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• Alfredo De Santiago Medina

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ELECTRONICA DIGITAL

Contenido INTRODUCCION. .................................................................................................................................. 2 COMPUERTAS LOGICAS:.................................................................................................................. 2 HOJAS DE DATOS. ................................................................................................................................ 4 OR: ................................................................................................................................................... 4 AND: ................................................................................................................................................ 4 NOT: ................................................................................................................................................ 5 NAND: .............................................................................................................................................. 5 NOR: ................................................................................................................................................ 6 XOR: ................................................................................................................................................. 6 XNOR: .............................................................................................................................................. 7 REPORTES DE PRACTICAS. ................................................................................................................... 8 Practica No. 1.- Compuertas Logias con Diodos y Transistores ..................................................... 8 Practica No. 2 Compuertas Lógicas en Circuitos Integrados. ........................................................ 21 Practica 3. ...................................................................................................................................... 31 tabla comparativa las ventajas y desventajas de los métodos de simplificación: algebra de Boole, Mapas de Karnaugh, método de Quine McClausky. ......................................................................... 35 Practica 4. .......................................................................................................................................... 36 BCD DE 7 SEGMENTOS: ................................................................................................................. 36

JOSE ALFREDO DE SANTIAGO MEDINA

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INTRODUCCION. COMPUERTAS LOGICAS: Puesto que las funciones booleanas se expresan en términos de operaciones AND, OR y NOT, es más fácil implementar una función booleana con estos tipos de compuertas. La posibilidad de construir compuertas para las otras operaciones lógicas tiene interés práctico. Los factores por considerar al investigar la construcción de otros tipos de compuertas lógicas son: 1) la factibilidad y economía de producir la compuerta con componentes físicos, 2) la posibilidad de extender la compuerta a más de dos entradas, 3) las propiedades básicas del operador binario, como conmutatividad y asociatividad, y 4) la capacidad de la compuerta para implementar funciones booleanas solas o junto con otras compuertas. De las 16 funciones definidas en la tabla 2-8, dos son iguales a una constante y cuatro se repiten dos veces. Sólo quedan diez funciones que considerar como candidatas para compuertas lógicas. Dos —inhibición e implicación— no son conmutativas ni asociativas, por lo que no resulta práctico su uso como compuertas lógicas estándar. Las otras ocho: complemento, transferencia, AND, OR, NAND, NOR, OR exclusivo y equivalencia se emplean como compuertas estándar en diseño digital. Los símbolos gráficos y tablas de verdad de las ocho compuertas aparecen en la figura 2-5. Cada compuerta tiene una o dos variables binarias de entrada designadas con x y y, y una variable binaria de salida designada con F. Ya definimos los circuitos de AND, OR y el inversor. El circuito inversor invierte el sentido lógico de una variable binaria: produce la función NOT, o complemento. El pequeño círculo en la salida del símbolo gráfico de un inversor (llamado burbuja) indica el complemento lógico. El símbolo de triángulo, por sí solo, denota un circuito búfer. Un búfer produce la función de transferencia, pero no una operación lógica, ya que el valor binario de la salida es igual al valor binario de la entrada. Este circuito sirve para amplificar la potencia de la señal y equivale a dos inversores conectados en cascada. La función NAND es el complemento de la función AND, como lo indica el símbolo gráfico que consiste en un símbolo gráfico AND seguido de una burbuja. La función NOR es el complemento de la función OR y su símbolo gráfico es el de OR seguido de una burbuja. Las compuertas NAND y NOR se usan mucho como compuertas lógicas estándar y, de hecho, son mucho más populares que las compuertas AND y OR. Ello se debe a que es fácil construir compuertas NAND y NOR con circuitos de transistores, y a que es fácil implementar con ellas circuitos digitales. La compuerta de OR exclusivo tiene un símbolo gráfico parecido al de la compuerta OR, sólo que lleva una línea curva adicional del lado de la entrada. La compuerta de equivalencia, o NOR exclusivo, es el complemento del OR exclusivo, como indica la burbuja en el lado de salida del símbolo gráfico.

