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CENTRO EDUCATIVO SALESIANOS TALCA
Especialidad de Electrónica
Módulo
MANTENIMIENTO, OPERACIÓN Y DISEÑO
CON DISPOSITIVOS Y CIRCUITOS
ELECTRÓNICOS DIGITALES
Nombre Alumno:
Curso :
R.U.N :
Docente:
Fernando Tapia Ramírez
Introducción
Este módulo está asociado a las áreas de competencias “Montar, instalar y desmontar
componentes, dispositivos y equipos electrónicos” y “Mantener y operar dispositivos y
equipamiento electrónico”. Es de carácter obligatorio y para su desarrollo y evaluación se
sugiere 200 horas.
En el presente módulo el alumno y alumna adquiere los conocimientos y las capacidades
necesarias para:
ü Distinguir los aspectos cualitativos y funcionales de los principales circuitos y
dispositivos utilizados en la electrónica lógica.
ü Aplicar las reglas de la lógica a la confección y análisis de circuitos digitales.
ü Efectuar análisis de circuitos electrónicos lógicos.
ü Operar y mantener aplicaciones digitales en circuitos de control eléctrico.
Este módulo supone el dominio de conceptos relacionados con la medición y el análisis
de componentes y circuitos electrónicos, además del dominio de capacidades
relacionadas con el uso adecuado de herramientas e instrumentos básicos utilizados en
electrónica. Permite ampliar la base de conocimientos, reforzarlos y orientarlos hacia una
visión interdisciplinaria de las especialidades del sector eléctrico, ya que las aplicaciones
tecnológicas llevan en forma muy frecuente la integración de estos dominios. El módulo
se justifica por la gran aplicación que tienen los sistemas digitales, principalmente en los
sistemas de control electrónico de potencia y control de máquinas, los que constituyen un
amplio campo ocupacional del sector de Electricidad.
Para el buen desarrollo del módulo, el alumno deberá dominar adecuadamente las
siguientes disciplinas:
Matemática:
Lógica proposicional y álgebra de Boole.
Lenguaje y Comunicación:
Lectura comprensiva de instrucciones, elaboración de informes y conclusiones a partir de
observaciones.
Idioma extranjero (Inglés):
Traducción e interpretación de manuales y catálogos.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
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Materiales Necesarios.
•
Cuaderno Universitario 100 Hojas Aproximadamente.
•
Lápiz Grafito.
•
Goma de borrar.
•
Lápices pasta de 3 colores diferentes.
•
Calculadora científica, que ejecute operaciones binarias y permita la conversión a
otros sistemas numéricos.
•
Disponibilidad de un PC, Pentium 133 MHz, 32 MB RAM, Windows 95, como
mínimo y acceso a Internet, de 1 Hora semanal.
Preparación previa.
El alumno deberá preocuparse por tener un buen dormir, en especial previo al ingreso a la
clase de aula del módulo en cuestión, ya que ésta es una disciplina del área matemática,
la cual requiere un buen nivel de concentración.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
3
Contenidos
Fundamentos de electrónica digital:
•
Diferencias entre el tratamiento analógico y digital de la información.
•
Algebra de Boole: variables, operaciones y teoremas.
•
Compuertas lógicas: tipos, funciones, características.
Circuitos digitales:
•
Circuitos combinacionales:
•
Codificadores.
•
Decodificadores.
•
Multiplexores.
•
Demultiplexores.
•
Circuitos secuenciales:
•
Biestables.
•
Contadores y registros de desplazamiento.
•
Circuitos digitales aritméticos.
•
Diseño básico de sistemas combinacionales y secuenciales.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
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PROCESO DE REPASO
Manipulación y operación del
osciloscopio.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
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TEMA 1
Operación y manipulación de un osciloscopio.
El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra
señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y,
representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo.
Básicamente el osciloscopio se puede utilizar para las siguientes labores:
•
•
•
•
•
•
Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal.
Determinar indirectamente la frecuencia de una señal.
Determinar que parte de la señal es DC y cual AC.
Localizar averías en un circuito.
Medir la fase entre dos señales.
Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.
Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del Transductor
adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz
de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones
en un coche, etc.
Los equipos electrónicos se dividen en dos
tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros
trabajan con variables continuas mientras
que los segundos lo hacen con variables
discretas.
Por ejemplo un tocadiscos es un equipo
analógico y un Compact Disc es un equipo
digital. Los Osciloscopios también pueden
ser analógicos ó digitales. Los primeros
trabajan directamente con la señal aplicada,
está una vez amplificada desvía un haz de
electrones
en
sentido
vertical
proporcionalmente a su valor. En contraste
los
osciloscopios
digitales
utilizan
previamente un conversor analógico-digital
(A/D) para almacenar digitalmente la señal
de entrada, reconstruyendo posteriormente
esta información en la pantalla. Ambos tipos
** Vertical. ** Horizontal. ** Disparo.
tienen sus ventajas e inconvenientes. Los
** Control de la visualización **
analógicos son preferibles cuando es
Conectores.
prioritario visualizar variaciones rápidas de
la señal de entrada en tiempo real. Los
osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no
repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente). A primera vista un
osciloscopio se parece a una pequeña televisión portátil, salvo una rejilla que ocupa la
pantalla y el mayor número de controles que posee. En la figura de arriba se representan
estos controles distribuidos en cinco secciones:
Para entender el funcionamiento de los controles que posee un osciloscopio es necesario
detenerse un poco en los procesos internos llevados a cabo por este aparato.
Empezaremos por el tipo analógico ya que es el más sencillo.
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Osciloscopios analógicos
Cuando se conecta la sonda a un circuito, la señal atraviesa esta última y se dirige a la
sección vertical. Dependiendo de donde situemos el mando del amplificador vertical
atenuaremos la señal ó la amplificaremos. En la salida de este bloque ya se dispone de la
suficiente señal para atacar las placas de deflexión verticales (que naturalmente están en
posición horizontal) y que son las encargadas de desviar el haz de electrones, que surge
del cátodo e impacta en la capa fluorescente del interior de la pantalla, en sentido vertical.
Hacia arriba si la tensión es positiva con respecto al punto de referencia (GND) ó hacia
abajo si es negativa.
La señal también atraviesa la sección de disparo para de esta forma iniciar el barrido
horizontal (este es el encargado de mover el haz de electrones desde la parte izquierda
de la pantalla a la parte derecha en un determinado tiempo). El trazado (recorrido de
izquierda a derecha) se consigue aplicando la parte ascendente de un diente de sierra a
las placas de deflexión horizontal (las que están en posición vertical), y puede ser
regulable en tiempo actuando sobre el mando TIME-BASE. El retrasado (recorrido de
derecha a izquierda) se realiza de forma mucho más rápida con la parte descendente del
mismo diente de sierra.
De esta forma la acción combinada del trazado horizontal y de la deflexión vertical traza la
gráfica de la señal en la pantalla. La sección de disparo es necesaria para estabilizar las
señales repetitivas (se asegura que el trazado comience en el mismo punto de la señal
repetitiva).
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
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En la siguiente figura puede observarse la una señal disparada en flanco ascendente.
Como conclusión para utilizar de forma correcta un Osciloscopio analógico necesitamos
realizar tres ajuste básicos:
La atenuación ó amplificación que necesita la señal. Utilizar el mando AMPL. para ajustar
la amplitud de la señal antes de que sea aplicada a las placas de deflexión vertical.
Conviene que la señal ocupe una parte importante de la pantalla sin llegar a sobrepasar
los límites.
La base de tiempos. Utilizar el mando TIMEBASE para ajustar lo que representa en
tiempo una división en horizontal de la pantalla. Para señales repetitivas es conveniente
que en la pantalla se puedan observar aproximadamente un par de ciclos.
Disparo de la señal. Utilizar los mandos TRIGGER LEVEL (nivel de disparo) y TRIGGER
SELECTOR (tipo de disparo) para estabilizar lo mejor posible señales repetitivas.
Por supuesto, también deben ajustarse los controles que afectan a la visualización:
FOCUS (enfoque), INTENS. (intensidad) nunca excesiva, Y-POS (posición vertical del
haz) y X-POS (posición horizontal del haz).
Osciloscopios digitales
Los Osciloscopios digitales poseen además de las secciones explicadas anteriormente un
sistema adicional de proceso de datos que permite almacenar y visualizar.
Cuando se conecta la sonda de un Osciloscopio digital a un circuito, la sección vertical
ajusta la amplitud de la señal de la misma forma que lo hacia el Osciloscopio analógico.
El
conversor
analógico
digital del
sistema de
adquisición
de
datos
muestrea
la señal a
intervalos
de tiempo
determinados y convierte la señal de voltaje continua en una serie de valores digitales
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llamados muestras. En la sección horizontal una señal de reloj determina cuando el
conversor A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj se denomina velocidad de
muestreo y se mide en muestras por segundo.
Los valores digitales muestreados se almacenan en una memoria como puntos de señal.
El número de los puntos de señal utilizados para reconstruir la señal en pantalla se
denomina registro. La sección de disparo
determina el comienzo y el final de los puntos de
señal en el registro. La sección de visualización
recibe estos puntos del registro, una vez
almacenados en la memoria, para presentar en
pantalla la señal.
Dependiendo de las capacidades del osciloscopio
se pueden tener procesos adicionales sobre los
puntos muestreados, incluso se puede disponer
de un predisparo, para observar procesos que
tengan lugar antes del disparo.
Fundamentalmente, un osciloscopio digital se
maneja de una forma similar a uno analógico,
para poder tomar las medidas se necesita ajustar el mando AMPL.,el mando TIMEBASE
así como los mandos que intervienen en el disparo.
Métodos de muestreo:
Se trata de explicar como se las arreglan los osciloscopios
digitales para reunir los puntos de muestreo. Para señales
de lenta variación, los osciloscopios digitales pueden
perfectamente reunir más puntos de los necesarios para
reconstruir posteriormente la señal en la pantalla. No
obstante, para señales rápidas (como de rápidas dependerá
de la máxima velocidad de muestreo de nuestro aparato) el
osciloscopio no puede recoger muestras suficientes y debe
recurrir a una de estas dos técnicas: Interpolación, es decir,
estimar un punto intermedio de la señal basándose en el
punto anterior y posterior.
Muestreo en tiempo equivalente. Si la señal es repetitiva es posible muestrear durante
unos cuantos ciclos en diferentes partes de la señal para después reconstruir la señal
completa.
El método standard de muestreo en los Osciloscopio digitales es el muestreo en tiempo
real: el Osciloscopio reúne los suficientes puntos como para reconstruir la señal. Para
señales no repetitivas ó la parte transitoria de una señal es el único método válido de
muestreo. Los Osciloscopio utilizan la interpolación para poder visualizar señales que son
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más rápidas que su velocidad de muestreo. Existen básicamente dos tipos de
interpolación:
Lineal: Simplemente conecta los puntos maestreados con líneas.
Senoidal: Conecta los puntos maestreados con curvas según un proceso matemático, de
esta forma los puntos intermedios se calculan para rellenar los espacios entre puntos
reales
de
muestreo.
Usando
este
proceso
es
posible
visualizar
señales
con
gran precisión
disponiendo de
relativamente
pocos puntos
de muestreo.
Muestreo
en
tiempo
equivalente
Algunos Osciloscopios digitales utilizan este tipo de muestreo. Se trata de reconstruir una
señal repetitiva capturando una pequeña parte de la señal en cada ciclo.Existen dos tipos
básicos:
Muestreo
secuencialLos
puntos
aparecen de
izquierda
a
derecha
en
secuencia
para
conformar la
señal.
Muestreo
aleatorio- Los
puntos
aparecen aleatoriamente para formar la señal.
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Procedimiento básico para la operación correcta del osciloscopio.
Poner a tierra
Una buena conexión a tierra es muy importante para realizar medidas con un
osciloscopio, ya que se encarga de aterrizar las señales capturadas por la carcasa que
son producto de perturbaciones electromagnéticas que no podemos controlar.
Colocar a tierra el Osciloscopio
Por seguridad es obligatorio colocar a tierra el osciloscopio. Si se produce un contacto
entre un alto voltaje y la carcasa de un osciloscopio no puesto a tierra, cualquier parte de
la carcasa, incluidos los mandos, puede producirle un peligroso shock. Mientras que un
osciloscopio bien colocado a tierra, la corriente, que en el anterior caso te atravesaría, se
desvía a la conexión de tierra.
Para conectar a tierra un osciloscopio se necesita unir el chasis del osciloscopio con el
punto de referencia neutro de tensión (comúnmente llamado tierra). Esto se consigue
empleando cables de alimentación con tres conductores (dos para la alimentación y uno
para la toma de tierra).
El osciloscopio necesita, por otra parte, compartir la misma masa con todos los circuitos
bajo prueba a los que se conecta.
Algunos osciloscopios pueden funcionar a diferentes tensiones de red y es muy
importante asegurarse que esta ajustado a la misma de la que disponemos en las tomas
de tensión.
