesta es afirmativa, proponga una configuración que lo realice. Se tiene la siguiente configuración para que el CI 555 se comporte como un generador de ondas cuadradas:

Salida

Vcc

R1

555 R2

C2

C1

Figura 11: Configuración Modo de funcionamiento Multivibrador Astable. Se plantea del circuito anterior la ecuación para el Duty Cicle:

Para obtener un Duty Cicle de 50%, es decir, que el tiempo que se encuentra la señal en alto es igual al tiempo que la señal se encuentra en nivel bajo, se debe hacer mucho mayor que , tal que permita despreciarlo de la ecuación, o bien, el fabricante recomienda una configuración para obtener ese valor. Esta configuración se muestra a continuación:

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Figura 12: Circuito recomendado por fabricante para Duty Cicle 50%.

¿Cuál es la diferencia entre un visor de siete segmentos de ánodo común y otro de cátodo común? ¿Es necesario rediseñar el circuito lógico cuando se cambia un visor de cátodo común por otro de ánodo común? La diferencia entre un visor de siete segmentos ánodo común y otro cátodo común, es la conexión interna del dispositivo. El visor en configuración ánodo común, tiene todos los ánodos de los LED que lo componen unidos y conectados a la fuente de alimentación. En este caso para activar cualquier elemento hay que poner el cátodo del elemento a tierra a través de una resistencia para limitar la corriente que pasa por él. Por otra parte el visor en configuración cátodo común tiene todos los cátodos de los diodos LED unidos y conectados a la tierra. En este caso para activar cualquier elemento hay que poner el ánodo del elemento a Vcc de igual forma que en la configuración anterior, a través de una resistencia para limitar la corriente que pasa por cada LED.

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Figura 13: Circuito Configuración Ánodo Común y Cátodo Común. Cuando se desea cambiar un visor de cátodo común por uno de ánodo común no es necesario rediseñar el circuito, pero si se deben hacer modificaciones a la conexión del Display de siete segmentos. Los cambios a realizar se muestran en la figura siguiente:

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Figura 14: Circuito interconexión BCD y Visor.

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Tablas de Componentes a utilizar Tabla 6: Materiales teóricos, disponibles en pañol y valores medidos. Descripción Valor Teórico Valor Disponible Valor Medido Cantidad Resistencia 2 Resistencia 7 Condensador 1 Condensador 1 Display 7 segmentos 1 Decodificador 7 segmentos 1 Flip-Flop Tipo T 3 AND 74LS08N 1 XOR 74LS86N 1 NOR 74LS02N 1 NOT 74LS04N 1 Timer LM555CN 1

Tabla 7: Equipos e instrumentos. Descripción Cantidad Multímetro 2 Protoboard 1 Fuente DC 2 Osciloscopio 1

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Pauta de Evaluación Pre-Informe.

Puntaje Puntaje Máximo Obtenido Orden y limpieza 5 Presentación Índice paginado 2 Ortografía y redacción 3 Diseño de actividades 15 Circuitos 10 Desarrollo Simulación 10 Cálculos 3 Materiales y equipos Tabla de materiales y equipos 7 Preguntas de pauta 3 Investigación Data-sheets 2 Total 60 Nota Final 70 Ítem

Asunto

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