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HOJAS DE DATOS. OR:

AND:

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NOT:

NAND:

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NOR:

XOR:

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XNOR:

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REPORTES DE PRACTICAS. Practica No. 1.- Compuertas Logias con Diodos y Transistores INTRODUCCION: En el presente informe de detallan las actividades realizadas sobre circuitos electrónicos digitales, estos circuitos digitales se montaron en un protoboard para la comprobación física de los circuitos, siguiendo una guía de laboratorio entregada por el ingeniero, en la cual se daban los diagramas para el montaje en el software Multisim y posteriormente se montaban en la placa de prueba, dando como resultado la comprobación de su funcionamiento. Además, se realizaron los análisis de los diagramas o esquemas de circuitos lógicos con compuertas AND, OR, NOT, NOR y NAND para determinar la función resultante de cada uno de ellos utilizando la tabla de la verdad. Objetivo: Obtención de las tablas de verdad de las compuertas OR, NOT, AND, NAND Y NOR implementadas con diodos y transistores. Antecedentes Teóricos Las compuertas lógicas son los elementos fundamentales utilizados en la implementación de redes combinatorias. Sus entradas y salidas son variables binarias definidas por los valores lógicos “0” y “1”; es decir, son señales eléctricas caracterizadas por un nivel de tensión bajo “L” o alto “H”. Los márgenes de tensión específicos para definir “H” y “L” dependen de la tecnología de semiconductores utilizada en la fabricación de dispositivo. “H” y “L” regularmente están definidos cada uno por margen de valores con amplitud considerable de separación. Por ejemplo, en la Lógica-Transistor- Transistor (TTL), “H” se define por un intervalo de 2.0 a 5.0 V, mientras que “L” se define en el intervalo de 0 a 0.8 V. El comportamiento de una compuerta lógica se describe mediante una tabla de verdad que proporcione el valor de la salida para todas las combinaciones posibles de los valores de entrada; pudiendo ser de una dos o más entradas, cumpliendo siempre con el comportamiento lógico definido por su operación lógica.

Material y Equipo a Utilizar CANTIDAD

DESCRIPCIÓN

X X X X 1 1 1 1

Diodos 1N4001 o equivalente. Transistores 2N2222A o equivalente. Resistencias varios valores. Diodos LED. Micro-Interruptor (1P-1T) Protoboard. Fuente de Alimentación. Multímetro.

Desarrollo Experimental JOSE ALFREDO DE SANTIAGO MEDINA

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ELECTRONICA DIGITAL 1.1.- Implemente el siguiente circuito de la figura 1.1. Por medio de los interruptores SW1 y SW2, cumpla con las condiciones de entrada para obtener la tabla de verdad (Tabla 1.1) con el diodo LED como indicador del valor lógico de salida. Utilice el multímetro para medir el voltaje en salida (S) para cada combinación de entrada.

VCC 5V

R1 220Ω

R2 220Ω

A

LED1 D2 1N4001GP

B

S

R3 220Ω

D1 1N4001GP

SW1

SW2

Figura 1.1 Circuito experimental para la obtención de la tabla de verdad de una compuerta OR con diodos.

1 1 0 0

Tabla 1.1. Tabla de verdad de una compuerta OR implementada con diodos “A” “B” “S” V(“S”) 1 1 1.834 v. 0 1 1.798 v. 1 1 1.798 v. 0 0 0 v.

EVIDENCIAS DE PRACTICA EN LABORATORIO Y SIMULACION EN MULTISIM. JOSE ALFREDO DE SANTIAGO MEDINA

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ELECTRONICA DIGITAL Foto del circuito armada en el laboratorio:

Simulacion en multisim:

Practica en el laboratorio:

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ELECTRONICA DIGITAL 1.2.- Implemente el siguiente circuito de la figura 1.2. Por medio de los interruptores SW1 y SW2, cumpla con las condiciones de entrada para obtener la tabla de verdad (Tabla 1.2) con el diodo LED como indicador del valor lógico de salida. Utilice el multímetro para medir el voltaje en salida (S) para cada combinación de entrada.

VCC

VCC

5V

R1 3.9kΩ

5V R2 3.9kΩ

A

D2 1N4001GP

B

SW1

S

R4 220Ω LED1

D1

R3

1N4001GP

220Ω

SW2

Figura 1.2 Circuito experimental para la obtención de la tabla de verdad de una compuerta AND con diodos.