Sin embargo, existe un procedimiento que mas adelante mencionaremos, en el cual
debemos desconectar la puesta a tierra, para realizar mediciones a la red eléctrica, esto
se debe a que existe el riesgo de producir un corto circuito, el cual se genera debido a la
electrificación controlada de la carcasa.
Ponerse a tierra uno mismo
Si se trabaja en circuitos integrados (ICs), especialmente del tipo CMOS, es necesario
colocarse a tierra uno mismo. Esto es debido a que ciertas partes de estos circuitos
integrados son suceptibles de estropearse con la tensión estática que almacena nuestro
propio cuerpo. Para resolver este problema se puede emplear una correa conductora que
se conectará debidamente a tierra, descargando la electricidad estática que posea su
cuerpo.
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Ajuste inicial de los controles
Después de conectar el osciloscopio a la toma de red y de alimentarlo pulsando en el
interruptor de encendido:
Es necesario familiarizarse con el panel frontal del osciloscopio. Todos los osciloscopios
disponen de tres secciones básicas que llamaremos: Vertical, Horizontal, y Disparo.
Dependiendo del tipo de osciloscopio empleado en particular, podemos disponer de otras
secciones.
Existen unos conectores BNC, donde se colocan las sondas de medida.
La mayoria de los osciloscopios actuales disponen de dos canales etiquetados
normalmente como I y II (ó A y B). El disponer de dos canales nos permite comparar
señales de forma muy cómoda.
Algunos osciloscopios avanzados poseen un interruptor etiquetado como AUTOSET ó
PRESET que ajustan los controles en un solo paso para ajustar perfectamente la señal a
la pantalla. Si tu osciloscopio no posee esta característica, es importante ajustar los
diferentes controles del aparato a su posición estándar antes de proceder a medir.
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Estos son los pasos más recomendables:
•
Ajustar el osciloscopio para visualizar el canal I. (al mismo tiempo se colocará
como canal de disparo el I).
Ajustar a una posición intermedia la escala voltios/división del canal I (por ejemplo 1v/cm).
Colocar en posición calibrada el mando variable de voltios/división (potenciómetro
central).
•
•
Desactivar cualquier tipo de multiplicadores verticales.
Colocar el conmutador de entrada para el canal I en acoplamiento DC.
Colocar el modo de disparo en automático.
•
•
Desactivar el disparo retardado al mínimo ó desactivado.
Situar el control de intensidad al mínimo que permita apreciar el trazo en la
pantalla, y el trazo de focus ajustado para una visualización lo más nítida posible
(generalmente los mandos quedaran con la señalización cercana a la posición
vertical).
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Sondas de medida
Con los pasos detallados anteriormente, ya estas en condiciones de conectar la sonda de
medida al conector de entrada del canal I. Es muy importante utilizar las sondas
diseñadas para trabajar especificamente con el osciloscopio. Una sonda no es ,ni muco
menos, un cable con una pinza, sino que es un conector especificamente diseñado para
evitar ruidos que puedan perturbar la medida.
Además, las sondas se construyen para que tengan un efecto mínimo sobre el circuito de
medida. Esta facultad de la sondas recibe el nombre de efecto de carga, para minimizarla
se utiliza un atenuador pasivo, generalmente de x10.
Este tipo de sonda se proporciona generalmente con el osciloscopio y es una excelente
sonda de utilización general. Para otros tipos de medidas se utilizan sondas especiales,
como pueden ser las sondas de corriente ó las activas.
Sondas pasivas
La mayoría de las sondas pasivas están marcadas con un factor de atenuación,
normalmente 10X ó 100X. Por convenio los factores de atenuación aparecen con el signo
X detrás del factor de división. En contraste los factores de amplificación aparecen con el
signo X delante (X10 ó X100).
La sonda más utilizada posiblemente sea la 10X, reduciendo la amplitud de la señal en un
factor de 10. Su utilización se extiende a partir de frecuencias superiores a 5 kHz y con
niveles de señal superiores a 10 mV. La sonda 1X es similar a la anterior pero introduce
más carga en el circuito de prueba, pero puede medir señales con menor nivel. Por
comodidad de uso se han introducido sondas especiales con un conmutador que permite
una utilización 1X ó 10X. Cuando se utilicen este tipo de sondas hay que asegurarse de la
posición de este conmutador antes de realizar una medida.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
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Compensación de la sonda
Antes de utilizar una sonda atenuadora 10X es necesario realizar un ajuste en frecuencia
para el osciloscopio en particular sobre el que se vaya a trabajar. Este ajuste se denomina
compensación de la sonda y consta de los siguientes pasos.
•
•
Conectar la sonda a la entrada del canal I.
Conectar la punta de la sonda al punto de señal de compensación (La mayoria de
los osciloscopios disponen de una toma para ajustar las sondas, en caso contrario
será necesario utilizar un generador de onda cuadrada).
•
•
•
Conectar la pinza de cocodrilo de la sonda a masa.
Observar la señal cuadrada de referencia en la pantalla.
Con el destornillador de ajuste, actuar sobre el condensador de ajuste hasta
observar una señal cuadrada perfecta.
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Sondas activas
Proporcionan una amplificación antes de aplicar la señal a la entrada del osciloscopio.
Pueden ser necesarias en circuitos con una cargabilidad de salida muy baja. Este tipo de
sondas necesitan para operar una fuente de alimentación.
Sondas de corriente
Posibilitan la medida directa de las corrientes en un circuito. Las hay para medida de
corriente alterna y continua. Poseen una pinza que abarca el cable a través del cual se
desea medir la corriente. Al no situarse en serie con el circuito causan muy poca
interferencia en él.
Tipos de señales eléctricas (Interpretación de su lectura)
Existen instrumentos que están pensados solamente para medir señales sinusoidales, en
sus valores RMS (Valor que compara los efectos producidos por la corriente continua en
su equivalente alterna), por lo tanto si medimos una señal diferente de esta, la lectura
será errónea. A continuación se detallan las respectivas ecuaciones que permiten calcular
los valores RMS de las mas comunes empleadas en nuestra área.
Sinusoidal
Triangular
Cuadrada
V max
2
V max
3
V max
NOTA: Vmax, corresponde al valor de pico observado en el osciloscopio.
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Señal sinusoidal
Señal triangular.
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Señal diente de sierra.
Señal rectangular.
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& Actividad Práctica
1.
Enumere brevemente el procedimiento para iniciar el uso de un osciloscopio.
2. Indique diferencias que existen entre la lectura con un osciloscopio análogo y otro
digital.
3. ¿Que debemos interpretar si en la entrada de un osciloscopio aparecen las siglas
17pF/15Mohm.?
4. ¿Que puede ocurrir si en un osciloscopio introducimos una señal de frecuencia
superior a la que fue construido?.
5. Redibuje la siguiente señal, si el control del osciloscopio lo movemos a la posición AC.
6. A continuación, indique el valor de medición que se debe interpretar.
a)
Posición del
Divisiones Valor Amplitud
control
500 mV/div
5
500 mV/div
3
5 V/div
2
10 V/div
4
10 V/div-Sonda x10
3
500 mV/div-Sonda x10
5
2 V/div-Sonda x10
2
Pico a Pico
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b)
Posición del control
5 mS/div
1 mS/div
2 mS/div
0.02 S/div
1 mS/div
1 s/div
0.05 s/div
Divisiones
1
3
5
4.5
1.6
1.5
5
Período
Frecuencia
7. Identifique los controles elementales del siguiente osciloscopio.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
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Aprendizaje Esperado
Analiza los circuitos y dispositivos
utilizados en el ámbito de la
electrónica lógica.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
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TEMA 2
Lógica Digital
DEFINICIÓN DE LÓGICA DIGITAL.
Los circuitos que trabajan con electrónica
digital son aquellos que son capaces de obtener
decisiones lógicas como salida a partir de una
ciertas condiciones de entrada. En consecuencia,
se puede decir que en algunos casos parecen
que
son
inteligentes,
aunque esto no
es cierto, ya
que no tienen
capacidad para
pensar por si
mismos,
sino
que
están
programados
por la persona
que
los
diseñó.La electrónica analógica y la digital son opuestas, ya que la primera trabaja
con señales que varían de forma
continua, mientras que la segunda
trabaja con señales de naturaleza
incremental.
En
electrónica
analógica
los
parámetros
de
medida usuales son los voltajes e
intensidades, mientras que en
electrónica digital se miden los
estados lógicos de un circuito.
1.2. ELEMENTOS DIGITALES DE
DECISIÓN Y MEMORIA.
Como se ha visto antes, los circuitos digitales
tienen ciertos
estados lógicos
dentro de su
funcionamiento,
lo que significa
que presentan
cierta memoria
para realizar las
tareas para las
que se les han
programado. El
elemento que
hace posible que se disponga de esa memoria
es la puerta lógica, que será el elemento base de
toma de decisiones de nuestros circuitos.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
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Así interconectando varias puertas lógicas se conseguirán codificar los posibles
resultados que se deseen obtener de un circuito, codificando la información
necesaria en la red de puertas lógicas que se formará en cada caso.
La salida de estos elementos es un “s i” o un “no”, que dependerá de los estados
de sus entradas. Por ello se trabajará con el sistema de numeración binario, en el
que solo existirán esos estados. Este sistema es un sistema en base 2, frente al de
base 10 que se utiliza normalmente en la vida cotidiana. Para poder trabajar con él se
utilizará el álgebra de Boole, que definirá las normas de utilización de este nuevo
sistema.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
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Autoevaluación
1. En los siguientes recuadros, dibuje una señal Digital y otra Análoga. En el caso de la
digital, determine su interpretación con “0” y “1”. ¿Cual es la diferencia?
ANALOGA
V
DIGITAL
V
t
t
2. Analizar los siguientes circuitos y establecer las condiciones bajo las cuales las
lámparas se encenderán.
Circuito 1.
Circuito 2.
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3. En el siguiente circuito, determine
como deberán estar los pulsadores
de modo que se obtengan 5 V donde
se indica.
4. Mencione y describa brevemente 5 equipos que utilicen tecnología digital,
aludiendo al bloque funcional o misión que cumple el sistema en su
funcionamiento.
5. Diseñe a partir del uso del diodo 1N4007, un circuito que permita el encendido
de una lámpara de 12V@100mA, que será interpretada como alarma al
conductor de un automóvil, que dará aviso al usuario cuando se abran
cualquiera de sus 4 puertas, y además se detecte que la chapa de arranque se
encuentre en la posición ACC. (contacto activado, o sea existe presencia de
tensión en un borne de salida de la chapa).
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
25
TEMA 3
Sistemas numéricos
OBJETIVOS
•
•
Introducir a los métodos de conversión entre varios sistemas de numeración, con
los que se trabajará en electrónica digital.
Conocer la utilidad o versatilidad que esto trae consigo.
SISTEMA BINARIO
Como se dijo anteriormente
este sistema es el que se
utilizará cuando se trabaje
en
electrónica
digital.
Se
basa en la utilización de dos
números
para
representar
cualquier cantidad, que son el
“0” y el “1”.
En electrónica estos números representarán los niveles de tensión de cada punto
de un circuito, “1” cuando exista tensión alta y
“0” cuando la tensión sea nula.
El procedimiento de la formación de cualquier
número en este sistema sigue el mismo
procedimiento que el sistema decimal, pero
sustituyendo las potencias de 10 por potencias
de dos.
Las equivalencias entre los primeros números
decimales y los binarios correspondientes se
muestran en la tabla 2.1.
CONVERSIÓN DE DECIMAL A BINARIO
DECIMAL
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
BINARIO
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
Tabla 2.1
Existen dos métodos para realizar la conversión de un número decimal a binario.
Teniendo en cuenta las sucesivas potencias de dos y su correspondiente valor
en decimal. Se ajustará la suma total de los números binarios puestos a uno
y
su correspondiente valor en decimal. La similitud entre ambos sistemas se
muestra más abajo.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
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Realizando sucesivas divisiones por la base binaria 2. El resultado se obtiene
recogiendo números enteros de la operación, empezando por el último cociente y
siguiendo por los restos de cada división, desde abajo hacia arriba, es decir:
Ø Actividad
Convierta a binario los siguientes números en base decimal.
a) 150
b) 100
c) 20
d) 35
e) 69
f) 65536
g) 28
h) 70
i)
j)
355
40
ARITMETICA BINARIA.
Las reglas para realizar operaciones en aritmética binaria son similares a las que se
utilizan en el sistema decimal, pero mucho más simples, ya que se utilizan solamente
dos números. Las reglas para las cuatro operaciones básicas son:
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
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OTROS CÓDIGOS BINARIOS.
Hay otros códigos binarios que se utilizan en electrónica digital y que por su
importancia se explican a continuación.
Decimal codificado en binario (BCD).
Este sistema es una forma particular de emplear el sistema binario, que se
utiliza para representar números decimales. Cada dígito decimal se representa con
bloques independientes de 4 bits codificados en binario. Se utiliza para
representación de números decimales en displays. Su formato se representa en la
siguiente tabla:
De esta forma la representación de números decimales se haría de la siguiente forma:
Código de paridad de bit:
Éste no es en sí un sistema de numeración, sino que más bien es un sistema de
seguridad para otro sistema de numeración.
Se utiliza en la transmisión de datos entre
Bit de
ordenadores y en algunos tipos de memorias, Bits de datos e información
paridad
para controlar que el byte recibido es correcto y
no ha sufrido modificación de la información en el proceso de transmisión de los
datos digitales. Funciona con un solo bit, que representa el tipo de paridad que tiene el
byte que lo acompaña junto con el propio bit de paridad, según los siguientes formatos.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
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Paridad impar: El número de unos del grupo de bits formado por los datos y el bit
de paridad es siempre impar, con lo que el bit de paridad es puesto a uno si el
numero de unos del dato original era par y se pone a cero en el caso contrario.
Ejemplo:
Caso 1.
En el ejemplo se observa que el registro cuenta con 4 unos, por lo tanto el bit de paridad
debe ser 1.
1
0
1
0 1
Datos
0
1
1
Bit de
paridad
Caso 2
En el ejemplo se observa que el registro cuenta con 3 unos, por lo tanto el bit de paridad
debe ser 0.
1
0
0
0 1
Datos
0
1
0
Bit de
paridad
Paridad par: El número de unos del grupo de bits formado por los datos y el bit de
paridad es siempre par; con lo que el bit de paridad es puesto a uno si el número
de unos del dato original era impar y se pone a cero en el caso contrario.
Ejemplo:
Caso 1.
En el ejemplo se observa que el registro cuenta con 5 unos, por lo tanto el bit de paridad
debe ser 1.
1
1
1
0 1
Datos
0
1
1
Bit de
paridad
Caso 2
En el ejemplo se observa que el registro cuenta con 2 unos, por lo tanto el bit de paridad
debe ser 0.
1
0
1
0 0
Datos
0
0
0
Bit de
paridad
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
29
SISTEMA OCTAL.
En este sistema de numeración las cantidades se representan con 8 dígitos distintos
(7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 y 0) en base 8. Con él se consiguen representar números binarios de
una forma más reducida y sencilla para su lectura. Para convertir un número decimal a
octal se sigue un procedimiento similar al que se utilizaba en binario, con la diferencia
de que ahora se divide entre 8 el lugar de entre 2.
Para convertir un número binario a octal se agrupan los bits de 3 en 3 de derecha a
izquierda y después se convierten esos grupos de bits a formato decimal. Esto dará
como máximo un valor de 7 por dígito, ya que estamos trabajando en octal. Por
ejemplo:
11010110)b = 11.010.110 = 3.2.6 = 326)o
2.6. SISTEMA HEXADECIMAL.
Este sistema está compuesto por un total de 16 dígitos distintos,
representándose los 6 mayores por las 6 primeras letras del alfabeto en
mayúsculas, es decir (F, E, D, C, B, A, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 y 0).
Es el sistema más utilizado en el proceso de datos por excelencia, en gran parte
debido a la existencia de procesadores digitales que manejan más de 8 bits de
datos. Con cada número hexadecimal se pueden expresar hasta 4 bits binarios.
La conversión de un dato binario a hexadecimal es muy sencilla. Se agrupan los bits
binarios en grupos de 4 de derecha a izquierda. Convirtiendo después estos grupos
de bits como se indica en la tabla de abajo.
En esta tabla además se representan las conversiones de los 16 primeros números
decimales a las demás bases que se han explicado.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
30
CAMBIO DE CUALQUIER BASE A DECIMAL.
Con el siguiente método se puede cambiar un número de cualquier base a base
decimal. Habrá que aplicar la siguiente fórmula:
En donde:
-
an representa el número de la posición “n” en base “b”, comenzando
a contar por la derecha y desde 0.
-
b es la base que se va a convertir.
& Ejemplo de aplicación del método.
Conversión del número A532h
ü Primero contabilizamos el número de posiciones con las que cuenta el número
asignado, recordando que debemos contar desde “0”, en este caso:
n=3
ü Luego, utilizando la tabla de conversión de los 10 primeros números,
establecemos los valores en decimal, de cada uno de los dígitos.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
31
A ⇒ A3 = 10
5 ⇒ A2 = 5
3 ⇒ A1 = 3
2 ⇒ A0 = 2
ü Finalizamos utilizando la ecuación y reemplazando con los datos indicados
Numero = A3b 3 + A2b 2 + A1b1 + A0b 0
A532h = 10·163 + 5·162 + 3·161 + 2·160
= 40960 + 1280 + 48 + 2
= 42290d
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
32
&
Actividad
1. Realice la conversión numérica que se pide:
a) 65537d = / b
b)(26 + 32 + 10 ) d = / b
c) 235d = / BCD
d )(20 + 30 + 40 ) d = / b
e)(20 + 30 + 40 ) d = / BCD
f )((5 × 15) + 2) d = / BCD
g )00011100BCD = / d
2. Convierta a Binario cada uno de los siguientes números, a base decimal.
235b =
65980b =
138b =
65535b =
100b =
( 2 0 + 30 + 25 ) =
( 2 0 + 21 + 2 2 + 2 3 + 2 4 + 2 5 + 2 6 + 2 7 ) b =
[(2 )2]
2
b
=
3. Convierta a BCD y binario , los siguientes números decimales.
235 d =
138 d =
100 d =
Si UD. Compara los resultados de la conversión a BCD, con la binaria convencional, ¿Son
iguales?.
4. ¿Que características tiene una señal digital, que es enviada a través del protocolo RS232? (Velocidad de bit, amplitudes, bit de paridad).
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
33
5. Los siguientes códigos binarios, corresponden a registros de salida de un
microprocesador, dicho registro funciona con el criterio de transmisión de paridad par,
a partir de ello, determine el valor del bit de paridad asociado.
0
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
34
TEMA 4
Aplicaciones y funcionalidad de un LED
Dentro de la familia de semiconductores hay uno que tiene la particular característica de
emitir luz. La existencia de este tipo de dispositivos ha abierto un amplio campo de
investigación. Este nuevo campo de investigación es la Optoelectrónica.
La optoelectrónica es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas
electrónicos. En esta área juega un papel importante el LED. Que está cada vez mas de
moda. Hoy en día parece imposible mirar cualquier aparato electrónico y no ver un
panel lleno de luces o de dígitos mas, o menos espectaculares. Por ejemplo, la
mayoría de los walkman disponen de un piloto rojo que nos avisa que las pilas ya han
agotado y que deben cambiarse. Una forma mas avanzada de LED: el LED láser es
usado para generar el impulso luminoso que atraviesa las redes de fibra óptica,
importante para las transmisiones de banda ancha.
Otra importante aplicación de los Diodos Emisores de Luz es el Display de 7 Segmentos
que se utiliza para mostrar información acerca del estado de un aparato electrónico.
Básicamente es una forma de representar los dígitos del sistema numérico que utilizamos
actualmente, (0-9).
DIODO EMISOR DE LUZ
Un LED (Light Emitting DiodeDiodo Emisor de Luz), es un dispositivo semiconductor que emite radiación visible,
infrarroja o ultravioleta cuando se hace pasar un flujo de corriente eléctrica a través de
este en sentido directo. Esencialmente es una unión PN cuyas regiones P y regiones N
pueden estar hechas del mismo o diferente semiconductor. El color de la luz emitida está
determinado por la energía del fotón, y en general, esta energía es aproximadamente
igual a la energía de salto de banda del material semiconductor en la región activa
del LED. Los elementos componentes de los LED's son transparentes o coloreados, de un
material resina-epoxy, con la forma adecuada e incluye el corazón de un LED: el chip
semiconductor. Los terminales se extienden por debajo de la cápsula del LED o foco e
indican cómo deben ser conectados al circuito. El lado negativo está indicado de dos
formas:
1)
o,
por la cara plana del foco
2) por el de menor longitud.
El terminal negativo debe ser
conectado al terminal negativo
de un circuito. Los LED's
operan
con
un
voltaje
relativamente bajo, entre 1 y 4
volts, y la corriente está en un
rango entre 10
y 40
miliamperes. Voltajes
y
corrientes superiores a los
indicados pueden derretir el
chip del LED. La parte más
importante del "light emitting
diode" (LED) es el chip
semiconductor localizado en el centro del foco, como se ve en la figura.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
35
El material que compone el diodo LED, es importante ya que el color de la luz emitida
por el LED depende únicamente del material y del proceso de fabricación principalmente
de los dopados. En la tabla adjunta aparecen algunos ejemplos de materiales utilizados
junto con los colores conseguidos:
MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE UN DIODO Y COLOR OBTENIDO
Resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así como el
fabricante: los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar y que
suministra el fabricante serán por lo general desconocidos. Por esto, cuando se utilice un
diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese no supere los
20 mA, precaución de carácter general que resulta muy válida. En la figura, se muestra el
símbolo electrónico de este tipo de diodo. Las flechas indican la radiación emitida por el
diodo.
Símbolo electrónico del diodo emisor de luz (led)
Funcionamiento físico de un LED.
Al polarizar directamente un diodo LED
(figura 3 y 4) conseguimos que por la
unión PN sean inyectados huecos en el
material tipo N y electrones en el material
tipo P; produciéndose, por consiguiente
una inyección de portadores minoritarios.
Diodo emisor de luz con la unión
polarizada en sentido directo
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
36
Diodo emisor de luz con la unión
polarizada en sentido directo.
Cuando estos portadores se recombinan, se produce la liberación de una cantidad
de energía proporcional al salto de banda de energía del material semiconductor. Una
parte de esta energía se libera en forma de luz, mientras que la parte restante lo hace en
forma de calor, estando determinadas las proporciones por la mezcla de los procesos de
recombinación que se producen.
Control de un LED
Un LED puede ser activado por corriente continua, por impulsos o corriente alterna.
a)
Por corriente continua
El circuito típico empleado se mostró en la figura ante anterior. El control de la corriente se
realiza por medio de una resistencia R y su valor es:
R=
Vcc − Vled
Iled
Siendo Vcc la tensión de alimentación, Vled la tensión en bornes del LED e I_led, la
corriente que lo atraviesa. La tensión Vcc debe ser, por lo menos, dos veces la tensión
Vled. Para los colores rojo, anaranjado y amarillo se recomienda un valor de I_led de
5 a 15 mA, mientras que para el verde se recomienda de 10 a 20 mA. Los parámetros
para un LED de color azul son bastante diferentes, ya que presentan una Vled= 5v. y
una corriente I_led de 60 mA para una intensidad luminosa de 50 mcd.
NOTA: Las siguientes modalidades de polarización de un Led, se verán de acuerdo a las
necesidades de aplicación en el módulo.
Ejemplo de cálculo
Se desea hacer funcionar un led, de color verde, el cual indicará el encendido del
“Sistema de desempañamiento” de vidrios de un automóvil. Para ello, se ha
encomendado la misión de hacer funcionar el led, al mismo tiempo en que el pulsador
permite la alimentación del sistema.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
37
Se asume un circuito como el siguiente:
A partir del circuito ya existente, asumimos los siguientes parámetros:
Vcc=12V
Vled= 2,7 V, de acuerdo a tabla.
Iled= 15 mA, por criterio libre, ya que puede escogerse cualquier valor entre el intervalo
de 10mA a 20mA
Rled =
Vcc − Vled 12 − 2.7
=
= 620Ω
Iled
15 × 10 −3
Por lo tanto, se debe instalar un resistor de 620 ohm.
Debido a que el led, es un indicador de encendido, el circuito resultante será:
Obsérvese que el circuito resultante queda en paralelo a la carga, y es aterrizado en la
estructura metálica de la carrocería del automóvil.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
38
& Actividad
1. ¿Que misión cumple el resistor en serie instalado en un LED?
2. Diseñe un circuito que permita la polarización de un led, de color rojo, que será
alimentado por una fuente de alimentación de 10V.
3. Se desea utilizar un led de color azul, para indicar que una alarma está activa, para
ello se dispone de dos baterías de 12V, conectadas en serie, las cuales permitirán
activar el sistema. A partir de ello, determine un circuito aproximado para el correcto
funcionamiento de este led, incluyendo sus cálculos al resistor en serie y la potencia
disipada del mismo.
4. Una fuente de alimentación regulada, se compone de la siguiente configuración
circuital. Junto con ello, el diseñador plantea la necesidad de instalar un led piloto para
indicar su funcionamiento. Determine el lugar mas apropiado de donde se instalará
dicho dispositivo y además el respectivo resistor en serie asociado para su protección.
5. Se desea mostrar la salida de un registro de datos de 8 bit, el cual es capaz de
suministrar 5V@30mA. Determine para la utilidad solicitada, el resistor
adecuado para instalar un led en cada uno de los bit del registro y además
modele el circuito representativo.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
39
TEMA 5
Álgebra Booleana
OBJETIVOS
•
•
Conocer las aplicaciones prácticas en la vida cotidiana de los sistemas digitales.
Identificar criterios de como estructurar un diseño digital.