1 1 0 0

Tabla 1.2. Tabla de verdad de una compuerta AND implementada con diodos “A” “B” “S” V(“S”) 1 1 1.84 v. 0 0 .73 v. 1 0 .73 v. 0 0 .003 v.

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Practica en el laboratorio:

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1.3.- Implemente el siguiente circuito de la figura 1.3. Por medio de los interruptores SW1 y SW2, cumpla con las condiciones de entrada para obtener la tabla de verdad (Tabla 1.3) con el diodo LED como indicador del valor lógico de salida. Utilice el multímetro para medir el voltaje en salida (S) para cada combinación de entrada. VCC

VCC

5V

R1 3.9kΩ

5V R2 3.9kΩ

A

B

D2

R4

1N4001GP

220Ω

D1

LED1

1N4001GP

SW1

S

R3 220Ω

SW2

Figura 1.3 Circuito experimental para la obtención de la tabla de verdad de una compuerta NAND con diodos.

0 0 1 1

Tabla 1.3. Tabla de verdad de una compuerta NAND implementada con diodos “A” “B” “S” V(“S”) 0 1 1.765 v. 1 1 1.765 v. 0 1 1.765 v. 1 0 0 v.

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Practica en el laboratorio:

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1.4.- Implemente el siguiente circuito de la figura 1.4. Por medio del interruptor SW1, cumpla con las condiciones de entrada para obtener la tabla de verdad (Tabla 1.4) con el diodo LED como indicador del valor lógico de salida. Utilice el multímetro para medir el voltaje en salida (S) para cada combinación de entrada. VCC

VCC 5V

5V R4 220Ω

R1 3.9kΩ

R3

S A

Q1

220Ω

R2 1kΩ 2N2222A LED2

SW1

Figura 1.4 Circuito experimental para la obtención de la tabla de verdad de una compuerta NOT con Transistor. “A” 0 1

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“S” 1 0

V(“S”) 1.92 v. 0

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Practica en el laboratorio:

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ELECTRONICA DIGITAL 1.5.- Implemente el siguiente circuito de la figura 1.5. Por medio de los interruptores SW1 y SW2, cumpla con las condiciones de entrada para obtener la tabla de verdad (Tabla 1.5) con el diodo LED como indicador del valor lógico de salida. Utilice el multímetro para medir el voltaje en salida (S) para cada combinación de entrada. VCC

VCC

VCC

5V

5V

5V

R1 3.9kΩ

R7 3.9kΩ

A

R4 220Ω

Q1 R2 1kΩ 2N2222A

B

Q2 R6 1kΩ 2N2222A

S SW1

SW2

R5 4.7kΩ

R3 220Ω LED2

Figura 1.5 Circuito experimental para la obtención de la tabla de verdad de una compuerta AND con Transistores. Tabla 1.5. Tabla de verdad de una compuerta AND implementada con Transistores. “A” “B” “S” V(“S”) 0 0 0 0 v. 0 1 0 1.5 v. 1 0 0 0 v. 1 1 1 1.769 v.

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Practica en el laboratorio:

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ELECTRONICA DIGITAL 1.6.- Implemente el siguiente circuito de la figura 1.5. Por medio de los interruptores SW1 y SW2, cumpla con las condiciones de entrada para obtener la tabla de verdad (Tabla 1.5) con el diodo LED como indicador del valor lógico de salida. Utilice el multímetro para medir el voltaje en salida (S) para cada combinación de entrada. VCC

VCC

VCC

5V

5V

R1 3.9kΩ

R7 3.9kΩ

A

5V

Q1 R2 1kΩ 2N2222A

B

Q2 R6 1kΩ 2N2222A R3

SW1

SW2 R4 4.7kΩ

S

220Ω LED2

Figura 1.6 Circuito experimental para la obtención de la tabla de verdad de una compuerta OR con Transistores. Tabla 1.6. Tabla de verdad de una compuerta OR implementada con Transistores. “A” “B” “S” V(“S”) 0 0 1 v. 0 1 1 1.9 v. 0 1 1 1.89 v. 1 1 1 1.9 v. 1

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Practica en el laboratorio:

CONLCUSION: Como conclusión podemos decir que la práctica del laboratorio ayuda a disipar muchas dudas y mejora la comprensión sobre los circuitos lógico digital, el montaje de diversos componentes ayuda a comprender su funcionamiento y agiliza su análisis en la resolución de problemas. Otra conclusión que se puede dar es que los circuitos digitales abren una ventana hacia la automatización mejorando y acelerando la construcción de nuevos aparatos que día con día ayudaran al ser humano en sus tareas diarias. Por último, se concluye que estos circuitos pueden llegar a reemplazar cualquier actividad humana, al ser estos muy versátiles y confiables.

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Practica No. 2 Compuertas Lógicas en Circuitos Integrados. INTRODUCCION: Un circuito integrado (CI) es un cristal semiconductor de silicio, llamado pastilla, que contiene componentes eléctricos tales como transistores, diodos, resistencias y capacitores, los diversos componentes están interconectados dentro de la pastilla para forma un circuito electrónico. La pastilla está montada en un empaque plástico (cerámico) con sus conexiones soldadas a las patillas externas para conformar el circuito integrado. Los circuitos integrados se clasifican en dos categorías generales: Lineales Operan con señales continuas para producir funciones electrónicas (eje. Amplificadores, moduladores) Digitales Operan con señales binarias y se hacen compuertas digitales interconectadas. Familias Hay muchas familias lógicas de circuitos integrados digitales que han sido introducidos comercialmente, las más populares son: TTL: Lógicas de transistores (Transistor-transistor logic) ECL: Lógica de acoplamiento de emisor (emitter-coupled logic) MOS: Semiconductor de óxido de metal (Metal-oxide semiconductor) CMOS: Semiconductor de óxido de metal complementario (Complementary metal-oxide semiconductor) I2L: Lógica de inyección integrada (Integrated-injection logic) Realizar una investigación sobre familia de circuitos integrados TTL, ECL, MOS, CMOS, investigar características, aspectos técnicos, aplicaciones y usos Objetivos:   

Familiarizarse con los manuales de circuitos integrados (CI) de las familias lógicas TTL y CMOS. Obtención de las tablas de verdad de las compuertas lógicas AND, OR, NOT, NAND, NOR, y XOR. Demostración de las compuertas de 3 entradas generadas mediante compuertas en cascada de dos entradas.

Antecedentes Teóricos Las compuertas lógicas son los elementos fundamentales utilizados en la implementación de redes combinatorias. Sus entradas y salidas son variables binarias definidas por los valores lógicos “0” y “1”; es decir, son señales eléctricas caracterizadas por un nivel de tensión bajo “L” o alto “H”. Los márgenes de tensión específicos para definir “H” y “L” dependen de la tecnología de semiconductores utilizada en la fabricación de dispositivo. “H” y “L” regularmente están definidos cada uno por margen de valores con amplitud considerable de separación. Por ejemplo, en la Lógica-Transistor- Transistor (TTL), “H” se define por un intervalo de 2.0 a 5.0 V, mientras que “L” se define en el intervalo de 0 a 0.8 V. El comportamiento de una compuerta lógica se describe mediante una tabla de verdad que proporcione el valor de la salida para todas las combinaciones posibles de los valores de entrada; pudiendo ser de una dos o más entradas, cumpliendo siempre con el comportamiento lógico definido por su operación lógica. Los símbolos que representan las seis compuertas más comunes se muestran en la figura 2.1. S e indica también los símbolos algebraicos que definen estas operaciones.

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Figura 2.1 Compuertas lógicas más comunes.

Material y Equipo a Utilizar CANTIDAD 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1

DESCRIPCIÓN CI CD4011 o equivalente CI SN74LS00 o equivalente CI SN74LS02 o equivalente CI SN74LS04 o equivalente CI SN74LS08 o equivalente CI SN74LS11 o equivalente CI SN74LS27 o equivalente CI SN74LS32 o equivalente CI SN74LS86 o equivalente Micro-Interruptor (1P-1T) Protoboard. Fuente de Alimentación. Multímetro. Resistencias de 3.9kΩ Generador de Funciones Osciloscopio Probador Lógico.