INTRODUCCIÓN
La electrónica digital es una ciencia que estudia las señales eléctricas, pero en este caso
son señales discretas, es decir, están bien identificadas, razón por la cual a un
determinado nivel de tensión se lo llama estado alto (High) o “1” lógico; y a otro, estado
bajo (Low) o “0” lógico. Suponiendo que las señales eléctricas con que trabaja un sistema
digital son 0V y 5V. Es obvio que 5V será el estado alto o uno lógico, pero bueno, habrá
que tener en cuenta que existe la Lógica Positiva y la Lógica Negativa, veamos cada una
de ellas. En la actualidad estamos rodeados de diversos sistemas en nuestra vida
cotidiana en la cual se ven involucrada esta ciencia, algunos ejemplos cercanos a esto,
corresponde a los relojes que utilizamos, y pese a que algunos de ellos tengan aspectos
de análogos, internamente poseen circuitos digitales que permiten el avance del
segundero, computadoras personales, sistemas de control eléctrico, y el actualmente
común CD (Disco compacto).
Antes de comenzar a trabajar directamente en circuitos electrónicos que empleen la lógica
digital, es importante como en toda rama de la electrónica, proyectar su comportamiento a
través del uso de la matemática.
ÁLGEBRA DE BOOLE
En la mayor parte de los sistema digitales de gran escala, tales como calculadores,
procesadores de datos, control o sistema de
comunicaciones digitales, solo existen unas pocas
operaciones básicas que deben realizase un gran
numero de veces. Los circuitos mas empleados
normalmente para tales fines son 0, Y, NO y los
biestablees (OR, AND, NOT Y Flip-Flop). Dichos
circuitos se denominan puertas o circuitos lógicos
porque
se
emplean en
las
ecuaciones
del álgebra de
Boole. Este álgebra fué inventada por G. Boole a
mediados del siglo XIX, para obtener un sistema de
análisis matemático de la lógica.
A las señales digitales se les denomina variables lógicas o de Boole. Los valores que
pueden adoptar estas variables se representan por los símbolos 0 y 1.
El Algebra de Boole, es el conjunto de operaciones que solamente utilizan variables
binarias. Estas operaciones se descomponen en tres, las cuales, al igual que los colores
primarios, son elementales para el entendimiento y desarrollo del resto. Estas
operaciones son Complementación o inversión, suma lógica, producto lógico. En la
siguiente figura, se expone, una analogía para el mejor entendimiento de los estados
lógicos, la cual asocia cada estado a la posición de un interruptor.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
40
Siempre durante el desarrollo de sistemas lógicos, nos encontraremos con tablas de
verdad, las cuales son el resumen de los valores que adoptan las entradas y salidas de
dicha puerta o circuito lógico.
OPERACIONES LOGICAS ELEMENTALES
a)
Complementación o inversión
La complementación de una variable, da lugar como resultado, al estado contrario de la
variable que se está complementando.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
41
b)
Suma lógica
Sumar lógicamente dos variables a y b es formar una expresión a+b que cumpla:
• Si todas o cualquiera de las variables a o b es 1, el resultado será 1.
• El resultado será 0 si ambas variables valen 0.
Un circuito eléctrico equivalente, corresponde al siguiente:
ü ¿Qué condición se debe cumplir para que la lámpara se encienda?
ü ¿Que ocurre si ambos interruptores están cerrados?
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
42
c)
Producto Lógico
Multiplicar lógicamente dos variables a y b es formar una expresión del tipo (a x b), que
cumpla las siguientes reglas.
•
•
Si todas o cualquiera del las variables a o b valen 0, el resultado será 0.
El resultado será 1, solamente si ambas variables valen 1.
Un circuito equivalente para la mencionada operación es la siguiente.
El álgebra de Boole, tiene las siguientes propiedades, las cuales se debe tener especial
cuidado de no confundirlas con las propiedades del álgebra polinomial.
1. Son conmutativas, ∀ a , b ∈ Algebra de Boole, se cumple que:
a+b =b+a
a ⋅b = b ⋅a
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
43
2. Tiene elemento neutro, ∀ a ∈ Algebra de Boole, se cumple que:
a +1 =1
a+0=a
a ⋅1 = a
3. Son distributivas, ∀ a, b, c ∈ Algebra de Boole, se cumple que:
a ⋅ (b + c) = a ⋅ b + a ⋅ c
a + b ⋅ c = (a + b) ⋅ (a + c)
4. Tiene elemento inverso, ∀ a, b, c ∈ Algebra de Boole, se cumple que:
a + a =1
a ⋅a = 0
ü Para eQl caso de la suma, ¿Pueden ser a y a negado iguales a “0”?. ¿Tiene
consecuencia lógica?.
ü Para el caso del producto, ¿Pueden ser a y a negado iguales a “1”?.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
44
Tabla Resumen teoremas del álgebra de Boole
& Actividad
6. Resuelva las siguientes operaciones lógicas, considerando que:
A=0, B=1, C=1, D=1
Ejemplo
a) A + B + C + D =
Tomando los valores indicados en el enunciado, reemplazamos
A+ B +C + D =
= 0 +1+1+1
= 0 +1+1+ 0
=1
b) A + B + C + D =
c) AB + CD =
d) AB + CD =
e)AB + CD =
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
45
e)AB + CD =
f ) AB + CD =
g) A + B + C + D =
h )( A + B + C + D)( AB + CD) =
i)( A + B + C + D )(AB + CD ) + AB + CD =
j ) A + B + C + D + ( ABCD) + ( ABCD) =
k ) A + B + C + D + ( ABCD) + ( ABCD) =
l )( A + B + C + D) + ( A + B + C + D) + ( A + B + C + D)( A + B + C + D ) =
m) A + B + C + ( D ( A + B + C + D)) =
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
46
TEMA 6
Puertas Lógicas
La puerta lógica es el bloque de construcción básico de los sistemas digitales. Las puertas
lógicas operan con números binarios. Por tanto las puertas lógicas se denominan puertas
lógicas binarias. En los circuitos digitales
todos los voltajes, a excepción de los
voltajes de las fuentes de potencia, se
agrupan en dos posibles categorías:
voltaje alto y voltajes bajos. No quiere
decir esto que solo se encuentren dos
voltajes, si no que cierto rango de
voltajes se define como alto y otro cierto
rango como bajos. Entre estos dos
rangos de voltajes existen existe una
denominada zona prohibida o de
incertidumbre que los separa.
Las
Puertas
lógicas,
se
componen
internamente
de
arreglos
transistorizados, que para efectos
prácticos serán obviados, debido a que
son estudio de la electrónica análoga y
por consecuencia, solamente nos basaremos en la aplicación del bloque funcional, ya que
vienen implementados directamente en una capsula integrada.
Una tensión alta significa un 1 binario y una tensión baja significa
un cero binario.
Todos los sistemas digitales se construyen utilizando tres puertas lógicas básicas. Estas
son las puertas AND, la puerta OR y la puerta NOT. Todas ellas, se describen a
continuación.
a)
LA PUERTA AND.
Circuito equivalente de una puerta AND
La puerta AND es denominada la puerta de << Todo o Nada >>. Observar el esquema de
la figura 1, la cual muestra la idea de la puerta AND. Examinando de cerca el circuito,
notamos que la lámpara encenderá solo si ambos interruptores se cierran o se activan
simultáneamente. Si uno de los de los interruptores esta abierto, el circuito se interrumpe
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
47
y la lámpara no se enciende. Todas las posibles combinaciones para los interruptores A y
B se muestran en la tabla 1. La tabla de esta figura que la salida (Y) esta habilitada
(encendida) solamente cuando ambas entradas están cerradas.
Interruptores de
entrada
Luz de
salida
A
B
Y
Abierto
Abierto
Apagado
Abierto
Cerrado
Apagado
Cerrado
Abierto
Apagado
Cerrado
Cerrado
Encendido
Combinaciones posibles de la compuerta AND
Con el ánimo de presentar en forma más compacta la tabla, anterior, convengamos en
que la condición de interruptor cerrado la representamos con un 1, y la de interruptor
abierto con un 0. De manera similar, el encendido de la lámpara la representamos con un
1. Y su apagado con un 0 (cero). Con estas convenciones, la tabla 1 nos quedaría como
en la tabla 2.
A
B
Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
Tabla anterior simplificada
SÍMBOLO DE LAS COMPUERTA
Son una representación gráfica de la función que ayuda a visualizar las relaciones lógicas
existente en un diseño o circuito. En la figura 2 se muestra el símbolo de la compuerta
AND con lo que se quiere significar que esta compuerta AND es un dispositivo que posee
dos entradas A y B y una salida Y.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
48
Símbolo de una compuerta AND
El álgebra booleana es una forma de lógica simbólica que muestra como operan las
compuertas lógicas. Una expresión booleana es un método << taquígrafo >> de mostrar
que ocurre en un circuito lógico. La expresión booleana para el circuito de la figura 3 es.
A·B=Y
Expresión booleana de la compuerta AND
La expresión booleana se lee A AND B igual a la salida Y. El punto (·) significa la función
lógica AND en álgebra booleana, y no la operación de multiplicar como en el álgebra
regular.
Con frecuencia un circuito lógico tiene tres variables. La ecuación. 4 muestra una
expresión booleana para una puerta AND de tres entradas. El símbolo lógico para esta
expresión AND de tres entradas esta dibujada en la fig. 5. La tabla de verdad 3 muestra
las 8 posibles combinaciones de la variables a, b y c observar que solo cuando todas las
entradas están en 1, la salida de la puerta AND se habilita a 1.
A·B·C=Y
Ecuación 4: Expresión booleana para una compuerta AND de tres entradas
Figura 5: Compuerta AND de tres entradas
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
49
A
B
C
Y
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
Tabla 3: Tabla de verdad de una compuerta AND de tres entradas
b)
LA PUERTA OR
Figura 6: Circuito equivalente de una compuerta OR
La puerta OR se denomina la puerta de << cualquiera o todo >>. El esquema de la figura
6 nos muestra la idea de la puerta OR, en el cual los interruptores han sido conectados en
paralelo. El encendido de la lámpara se producirá si se cierra cualquiera de los dos
interruptores o ambos. Todas las posibles combinaciones de los interruptores se muestran
en la tabla 4. La tabla de verdad detalla la función OR del circuito de interruptores y
lámpara.
Interruptores de
entrada
Luz de
salida
A
B
Y
Abierto
Abierto
Apagado
Abierto
Cerrado
Encendido
Cerrado
Abierto
Encendido
Cerrado
Cerrado
Encendido
Tabla 4: Combinaciones posibles de la compuerta OR
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
50
La tabla de la verdad 4 describe el funcionamiento del circuito. Observamos, que de las 4
posibles combinaciones de cierre y apertura de los interruptores, 3 de ellas producen el
encendido de la lámpara, y de nuevo utilizando la convención de representar la condición
cerrado o encendido por un 1 y la de abierto o apagado por un 0, se obtiene la tabla de la
verdad 5.
A
B
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Tabla 5: Tabla de la verdad de una compuerta OR de dos entradas
El símbolo lógico estándar para la puerta OR esta dibujado en la fig. 7. observar la forma
diferente de la puerta OR. La expresión booleana abreviada para esta función OR es A +
B = Y observar que símbolo + significa OR en álgebra booleana. La expresión ( A + B = Y
) se lee A OR B igual a salida Y .
Figura 7: Símbolo de una compuerta OR
La expresión booleana, símbolo y tabla de verdad de una puerta OR de tres entradas o
variables están dibujadas en las figuras 8, 9, y en tabla 6.
A+B+C=Y
Figura 8: Expresión booleana para una compuerta OR de tres entradas
Figura 9: Compuerta OR de tres entradas
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
51
A
B
C
Y
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
Tabla 6: Tabla de la verdad de una compuerta OR de tres entradas
c)
LA PUERTA NOT
Las dos compuertas descritas anteriormente poseen cada una, dos y tres entradas y una
salida. La compuerta NOT o inversora, posee una entrada y una salida como se muestra
en la fig. 10. Su función es producir una salida inversa o contraria a su entrada es decir
convertir unos a ceros y ceros a unos. La tabla de la verdad 7 resume el funcionamiento
de esta compuerta.
Figura 10: Símbolo de una compuerta NOT
A
Y
0
1
1
0
Tabla 7: Tabla de la verdad de una compuerta NOT
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
52
La expresión booleana para la inversión es Å = A. La expresión Å = A indica que A es
igual a la salida no A. Un símbolo alternativo para la puerta NOT o inversor, se muestra a
continuación.
Figura 11: Símbolo alternativo de una compuerta NOT
El círculo inversor puede estar en la parte de entrada o de salida del símbolo triangular.
Cuando el círculo inversor aparece en la parte de la entrada del símbolo NOT, el
diseñador habitualmente intenta sugerir que ésta es una señal activa en baja. Una señal
activa en baja requiere que una tensión baja active alguna función en circuito lógico.
LA PUERTA NAND
Una compuerta NAND es un dispositivo lógico que opera en forma exactamente contraria
a, una compuerta AND, entregando una salida baja cuando todas sus entradas son altas y
una salida alta mientras exista por lo menos un bajo a cualquiera de ellas .
Considerar el diagrama de los símbolos lógicos de la fig. 12, una puerta AND esta
conectada a un inversor. Las entradas A y B realizan la función AND y forma la expresión
booleana A · B la puerta NOT invierte A · B a la derecha del inversor se añade la barra de
complementaron a la expresión booleana obteniéndose A · B = Y a este circuito se
denomina NOT-AND o NAND.
Figura 12: Circuito equivalente de una compuerta NAND
El símbolo lógico convencional para la puerta se muestra en el diagrama de la fig. 13.
Observar que el símbolo NAND es símbolo AND con un pequeño círculo a la salida. El
círculo a veces se denomina círculo inversor. Esta es una forma simplificada de
representar la puerta NOT. La tabla de la verdad describe la operación exacta de la puerta
lógica. La tabla de la verdad para la puerta NAND se ilustra en la tabla 8. Observe como
sus salidas son las inversas de las salidas de la puerta AND.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
53
Figura 13: Símbolo lógico de una compuerta NAND
A
B
NAND AND
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
Tabla 8: Tabla de verdad de una compuerta NAND de dos entradas
La operación de una puerta NAND es análoga a la del circuito eléctrico mostrado en la fig.
14 los interruptores A y B representan las entradas de la puerta y la lámpara ( Y ) su
salida .
Figura 14: Circuito eléctrico equivalente de una compuerta NAND
Debido a que los interruptores A y B están en serie entre si y en paralelo con la lámpara
(Y), esta última solo se apaga cuando ambos interruptores están cerrados y permanece
encendida mientras cualquiera de ellos estén abiertos.
Nota: La representación circuital anteriormente mencionada, esta pensada solo para su
entendimiento, ya que el montaje real del arreglo eléctrico indicado con interruptores,
produce un cortocircuito de la fuente y como consecuencia inutilizaría sus interruptores.
La situación se repite en el arreglo de la compuerta NOR, XNOR,
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
54
d)
LA PUERTA NOR
Considerar el diagrama lógico de la fig. 15. se ha conectado un inversor a la salida de una
puerta OR. La expresión booleana en la entrada de un inversor es A + B. El inversor
complementa la salida de la puerta OR, lo que se indica colocando una barra encima de la
expresión booleana. Obteniéndose A+B = Y. Esta es una función NOT-OR. La función
NOT-OR puede representarse por un símbolo lógico llamado puerta NOR que se ilustra
en el diagrama de la fig. 16. Observar que se ha añadido un pequeño círculo inversor al
símbolo OR para formar el símbolo NOR.
Figura 15: Circuito equivalente de una compuerta NOR
Figura 16: Símbolo lógico de una compuerta NOR
Podemos decir que este dispositivo lógico opera en forma exactamente opuesta a una
puerta OR , entregando una salida alta cuando todas sus entradas son bajas y una salida
baja cuando existe por lo menos un alto en cualquiera de ellas .
La operación de una puerta NOR es análoga a la del circuito eléctrico mostrado en la fig.
17 los interruptores A y B representan las entradas de la puerta y la lámpara (Y) su salida.
Figura 17: Circuito eléctrico equivalente a una compuerta NOR
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
55
Debido a que los interruptores A y B están en paralelo entre si y con la lámpara (Y) esta
ultima solo enciende cuando ambos interruptores están abiertos y permanece apagada
mientras cualquiera de ellos , o ambos , estén cerrados.
La tabla de la verdad 9 detalla la operación de la puerta NOR. Es complemento (ha sido
invertida) de la columna OR en otras palabras, la puerta NOR pone un 0 donde la puerta
OR produce un 1
A
B
NOR OR
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
Tabla 9: Tabla de la verdad de una compuerta NOR de dos entradas
e)
LA PUERTA OR EXCLUSIVA O XOR
La OR - exclusiva se denomina la puerta de << algunos pero no todos >>. El término OR exclusiva con frecuencia se sustituye por XOR. La tabla de la verdad para la función XOR
se muestra en la tabla 10. Un cuidadoso examen muestra que esta tabla de la verdad es
similar a la tabla de la verdad OR, excepto que cuando ambas entradas son 1 la puerta
XOR genera un 0.
A
B
OR
XOR
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
Tabla 10: Tabla de verdad de una compuerta XOR de dos entradas
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
56
La operación de una puerta XOR es análoga a la del circuito eléctrico mostrado en la fig.
18. los interruptores A y B simulan las entradas y la lámpara (Y) la salida.
Figura 18: Circuito eléctrico equivalente de una compuerta XOR
Los interruptores A y B están acoplados mecánicamente a los interruptores A y B de
modo que cuando A se cierra entonces A se abre y viceversa. Lo mismo puede decirse
del interruptor B con respecto al B.
Cuando los interruptores A y B están ambos cerrados o ambos abiertos, en la misma
línea, la lámpara no enciende. En cambio, cuando uno de ellos, por ejemplo el A, esta
abierto y el otro, B, esta cerrado, entonces la lámpara se enciende.
Una representación booleana para la puerta XOR, de la tabla de verdad, puede obtenerse
en la fig. 19 la expresión es A · B + Å · B = Y. A partir de esta expresión booleana puede
construirse un circuito lógico utilizando puertas AND, puertas OR e inversores; dicho
circuito aparece en la fig. 19 y este circuito lógico realiza la función lógica XOR.
Figura 19: Circuito lógico que realiza la función XOR
El símbolo lógico convencional para la puerta XOR se muestra en la fig. 20 la expresión
B, es una expresión XOR simplificada. El símbolo
significa la función
booleana A
XOR en álgebra booleana. Se dice que las entradas A y B de la fig. 20 realiza la función
OR - exclusiva.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
57
Figura 20: Símbolo lógico de una compuerta XOR
f)
LA PUERTA NOR EXCLUSIVA O XNOR
Una compuerta NOR - exclusiva o XNOR opera en forma exactamente opuesta a una
compuerta XOR, entregando una salida baja cuando una de sus entradas es baja y la otra
es alta y una salida alta cuando sus entradas son ambas altas o ambas bajas.
Es decir que una compuerta XNOR indica, mediante un lógico que su salida, cuando las
dos entradas tienen el mismo estado.
Esta característica la hace ideal para su utilización como verificador de igual en
comparadores y otros circuitos aritméticos ..
En la figura 21 se muestra el símbolo lógico, y en la tabla 11 el funcionamiento de una
compuerta XNOR. La expresión Y = A B pude leerse como Y = A o B exclusivamente
negada.
Figura 21: Símbolo lógico de una compuerta XNOR
A
B
Y
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
Tabla 11: Tabla de verdad de una compuerta XNOR de dos entradas
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
58
Para efectos prácticos una compuerta XNOR es igual una compuerta XOR seguida de un
inversor. En la fig. 22 se indica esta equivalencia y se muestra un circuito lógico de
compuertas AND , OR y NOT que opera exactamente como una compuerta X NOR.
Figura 22: Circuito lógico que realiza la función XNOR
La operación de una compuerta XNOR es análoga a la del circuito eléctrico mostrado en
la figura 23 los interruptores A y B están acoplados de la misma forma que el circuito
XOR. Cuando los interruptores A y B están ambos cerrados o ambos abiertos, la lámpara
se enciende . en cambio cuando uno de ellos por ejemplo el A esta abierto y el B esta
cerrado , entonces la lámpara no se enciende.
Figura 23: Circuito eléctrico equivalente de una compuerta XNOR
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
59
& Actividad
1. Determine la respuesta para los siguientes circuitos, considerando la respectiva tabla
de verdad.
a)
A
0
0
1
B
1
1
1
C
1
1
1
D
0
0
1
Salida
B
1
0
1
1
1
C
1
0
1
1
1
D
0
1
1
1
1
Salida
B
1
0
1
0
C
0
0
1
1
D
1
0
1
0
Salida
b)
A
0
1
1
0
1
c)
A
0
0
1
1
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
60
d)
A
0
0
1
1
B
1
0
1
0
C
0
0
1
1
D
1
0
1
0
Salida
2. Diseñar una puerta AND de 4 entradas, utilizando puertas AND de 2 entradas.
3. Diseñar una puerta NAND de 4 entradas, utilizando puertas NAND y una AND.
4. ¿Por qué para almacenar un número binario de 12 bits se requiere un registro de 16
bits como mínimo?
5. A partir del circuito, determine la función lógica Booleana que representa su
comportamiento.
a)
Resp: S = (abc + d) +ef
b)
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
61
Resp: S = abc + (a + b + c) d
6. A partir de la ecuación, determine el circuito.
a) S =(a + b) c x d
b) S =(a x b) +c+d
c) S=a+bd+c
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
62
TEMA 7
Diseño de circuitos digitales
FUNCIONES EN EL ÁLGEBRA DE BOOLE.
Una función lógica es una expresión construida a base de variables booleanas unidas
mediante operandos lógicos de suma y producto. Se representa por f c, b, a, para indicar
que el resultado de una función depende de tres variables lógicas llamadas a, b y c. Por
ejemplo una función lógica común podría ser:
Estas funciones se pueden considerar como una de las formas existentes de
expresar el funcionamiento de un circuito electrónico digital, ya que cada término
representa uno de los posibles estados de la salida. Posteriormente estas funciones se
transformarán en circuitos digitales construidos en base a las puertas lógicas que se han
visto.
De esta forma los circuitos digitales pueden ser considerados como una caja negra que
tiene una serie de entradas (variables) y una serie de salidas, de forma que se cumple/n
la/s función/es lógica/s que esta representa. Es decir:
TABLA DE LA VERDAD
Es una forma gráfica de representar una función lógica. Es la manera de la
que se empiezan a realizar todos los circuitos
lógicos combinacionales que han de presentar
unos ciertos resultados, que dependen de los
estados que presentan las entradas
del
circuito digital en un instante determinado.
En la tabla de la verdad se representan todas
las posibles combinaciones de entrada y las
correspondientes de salida, en cada estado,
de forma que se cumplan los requisitos
enunciados en el problema a resolver. Un
ejemplo de tabla de verdad puede ser.
A partir de aquí es muy sencillo convertir la tabla de verdad a formato de
función, basta con crear una función por medio de sumas de productos de las
combinaciones que dan como resultado 1, tomando a si a=1 y
a
si
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
63
a=0, o como producto de sumas de las combinaciones que dan como
resultado 0, tomando a si a=0 y a si a=1. Es decir, la tabla de la verdad
anterior se puede representar como:
RESOLUCIÓN LÓGICA DE PROBLEMAS.
Para resolver un problema correctamente y de forma organizada se han
de seguir una serie de pasos entre el enunciado del problema y la obtención
del circuito final.
Como requisitos fundamentales están los de entender de forma clara el
problema a resolver y el realizar el circuito de la forma más reducida posible,
ya que ello nos llevará a la obtención de un circuito más sencillo de realizar y
con un menor costo de desarrollo.
Así las fases mínimas que se han de realizar en la resolución de un problema son:
1. Comprender de forma adecuada el problema que se trata
de resolver y determinar en número de entradas y salidas
necesarias que debe tener el circuito a diseñar para la solución de
éste.
2. Formar la tabla de verdad con todas las entradas y salidas
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
64
que se han considerado necesarias, con lo que para cada
combinación de entrada se obtienen la salida correspondiente,
según indique el problema.
2. Obtener las ecuaciones lógicas del circuito a partir de la tabla de
la verdad antes obtenida. Se obtendrá una ecuación por cada
salida que se necesite.
4. Simplificar al máximo las ecuaciones lógicas obtenidas, para
así obtener el circuito más reducido posible. Más adelante
se explicará un métod o de simplificación muy eficaz, que se
realiza gráficamente.
5. Convertir las ecuaciones obtenidas en un circuito lógico que se pueda
montar.
A continuación se muestra un ejemplo de realización de un circuito práctico.
Ejemplo: Se desea controlar dos motores M1 y M2 por medio de tres
interruptores A, B y C, de forma que se cumplan las siguientes condiciones:
1) Si A está pulsado y los otros dos no, se activa M1.
2) Si C está pulsado y los otros dos no, se activa M2.
3) Si los tres interruptores están cerrado se activan M1 y M2.
4) En las demás condiciones los dos motores estarán parados.
Solución:
Siguiendo las fases que se han expuesto anteriormente:
Fase 1: Las entradas serán los tres interruptores, puesto que son los que el
operario maneja para controlar los motores, y los motores serán las
salidas, ya que es lo que se trata de controlar.
Fase 2: Se realiza la tabla de la verdad para todas las posibles combinaciones de
entrada.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
65
Fase 3: Obtención de las ecuaciones lógicas a partir de la tabla de verdad.
Fase 4: Simplificación de las funciones mediante métodos matemáticos
conocidos del álgebra de Boole.