Pre-reporte:   

Por medio de manuales TTL y CMOS, identifique cada circuito integrado requerido en este experimento y dibuje los diagramas esquemáticos con sus componentes internos. Llevar implementado al laboratorio el circuito Generador de combinaciones. Investigue el uso del probador lógico.

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ELECTRONICA DIGITAL Desarrollo Experimental 2.1.- Implemente el circuito de la figura 2.2, use el CI SN74LS04. VCC 5V

R1 3.9kΩ

XMM1

S

A 7404N

SW1

Figura 2.2. Circuito experimental para obtener la tabla de verdad de una compuerta NOT TTL. 2.2.- Por medio del interruptor SW1, obtenga la tabla de verdad de esta compuerta (Tabla 2.1) con el uso del probador lógico y utilizando el multímetro mida los voltajes a la salida. Tabla 2.1. Tabla de verdad de una compuerta NOT TTL. Nivel Lógico “A” Nivel Lógico “S” 1 0 0 1

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Voltaje en “S” 4.78 v. 0

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Practica en el laboratorio:

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ELECTRONICA DIGITAL 2.3. Implemente el circuito de la figura 2.3, con el CI SN74LS32. VCC 5V

R1 3.9kΩ

R2 3.9kΩ

XMM1

7432N

SW1

SW2

Figura 2.3. Circuito experimental para obtener la tabla de verdad de una compuerta OR TTL 2.4.- Por medio del interruptor SW1 y SW2, cumpla con las condiciones de entrada para obtener la tabla de verdad (Tabla 2.2) con el uso del probador lógico y utilizando el multímetro mida los voltajes a la salida. Tabla 2.2. Tabla de verdad de una compuerta OR TTL. Nivel Lógico “A” Nivel Lógico “B” Nivel Lógico “S” 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

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Voltaje en “S” 0 v. 5.00 v. 5.01 v 5.02 v

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Practica en el laboratorio:

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ELECTRONICA DIGITAL 2.5.- Implemente el circuito de la figura 2.4, con el circuito CD4011. Asegúrese de cambiar el Vcc de 5 V a 10 V, debido a que este circuito integrado es un circuito CMOS y no TTL. VCC 10V

R1 3.9kΩ

R2 3.9kΩ

XMM1

4011BD_10V

SW1

SW2

Figura 2.4. Circuito experimental para obtener la tabla de verdad de una compuerta NAND CMOS. 2.6.- Por medio del interruptor SW1 y SW2, cumpla con las condiciones de entrada para obtener la tabla de verdad (Tabla 2.3) con el uso del probador lógico (colocarlo en CMOS) y utilizando el multímetro mida los voltajes a la salida. Tabla 2.3. Tabla de verdad de una compuerta NAND CMOS. Nivel Lógico “A” Nivel Lógico “B” Nivel Lógico “S” 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0

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Voltaje en “S” 10 v. 10 v. 10 v. 0 v.

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Practica en el laboratorio:

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ELECTRONICA DIGITAL CONLUSION: En la práctica que se realizó nos ayudó a analizar y comprender el funcionamiento de diferentes circuitos con las diferentes compuertas básicas y además de la ocupación del software de simulación multisim, que desde mi punto de vista nos ayudó más a la parte de comprensión de cómo usar el software y agilizar el razonamiento para los circuitos integrados.

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ELECTRONICA DIGITAL Actividades Complementarias 1.- Obtener Experimentalmente, las tablas de verdad de las compuertas internas de los CI SN74LS00 y SN74LS86. 2.- ¿Qué valor lógico tomará una compuerta de la familia TTL, si se deja desconectada una o varias terminales de entrada? Verifique su respuesta experimentalmente, probando su tabla de verdad, con mínimo de 3 compuertas y varias veces. 3.- ¿Qué valor lógico tomará una compuerta de la familia CMOS, si se deja desconectada una o varias terminales de entrada? Verifique su respuesta experimentalmente, probando su tabla de verdad, con mínimo de 3 compuertas y varias veces.