Fase 5: Conversión de las funciones lógicas obtenidas en la fase anterior en
un circuito lógico combinacional.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
66
Pero si se tiene en cuenta que la
operación
corresponde a la puerta lógica NOR -Exclusiva el circuito anterior se puede
representar como:
Como se ve hay dos maneras de simplificar los circuitos lógicos
obtenidos, una mediante las leyes del álgebra de Boole y otra mediante
puertas lógicas complejas, que se adapten a las funciones lógicas obtenidas.
& Actividad
Realice los siguientes diseños,
aplicando
los
conceptos
anteriormente señalados. Para
cada uno de ellos presente su
tabla de verdad, ecuación del
sistema y luego el circuito
resultante.
a)
Un automóvil de 5 puertas,
cuenta con 4 interruptores
que se cierran, logrando
aterrizar un conductor que le
precede y un interruptor que
manda 12 V cuando la puerta
trasera se abre. Diseñe para
ello, un circuito electrónico
que
permita
avisar
al
conductor con una alarma,
cuando una de las puertas se
abre. El circuito aproximado
es el que se muestra a la
derecha.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
67
b)
Se requiere arrancar un motor de corriente continua, siempre y cuando se consiga
que dos pulsadores se presionen al mismo tiempo, bajo la condición de que una
llave de seguidad o un sensor detecte al operario frente al panel de mando. Diseñe a
partir de las condiciones dadas, el circuito lógico asociado.
c)
Diseñe un sistema de alarma domiciliario, que opere de la siguiente manera:
1. Una Bocina o sirena externa, será el indicador de alarma activada.
2. La alarma se activará cuando cualquiera de las 4 puertas presentes en la casa se
abran.
3. La alarma no se debe activar cuando la ventana que se encuentra en el baño se abra,
sin embargo habrá un interruptor que también debe incorporarse al sistema.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
68
TEMA 8
Simplificación de circuitos
Hay dos tipos de circuitos lógicos, combinacionales y secuenciales. Las diferencias
entre uno y otro son significativas, estas se explica a continuación.
Circuitos lógicos combinacionales: Son aquellos en los que el estado de las salidas
dependen únicamente y exclusivamente del estado de las entradas del circuito en ese
mismo instante.
Circuitos lógicos secuenciales: Son un caso parecido al anterior, pero las salidas
en un instante determinado dependen además de las entradas del circuito en ese
instante, del estado en el que se encontraba éste en el estado o estados anteriores.
El circuito presenta cierta memoria con respecto a lo que ha ocurrido con anterioridad.
SIMPLIFICACIÓN DE FUNCIONES LÓGICAS.
Hay distintos métodos de simplificación de las funciones lógicas que representan a
diversos circuitos digitales.
El motivo principal de la simplificación de funciones es el de realizar un circuito físico
lo más reducido posible, de manera que éste sea lo más económico y simplificado
posible.
Simplificación matemática
Este método de simplificación consiste en la aplicación directa de las leyes del
álgebra de Boole y sus teoremas asociados.
El procedimiento a seguir es similar al de la simplificación de las funciones
matemáticas comunes, aplicando métodos como son el factor común, eliminación de
valores no válidos, etc. Este método tiene la desventaja de que su eficacia final depende
mucho de la habilidad del operario, mejorando su efectividad con la experiencia de éste.
Con este método no se reduce el circuito al máximo posible, para ello habrá que utilizar
otro método que se explicará más adelante.
Un ejemplo sencillo de la utilización de éste método se puede observar
en las siguientes expresiones:
Simplificación gráfica (Karnaugh)
Este es un método de simplificación gráfico y por ello es más sencillo de
utilizar que otros. Es el método de simplificación más conocido por los
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
69
diseñadores, se llama método de simplificación por Karnaugh.
Éste es un método muy eficaz puesto que la función resultante está
lo más simplificada posible (no se puede reducir más), siendo las demás
simplificaciones posibles debidas a combinaciones de hardware que cumplen
de manera exacta algunas de las partes obtenidas en las ecuaciones
resultantes de la simplificación gráfica.
Las puertas lógicas que cumplen este tipo de condición son la
NOR-Exclusiva y OR-Exclusiva, cuyas ecuaciones son:
Esta simplificación se realiza mediante tablas que tienen un formato especial, de
manera que de una casilla a otra solo cambie el valor de una variable. El aspecto
de estas tablas, así como las variables a las que afecta, es:
Diagrama de Karnaugh para dos variables.
Diagrama de Karnaugh para tres variables.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
70
Diagrama de Karnaugh para cuatro variables.
Diagrama de Karnaugh para 5 variables.
Estos diagramas se pueden ampliar hasta 6 variables o más pero su manejo se vuelve
muy engorroso. Si se van a manejar más variables es conveniente realizar la
simplificación por ordenador, que utiliza par a ello otro método de simplificación.
Si se observan los diagramas anteriores se ve como en la esquina superior izquierda
aparecen los nombres de las variables y a su lado los valores que estas pueden tomar.
Además para rellenar de forma más cómoda los diagramas se han situado, en cada
casilla, los números decimales correspondientes a cada combinación de las variables de
entrada, suponiendo que estas están colocadas de mayor a menor. Es decir a la
combinación 00101 correspondiente a las entradas EDCBA, correspondiéndole el
número decimal 5.
Para la correcta simplificación de una función lógica se deben seguir una serie de
pasos bien definidos, que se ajusten a una serie de normas concretas. Para ver todo
esto se va a realizar un ejemplo práctico:
Ejemplo: La función a simplificar será:
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
71
Solución:
Se seguirán los siguientes pasos:
1.
Se dibuja el mapa más adecuado para el número de variables
que requiere la función a simplificar. En nuestro caso el de 3 variables.
2.
Se escribe un 1 ó un 0 en las casillas que correspondan, como si
fuera una tabla de la verdad.
3.
Se agrupan los unos de la cuadrícula de forma que se cumplan
las siguientes normas:
-
-
Cada lazo debe contener el mayor número de 1 posible,
agrupando por grupos de 16, 8, 4, 2 ó 1.
Los lazos pueden quedar superpuestos.
No se pueden formar grupos de unos en formato diagonal,
solo en horizontal y vertical.
Se deben formar el mínimo número de lazos posible y lo más
grandes que se pueda.
La columna de la izquierda es adyacente con la de la derecha y
la primera fila con la última, pudiendo formar lazos entre ellas.
En éste caso los lazos formados son:
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
72
4.
La expresión final simplificada se obtiene de los grupos
formados según el siguiente criterio: En cada grupo desaparece la variable o
variables cuyo valor es cero en la mitad de los cuadros del grupo y uno en la
otra mitad. Las variables que permanecen son tomadas como no negadas si
su valor es uno en todo el grupo y como negadas si su valor es cero. Así la
función simplificada será:
NOTA: En casos en los que halla combinaciones de entrada en las que
no nos importe el estado final de la salida, al sustituir estas posiciones en
el mapa de simplificación se pondrá una X, que podrá ser incluida o excluida
de los lazos que se formen para la simplificación de la función lógica
resultante.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
73
& Actividad
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
74
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
75
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
76
Tema 9
Las Señales Digitales, compuertas especiales y Flip-Flops
En esta parte, vamos a repasar cómo se comportan las puertas AND, OR, INV, NAND y
NOR, para luego explicar cómo lo hace una puerta Trigger-Schmitt.
Una puerta AND de 2 entradas y una salida, en su tabla de la verdad, se establece que
siempre que una entrada esté a 0 la salida también lo estará. O sea, que ambas entradas
deben estar a nivel alto 1 (H) para que la salida también esté a nivel alto H, en la tabla de
la verdad A y B son las variables de entrada y S es la salida.
AND
A B
0 0
0 1
1 0
1 1
S
0
0
0
1
En el caso de una puerta OR (O), de 2 entradas, en su tabla de la verdad se establece
que, su salida se encontrará a nivel alto H, cuando al menos una de sus entradas esté a
nivel alto H.
OR
A
0
0
1
1
B
0
1
0
1
S
0
1
1
1
El caso especial de una puerta inversora INV (NO), dispone de una entrada y una salida y
su tabla de la verdad establece, que su salida siempre será el complemento del nivel de la
entrada, de ahí que algunos le llamen puerta complementaria o negada, es decir, un nivel
H en la entrada dará un nivel L en la salida.
INV
A S
0 1
1 0
La inclusión de un inversor en cada una de las entradas, de una puerta, produce lo que se
llama una puerta con lógica negativa, existen dispositivos lógicos que no siguen la
representación lógica positiva, si no que siguen otra que es completamente diferente y se
le llama lógica negativa.
Como decíamos, en la lógica negativa el "1" es representado por el valor eléctrico más
negativo 0 V y el "0" por el más positivo +5 V. De ahí la necesidad de saber la lógica con
la que trabaja un circuito para interpretar sus resultados.
Tanto en la lógica negativa como en la lógica positiva, en ambos casos las tablas de la
verdad de cada uno de ellos, da como resultado final la misma salida. En realidad la
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
77
puerta en cuanto al comportamiento electrónico es el mismo, solo cambia al interpretar el
álgebra de Boole.
Bien, dicho lo anterior, se entiende que al aplicarse un inversor en cada entrada de una
puerta AND, ésta en su conjunto independientemente de la lógica, se convierte en lo que
se conoce como una puerta NAND, y su tabla de la verdad así lo demuestra, compárense
ambas tablas AND y NAND y se apreciará que ambas salidas son complementarias entre
sí.
NAND
A B S
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Un inversor en cada entrada de una puerta OR, en su conjunto independientemente de la
lógica, se convierte en lo que se conoce como una puerta NOR, y su tabla de la verdad
así lo demuestra, compárense ambas tablas OR y NOR y se apreciará que ambas salidas
son complementarias entre sí.
NOR
A B
0 0
0 1
1 0
1 1
S
1
0
0
0
Un paso más, cuando a una puerta OR se conecta su salida a una de sus entradas, qué
ocurre. Al aplicar un 1 a la entrada libre, la salida pasa a 1 que lo realimenta por la
mencionada entrada, permaneciendo así hasta cortar su alimentación, un comportamiento
como una memoria de 1 solo bit.
Existen unas puertas especiales, las cuales disponen de tres estados (puertas triestado),
el tercer estado es de alta impedancia (Z).
Cuando la salida de una puerta triestado, no se
sabe con certeza qué estado es conveniente, la
salida de esta puerta se pone en alta
impedancia Z hasta cumplir las condiciones
adecuadas y de esta forma, se evita dañar la
puerta.
La puerta Trigger-schmitt, es un caso especial,
se comporta de forma lógica como una puerta
NAND, pero el circuito que la constituye,
además recorta la señal y la escuadra, de
manera que su salida es realmente cuadrada,
utilizándose esencialmente para este cometido. Véase la figura 1.
Obsérvese que, el pulso a la salida Q es ligeramente más largo que los rebotes del
Interruptor, así debe ser, para lo cual se adecuará el valor de C, esta puerta la
estudiaremos con más detalle mas tarde.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
78
Ahora, repasemos el caso de la báscula RS, así llamada por sus dos entradas de Reset y
Set. Dispone también de dos salidas que son complementarias entre sí, Q y Q negada. Su
salida Q estará a 1, al alimentarla y funciona así:
•
•
1. - Al aplicar un 1 en su entrada R, la salida Q pasa a 0 y permanece así, aunque
se aplique un nuevo 1 en la misma entrada R, el estado de la salida Q, continua a
0.
2. - Al aplicar un 1 en la entrada S, la salida Q pasa de nuevo a 1, con el primer
impulso y permanece a 1, hasta repetir el paso anterior.
Se comporta como una memoria guardando un 1 (dato) de forma permanente. Es decir, al
aplicarle un impulso en su entrada Set (puesta a 1), su salida Q pasa a estado alto 1. Si
volvemos a aplicar otro impulso en la misma entrada S, nada cambia, si queremos que
cambie su estado, se deberá aplicar un nuevo impulso, esta vez, en la otra entrada Reset
o Puesta A Cero.
Una vez establecido el estado inicial, en las entradas set S y reset R, conectaremos
sendas resistencias a masa y además conectar un conmutador entre las entradas y la
alimentación al común, de modo que desde él podamos introducir cambios sucesivos en
las entradas y por consiguiente obtener una salida que cambie su nivel a nuestra
voluntad. Pero esto lo veremos en la segunda parte.
Análisis de las Señales
En electrónica digital es una práctica habitual, tanto en el plano teórico como en el
práctico que, todo tipo de señales con las que se trata, son consideradas señales digitales
(perfectamente cuadradas), y se da por sentado o por lo menos no se menciona que,
están exentas de rebotes, y aquí reside el primer y quizás el mayor problema para un
principiante. No considerar los efectos de los rebotes.
Nunca des por asumido, que la señal que necesitas está exenta de rebotes.
¡ASEGÚRESE!
Ya que ésta es, como todos debemos saber, la principal fuente de fallos o errores. Si no
te aseguras que no hay rebotes, corres el riesgo de no saber si el resultado es el
esperado. Por lo tanto:
•
- Asegúrate que la señal está bien generada. Y que un pulso, es uno y no una
sucesión de pulsos (un tren de impulsos).