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Practica 3. Compuertas lógicas en FESTO DIDACTICS: INTRODUCCION: El sistema para la enseñanza de Festo Didactic ha sido concebido exclusivamente para la formación y el perfeccionamiento profesional en materia de sistemas y técnicas de automatización industrial. La empresa que ofrece clases a aprendices y/o estudiantes deberá velar por que se adopten las medidas de seguridad descritas en el presente manual y que establecen las normas legales. Festo Didactic se exime explícitamente de cualquier responsabilidad en relación con daños sufridos por aprendices/estudiantes de la empresa y/o por terceros, ocasionados durante la utilización del presente conjunto de equipos con fines que no corresponden al plan didáctico, a menos que Festo haya causado dichos daños intencionadamente o por negligencia grave. OBJETIVO: el objetivo de esta práctica es que el alumno se enseñe a utilizar el equipo de FESTO armando las compuertas lógicas. al igual realizar la simulación del circuito en el software FluidSim. DESARROLLO: Simulación en FluidSim y evidencia de practica en el laboratorio. NOT:

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ELECTRONICA DIGITAL AND:

OR:

NAND:

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ELECTRONICA DIGITAL NOR:

XNOR:

XOR:

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YES:

CONCLUSION: Al terminar esta práctica en el laboratorio comprendí como usar el equipo de Festo, desarrollar las compuertas lógicas en un sistema electroneumático al controlar un pistón y lamparas para ciertas tareas al igual usar el software para hacer la simulación antes de empezar a armar la práctica, con estos equipos tengo más claridad de los sistemas que tenemos que usar en la industria para realizar tareas específicas.

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tabla comparativa las ventajas y desventajas de los métodos de simplificación: algebra de Boole, Mapas de Karnaugh, método de Quine McClausky.

Algebra de Boole

Mapas de Karnaugh

Método de Quine McClausky

Ventajas -Al aplicarla reduces la expresión asi que ahorrarías en su representación ciertas conexiones y algunos componentes. -Al reducir conexiones y cantidad de componentes la representación seria más limpia por lo que sería más fácil de comprender. -Al simplificar el circuito reduces complejidad y optimizas costos. También el tiempo de respuesta mejora (si es necesario considerar los tiempos de retardo) Una de las principales ventajas de usar los mapas k es que reducimos las funciones hasta un punto en el cual nos ahorramos material y tiempo al momento de hacer todas las conexiones de todas las funciones

Desventajas. Una desventaja muy importante de usar el algebra de Boole es que piensas que la función que estas haciendo te va a quedar muy reducida y las conexiones estarán sencillas pero es todo lo contrario ya que te salen demasiado complicadas y te quitan mucho tiempo gastas mucho en material

Una desventaja es que es tardado y muy tedioso ya que tienes que tener cuidado y estar concentrado en hacer las uniones de los 1 o los 0 ya que si sumas uno de mas o u se te olvida uno toda tu función cambia y tu tabla de verdad ya no coincide .

La ventaja es que es un método directo, muy mecánico, seguro y no está limitado por el número de variables para encontrar la minima expresión booleana y la desventaja es que un método muy largo y pacencioso.

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Practica 4. BCD DE 7 SEGMENTOS: INTRODUCCION: Para esta práctica el profesor a cargo nos dejó realizar un bcd de 7 segmentos con 4 variables realizando una tabla de verdad para realizar los mapas de Karnaugh para realizar las funciones correspondientes y mostrar los números de 0 al 9 y las iniciales de nuestro nombre apoyándonos con el software multisim para obtener los diagramas de los circuitos lógicos. OBJETIVO: El alumno será capaz de cablear su circuito individualmente también identificar las diferentes compuertas básicas 74LS04 NOT, 74LS08 AND, 74LS32 OR. MATERIALES: -protoboard -Compuertas lógicas básicas (74LS04 NOT, 74LS08 AND, 74LS32 OR.) -resistencias varias -LEDS -bcd 7 segmentos -dip switch DESARROLLO: Se muestra en la imagen el bcd funcionando. Circuitos, tabla de verdad y mapas k en anexo. CONCLUSION: esta práctica fue muy interesante ya que en ella implementamos todos los conocimientos aprendidos en clase un poco complicada, pero con un resultado satisfactorio ya que comprendimos el uso de compuertas lógicas para estar preparados cuando tengas que realizar cualquier circuito digital. Los usos de las tecnologías facilitaron nuestro trabajo. personalmente pienso que con este tipo de prácticas es más fácil comprender la materia de electrónica digital

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