• - Comprueba siempre el tipo de lógica que sigue el circuito. Estudia el modo en
que trabaja una puerta, para ver si se trata de lógica positiva o negativa.
En principio y solo en principio, un circuito electrónico creado mediante circuitos
integrados (IC) estándar, bien sea de la familia TTL o CMOS, suele emplearse en su
diseño la lógica positiva.
Aunque es frecuente encontrar lo que se llama lógica mixta, también llamada funcional,
que utiliza la lógica positiva y la negativa. Mediante este método, se pueden simplificar los
circuitos.
Cuando se trata de un circuito en el que esté incorporado un IC de LSI (larga escala de
integración), en el que talvez lleve un microcontrolador, se puede decir que, sus E/S y de
BUS, se han de realimentar, es decir, tienen que conectarse a positivo (+Vcc) a través de
sendas resistencias (su valor depende de la alimentación +Vcc, para 5Vcc, sobre 4k7
ohmios) véase la fig. 2, de manera que puedan ser excitadas a su nivel, con la señal que
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
79
introduzcamos o las puertas que les siguen. La razón para usar este tipo de
realimentación es que, al poner a positivo las E/S, se evitan en parte los parásitos
electrónicos.
Si sigues estos consejos, estarás en el buen camino.
A continuación, veremos cómo podemos generar un impulso sin rebotes.
De todos es conocido que, al cerrar un interruptor, se produce un rebote mecánico de sus
contactos que no se puede evitar y consecuentemente, estos saltos son lo que producen
más de un cierre del circuito, (esto que en electricidad, tiene una importancia relativa,
cuando se trata de electrónica digital, es un problema muy grave), lo que queríamos era
un único pulso, o sea que ha aparecido el rebote, produciendo un número indeterminado
de pulsos, que serán considerados como datos a tratar. Imaginemos que pretendemos
aumentar el contador de tantos de un marcador, en un punto y el pulsador no está
protegido contra los rebotes, es fácil suponer que, no sería posible añadir un único tanto
al mencionado marcador, con las consecuencias que acarreará tal efecto. En la siguiente
figura, se aprecia lo
expuesto.
En la figura 3, la señal de
la derecha del interruptor,
muestra lo que 'realmente'
presenta el pulsador (I) a
su salida, se puede
apreciar que en realidad,
se producen una serie de
picos que el sistema
interpretará como otras
tantas
señales
individuales y esto, no es lo que deseamos. En la misma figura, se representa una caja
con una entrada de Datos y una salida Q, la cual representa el circuito que evita los
rebotes. A su derecha la señal (O), como se aprecia, en ella existe un primer estado bajo
L (pulsador en reposo) - seguido de un estado alto H (pulsador activo) - para terminar con
otro estado bajo L (pulsador en reposo), formando así el conjunto un pulso.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
80
ESQUEMA DEL CIRCUITO ANTIRREBOTE.
Veamos el esquema que podemos usar para proteger un pulsador del efecto rebote o
sea, el circuito antirrebote. En electrónica existen una diversidad de formas de lograr un
mismo resultado y todos son buenos, en otras palabras, siempre que el resultado sea el
correcto,
no
importan
los
medios
utilizados.
Por razones de peso, se debe considerar como mejor circuito, aquel que, utilizando un
mínimo de componentes, de un resultado considerado excelente. En principio se presenta
un circuito en la figura 4, que utiliza un interruptor I, una puerta lógica G (Trigger-Schmitt,
74LS13, CD4093) junto con un condensador electrolítico C cuyo valor se puede aumentar
o reducir (1 uF/63V) y un par de resistencias R de 1k.
Al utilizar este circuito, nos vemos obligados a considerar una red con la constante de
tiempo del condensador C con una de las R y el disparador Schmitt G, para evitar los
transitorios parásitos.
El esquema que se ve en la figura 4, en esencia esta basado en la constante de tiempo
de carga/descarga formada por el condensador C con la resistencia R que lo alimenta,
cuya respuesta es escuadrada mediante la puerta disparador Schmitt G.
ANÁLISIS:
Al cerrar I, el condensador C, se descargará a través de R (línea a trazos D), hasta la
tensión de basculamiento 0,9V para TTL y su salida S, pasará a nivel alto (H). No
obstante, cuando se abra I, el condensador se cargará de nuevo y cuando su tensión
alcance los 1,7V la salida S, basculará a nivel bajo L.
Debido a las características del esquema, los rebotes de los contactos mecánicos, no
tendrán efecto en la señal de entrada en G ya que cuando éstos se producen, el
condensador se está cargando o en el otro caso se está descargando (como ya se vio en
la parte 1), con lo que los rebotes serán absorbidos por el condensador.
La capacidad del condensador se podrá aumentar, en función del número de rebotes
mecánicos del interruptor. Aunque, no es conveniente que sea muy alto, el efecto de
histéresis, puede retrasar demasiado la carga y no podría generar un posterior impulso a
tiempo. Normalmente su valor puede estar entre 0,020uf y 1uf o poco más
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
81
Enclavamiento Electrónico
En el apartado anterior, vimos cómo evitar los rebotes de un interruptor, un buen
procedimiento, si señor; cuando se trata de un interruptor, el cual se caracteriza por que
permanece estático en una posición, hasta que decidimos cambiar la misma. El circuito,
es muy estable, pero su aplicación no se utiliza muy a menudo debido a que, no puede
generar impulsos muy rápidos y a que cambia de estado con solo cambiar el estado del
interruptor I.
Si lo que queremos es un sistema más seguro, es decir, que aunque se repita la
operación de activarlo, éste no cambie. Hemos de pensar en otro esquema que se base
en una especie de memoria.
El sistema que se ajusta a las exigencias especificadas, puede ser la báscula RS, la cual
está compuesta por dos puertas realimentadas, NAND, aunque la estudiaremos con
puertas NOR según se aprecia en la figura 5, así como su tabla de la verdad.
Analizaremos el siguiente circuito con las condiciones dadas.
Como ya se vio, el comportamiento de una puerta NOR realimentada, se puede
considerar una célula de memoria, la cual una vez en estado alto H no pasa a nivel bajo
L, mientras no se aplique una señal de puesta a cero PAC (Reset). De esta manera, se
logra una alta seguridad, cuando se utiliza un conmutador, el circuito, es mucho más
estable que en el anterior caso de la figura 5.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
82
Ahora veamos el diagrama de tiempos.
Sin embargo, existe un estado de indeterminación según se aprecia en la tabla y sería
conveniente disponer de un tipo de báscula que nos asegurara la no indeterminación. La
solución pasa por disponer un inversor entre las entradas R y S, esto hará que estas
entradas estén en oposición entre sí, evitando el estado de indeterminación.
Pero así, tendríamos una sola entrada de datos D, necesitando nuevas entradas en la
báscula, para ponerla a 1 (Preset) y de borrado (Clear) para ponerla a 0, además de, una
entrada de reloj (CLK).
En la figura 7, podemos apreciar todas estas entradas y las salidas Q y su complemento,
los puntos P en el diagrama, indican que la salida Q sigue a la entrada D, mientras la
señal de CLK esté alta. Además se puede apreciar un elemento nuevo, el Flanco de
subida de la señal de reloj, que en las básculas establece el momento de intercambio del
dato de entrada en D a la salida Q. En la figura se representa un IC 74LS74 o similar.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
83
La diferencia entre el flip-flop rs y la báscula
D, está relacionado con la forma de utilizar la
señal de reloj. Según se dijo, el estado de
salida de la báscula aparece, sólo en el
instante en que la señal de reloj pasa del
nivel lógico bajo al nivel alto, y en ningún
otro caso. Es decir con el flanco ascendente
del reloj, tal como se aprecia en el diagrama
de tiempos en la figura 6.
Es decir, la transición de un dato en la entrada D, a la salida Q, en las básculas D, se
produce con el flanco de subida o flanco activo y en un Flip-Flop RS, ocurre con el
flanco de bajada o flanco de disparo. Esta es, en esencia la más importante diferencia.
Por lo tanto, para evitar las interferencias o rebotes, se optará por usar el sistema más
adecuado para cada caso y sobre todo, dependerá del IC que tengamos disponible en
ese momento o en todo caso, utilizar las puertas que nos "sobren" en el circuito
electrónico general, cosa que es bastante usual. Lo que ahorrará espacio y dará más
rendimiento a nuestro trabajo.
& Actividad
1. Grafique la forma real de como se transporta una señal digital.
2. Diseñe un circuito adecuado para el mando real de una compuerta AND, que permite
el accionamiento de un Relé. La señal de activación proviene de una distancia de 5
metros del circuito integrado, que se crean por el cierre de un swich cada una.
3. ¿Qué misión tiene el circuito antirrebotes ?.
4. Plantee un diseño en donde se vea involucrado el uso del Flip Flop tipo RS.
5. Dibuje la configuración lógica que permite la creación de la báscula tipo D, a partir de
la configuración RS, implementada con compuertas lógicas.
6. Averigüe qué dispositivo cumple la misión de ser un FF tipo D y otro tipo RS.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
84
Tema 10
Circuitos Secuenciales y Contadores Decimales
En la actualidad uno de los requisitos más comunes en un equipo es el contador digital.
Los podemos encontrar en una multitud de electrodomésticos, podemos decir que nos
preocupa en gran manera llevar la cuenta de todos y cada uno de los eventos que nos
rodean. De ahí, la necesidad de disponer de distintos tipos de contadores. A continuación
nos remitiremos, a entender el funcionamiento de dos dispositivos digitales contadores,
los cuales utilizaremos próximamente en las futuras experiencias de laboratorio.
Circuito CD4017
Se trata de un contador/divisor o decodificador con 10 salidas. Estructuralmente está
formado por un contador Johnson de 5 etapas que puede dividir o contar por cualquier
valor entre 2 y 9, con recursos para continuar o detenerse al final del ciclo.
Diagrama de funciones:
Para comprender mejor su funcionamiento lo haremos utilizando el diagrama de
funciones.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
85
Con las entradas "Habil. Reloj" y "Reset" a tierra, el contador avanza una etapa a cada
transición positiva de la señal de entrada (Reloj). Partiendo entonces de la situación inicial
en que "S0" se encuentra a nivel alto y todas las demás a nivel bajo. Con la llegada del
primer pulso de entrada tenemos la primera transición. "S0" pasa a nivel bajo y "S1" a
nivel alto, todas las demás permanecen en cero.
Con el segundo pulso, "S1" pasa a nivel bajo y "S2" a nivel alto, y así sucesivamente
hasta la última.
Otros terminales:
"Habil. Reloj" si está a tierra, hará que se inicie un nuevo ciclo. si está a VDD se
consigue
solo
un
ciclo
de
funcionamiento.
"Carry-Out" Este terminal proporciona un ciclo completo a cada 10 pulsos de entrada,
pudiendo usarse para excitar otro 4017 para división sucesiva de frecuencia o recuento
por un número superior a 10
"Reset" Si se le aplica un nivel alto, lleva ese nivel al terminal "S0", volviendo a iniciar el
recuento. Eso significa que si conectamos este terminal a cualquier salida, cuando ésta se
lleve a nivel alto se iniciará un nuevo ciclo. Es decir que si conectamos "S4" a la entrada
"Reset" tendremos un recuento sólo hasta 4.
Circuitos de prueba:
Las salidas de este integrado proporcionan corrientes lo suficientemente intensas como
para excitar LED's y en aplicaciones de mayor potencia, transistores comunes.
Los leds pueden conectarse de dos maneras:
•
En modo positivo : Solo el LED que tiene el nivel alto permanece encendido.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
86
En modo negativo: Solo el LED que tiene el nivel alto permanece apagado.
también puedes realizar una secuencia completa con todas las salidas, algo así como lo
que se ve en la siguiente imagen
Circuito CD4029
El CD4029 es un contador sincrónico "Up-Down", Contador Progresivo/Regresivo,
Preajustable, Binario/Década. Es un contador de 4 bits que opera como década (0000 a
1001), tanto en el sentido creciente como decreciente. Además de la entrada normal de
clock (información de tipo serie) posee 4 entradas disponibles para información paralela.
Esas entradas permiten que el contador sea cargado con un determinado dato (número
binario) e inicie a partir de alli la cuenta.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
87
En esta imagen tenemos la disposición de los pines del CD4029, y a continuación, una
relación de todas sus entradas y salidas, con sus respectivas funciones.
Habilitación Preajuste (Pin 1): Entrada para lectura paralela. Cuando apliamos un nivel
lógico "1", en esta entrada, el contador se carga con la información presente en las
entradas paralelas; si no es utilizada debe ser mantenida en "0".
J1, J2, J3, J4 (Pin's 3, 4, 12 y 13 respectivamente): Entradas paralelas de datos. Estas
entradas actúan directamente en las salidas del contador, independientemente de
cualesquiera otras condiciones, una vez que representan los "presets" de cada flip-flop del
contador. En este circuito el digito más significativo (con peso 8) es alterado a través de la
entrada J4 (pin3). Si quisieras por ejemplo, que el contador vaya al número 6, debes
aplicar a las entradas paralelas el número correspondiente en binario, o sea 0110 (J4=0,
J3=1, J2=1, J1=0, ).
Q1, Q2, Q3 y Q4 (Pin's 6, 11, 14 y 2 respectivamente): Salidas del contador. La salida
Q4 representa el dígito más significativo del número en binario, por lo tanto Q1 es el
menos significativo.
Reloj (Pin 15): Entrada de Reloj. A cada transición ascendente (de "0" a "1") de la señal
de
Reloj
el
contador
cambia
de
estado.
Avance/Retroceso (Pin 10): Entrada de control para cuentas crecientes o decrecientes.
Un nivel lógico "1" hace que el circuito realice la cuenta creciente, con un nivel "0" la
cuenta será decreciente.
Binario/Década (Pin 9): Entrada de control para la cuenta en binario o década/decena.
En nivel lógico "1" el circuito cuenta en binario (de 0000 hasta 1111) y en nivel "0" el
contador se comporta como una década (contando de 0000 hasta 1001 o sea de 0 a 9).
Entrada Carry (Pin 5): Habilitación del contador Con "1" la cuenta se paraliza. Con "0" el
contador funciona normalmente.
Salida Carry (Pin 7): Salida de término de cuenta. Representa la salida "Carry" o "va 1"
del contador. El nivel lógico de esta salida varía de "1" a "0" toda vez que el contador
alcanza el número máximo de la cuenta, cuando está conectado como contador creciente,
o cuando alcanza el menor número de la cuenta, al funcionar como conador decreciente.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
88
En las siguientes imágenes se describe el diagrama de funccionamiento en Modo
Década y en Modo Binario.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
89
Tabla de Verdad
En la siguiente tabla de verdad se muestran los posibles modos de operación y sus
correspondientes entradas de control. En esta tabla los estados representados por "x" son
irrelevantes, o sea, pueden ser "1" o "0", indistintamente.
Circuito de Prueba
Para verificar la tabla de verdad citada anteriormente puedes utilizar el siguiente circuito
de ejemplo, las resistencias son todas de 220 ohm.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
90
& Actividad
1. Qué misión tiene el pin 13 del CD4017?
2. Bajo qué condición el pin 12 se pone en alto?
3. Dibuje un circuito real, para poder polarizar el dispositivo CD4017, incluyendo el
sistema anti rebotes.
4. Qué niveles de tensión deben tener los pines de salida en modo Positivo, para
encender los LED.
5. Qué niveles de tensión deben tener los pines de salida en modo Negativo, para
encender los LED.
6. Indique Como opera el siguiente circuito, mencionando que efecto se conseguirá.
7. Para el siguiente circuito, plantee modificaciones para conectarlo a un Display de 7
segmentos.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
91
TEMA 11
Contador Decimal Integrado
En la actualidad uno de los requisitos más comunes en un equipo es el contador digital.
Los podemos encontrar en multitud de electrodomésticos, podemos decir que nos
preocupa en gran manera llevar la cuenta de todos y cada uno de los eventos que nos
rodean. De ahí, la necesidad de disponer de distintos tipos de contador y tecnología.
Existen diversos tipos de contadores, todos operan bajo el mismo principio, un arreglo
lógico que a través de un tren de pulsos permite el avance en +1, de su conteo, otros
cuentan con un sistema que permite avance hacia atrás, e incluso preestablecer desde
donde iniciamos su conteo. En esta ocasión nosotros trataremos de describir las más
importantes particularidades del CI 4026B CMOS. El diagrama esquemático interior de los
4026B también es bastante complejo, el cual, dispone una estructura de puertas que le
permite contar en decimal y que dispone de entradas paralelas para prefijar una cuenta.
Sin embargo, no podemos alcanzar la circuitería interior, en cualquier caso, el diagrama
funcional de la derecha es más útil para nuestros
propósitos.
Descripción:
Presentamos un circuito contador simple como el
4026B que aprovecha la particularidad que dispone
de una salida decodificada de 7 segmentos, con la
ventaja de poder atacar directamente a un display
de cátodo común. En el esquema siguiente se
utiliza un CI que incluye un contador CMOS 4026B
para contar distintos eventos. Su entrada de
impulsos viene representada por un pulsador. El
pulsador de reset es de reinicialización del contador
a cero y el display de 7 segmentos es del tipo
cátodo común. Para ahorrar el consumo al máximo,
el display se puede habilitar o inhabilitar con un
interruptor como se muestra en el diagrama anterior
y la cuenta se mantendrá mientras en la memoria.
El patillaje para el CI 4026B se muestra por orden
de pines seguidamente:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
- Es la entrada del reloj
- Habilita el reloj
- Habilita la entrada de cuenta
- Habilita la salida de acarreo
- Es la salida de acarreo
- Es el segmento f
- Es es segmento g
- Es masa 0 V.
- Es el segmento d
- Es el segmento a
- Es el segmento e
- Es el segmento b
- Es el segmento c
- Es la salida del display
- Restablece o resetea
- Es +Vcc
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
92
El circuito del antirebote tiene una constante de tiempo suficientemente larga. Esto
asegura que, aún que apriete rápidamente el interruptor, sólo avanza en uno la cuenta.
Los 47uf del condensador pueden aumentarse en capacidad, si es necesario.
Expansión del circuito:
La cuenta puede extenderse desde 1 a 99 visitas, conectando en forma de cascada dos
CI CMOS 4026B y usando un par de display de 7 segmentos. Esto se logra conectando
el pin 5 (la salida 10) del primer CMOS4026 para fijar a 1 (la entrada reloj) del segundo
CI.
A continuación se muestra en detalle, como el fabricante indica como operar el circuito.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
93
Designación de Segmentos en un Display
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
94
& Actividad
1. Que misión cumple el PIN 3 del dispositivo CD4026?
2. Bajo qué condición el PIN 5 se pone en alto en el dispositivo CD4026?
3. ¿Qué hace el condensador instalado en el diagrama propuesto en el PIN 1?.
4. ¿Qué hacer para poder Conectar el dispositivo Estudiado a un display de 7
segmentos de ánodo común?.
5. Plantee un diseño para utilizar el circuito anterior pero para efectuar el conteo de dos
dígitos, o sea desde el 00 hasta el 99 y que cuando sobrepase éste dígito, se active
un buzzer de 12V@100mA.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
95
TEMA 12
Generador de Señales IC555
El dispositivo 555 es un circuito integrado muy estable cuya función primordial es la de
producir pulsos de temporización con una gran precisión y que, además, puede funcionar
como oscilador.
Sus características más destacables son:
•
•
Temporización desde microsegundos hasta horas.
Modos de funcionamiento:
• Monoestable.
• Astable.
Aplicaciones:
•
•
•
•
•
Temporizador.
Oscilador.
Divisor de frecuencia.
Modulador de frecuencia.
Generador de señales triangulares.
Pasemos ahora a mostrar las especificaciones generales del 555
(Vc=disparo):
Especificaciones generales del 555
Vcc
Frecuencia máxima (Astable)
Nivel de tensión Vc (medio)
Error de frecuencia (Astable)
Error de temporización
(Monoestable)
Máximo valor de Ra + Rb
Valor mínimo de Ra
Valor mínimo de Rb
Reset VH/VL (pin-4)
Corriente de salida (pin-3)
51015Voltios Voltios Voltios
500-kHz a 2-MHz
10.0-V
3.3-V
6.6-V
~ 5%
~ 5%
~ 5%
~ 1%
~ 1%
~ 1%
Notas
Varia con el Mfg y el diseño
Nominal
Temperatura 25° C
Temperatura 25° C
3.4-Meg 6.2-Meg 10-Meg
5-K
5-K
5-K
3-K
3-K
3-K
0.4/<0.3 0.4/<0.3 0.4/<0.3
~200mA ~200mA ~200mA
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
96
El dispositivo que estudiaremos, se compone de los siguientes PINs.
1 - Tierra o masa
2 - Disparo: Es en esta patilla,
donde se establece el inicio del
tiempo de retardo, si el 555 es
configurado como monostable.
Este proceso de disparo ocurre
cuando este pin va por debajo del
nivel de 1/3 del voltaje de
alimentación. Este pulso debe ser
de corta duración, pues si se
mantiene bajo por mucho tiempo
la salida se quedará en alto hasta
que la entrada de disparo pase a
alto otra vez.
3 - Salida: Aquí veremos el
resultado de la operación del
temporizador, ya sea que este conectado como monostable, astable u otro. Cuando la
salida es alta, el voltaje será el voltaje de aplicación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida
se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla # 4 (reset).
4 - Reset: Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida # 3 a
nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para
evitar que el 555 se "resetee".
5 - Control de voltaje: Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de
voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la practica como Vcc -1
voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos en que la
patilla # 3 esta en alto o en bajo independiente del diseño (establecido por las resistencias
y condensadores conectados externamente al 555). El voltaje aplicado a la patilla # 5
puede variar entre un 45 y un 90 % de Vcc en la configuración monostable. Cuando se
utiliza la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1.7 voltios hasta Vcc.
Modificando el voltaje en esta patilla en la configuración astable causará la frecuencia
original del astable sea modulada en frecuencia (FM). Si esta patilla no se utiliza, se
recomienda ponerle un condensador de 0.01uF para evitar las interferencias.
6 - Umbral: Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para
poner la salida (Pin # 3) a nivel bajo bajo.
7 - Descarga: Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado
por el temporizador para su funcionamiento.
8 - V+: También llamado Vcc, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va
de 4.5 voltios hasta 16 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que
llegan hasta 18 Voltios
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
97
A continuación se mostrarán los modos de funcionamiento que posee este circuito
integrado. En los esquemas se hace referencia al patillaje del elemento, al igual que a las
entradas y salidas de cada montaje.
Funcionamiento Monoestable
Cuando la señal de disparo está a nivel alto (ej. 5V con Vcc 5V) la salida se mantiene a
nivel bajo (0V), que es el estado de reposo.
Una vez se produce el flanco descendente de la
señal de disparo y se pasa por el valor de
disparo, la salida se mantiene a nivel alto (Vcc)
hasta transcurrido el tiempo determinado por la
ecuación:
T = 1.1 Ra C
Es recomendable, para no tener problemas de
sincronización que el flanco de bajada de la señal
de disparo sea de una pendiente elevada, pasando lo más rápidamente posible a un nivel
bajo (idealmente 0V).
NOTA:
en
el
monoestable,
debería
el
ser
modo
disparo
puesto
nuevamente a nivel alto
antes
que
termine
la
temporización.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
98
Funcionamiento astable
Este tipo de funcionamiento se caracteriza por
una salida con forma de onda cuadrada (o
rectangular) continua de ancho predefinido por el
diseñador del circuito. 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. Los tiempos de duración dependen de
los valores de R1 y R2.
En este modo se genera una señal cuadrada oscilante de frecuencia:
F = 1/T = 1.44 / [C*(Ra+2*Rb)]
La señal cuadrada tendrá como valor alto Vcc
(aproximadamente) y como valor bajo 0V.
Si se desea ajustar el tiempo que está a nivel
alto y bajo se deben aplicar las fórmulas:
Salida a nivel alto:
T1 = 0.693*(Ra+Rb)*C
Salida a nivel bajo:
T2 = 0.693*Rb*C
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
99
&
Actividad
1. Se dispone de los siguientes dispositivos:
§
Ic555
§
Condensadores de capacidad : 0.22uF, 0.47uF, 100 nF, 4.7uF, 1uF, 100uF.
§
Resistencias de valor 1.47K, 216K, 1K, 98 ohm, 10K.
a) Diseñe un circuito Multivibrador astable, a través del uso de los diseños entregados
recientemente. Para ello considere los dispositivos con los cuales se dispone.
b) Diseñe un circuito multivibrador monostable, y al igual que en el caso anterior, a través
del uso de los dispositivos anteriormente mencionados.
EN AMBOS CASOS, ESCOJA CUALQUIERA DE LOS DISPOSITIVOS DISPONIBLES Y
ESTIME LOS TIEMPOS ASOCIADOS A CONSEGUIR CON LA SELECCION
PROPUESTA.
3. Para los circuitos siguientes, estime los valores adecuados para satisfacer o generar
la forma de onda mostrada.
a)
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
100
b)
c)
El siguiente circuito, corresponde a un Circuito Secuencial, a partir de ello, determine
los nombres de las configuraciones expuestas y formas se onda de la señal de salida
considerando las dos posibilidades de pulso de entrada en Vi.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
101
TEMA 13
Montaje de circuitos de telefonía
Necesidad de la existencia de centrales.
Uno de los motivos de la existencia de las centrales telefónicas, es el de ahorrar en el
número de conexiones que se deben efectuar desde los aparatos telefónicos, o aparatos
de abonado.
Si el número de aparatos fuera N, el número de conexiones sería:
C = N (N – 1)
2
La central telefónica es el punto donde se reúnen las conexiones de todos los aparatos
telefónicos de una determinada área, que se denomina “área local” o “área central”.
La central que efectúa únicamente la misión de conectar abonados entre sí, se denomina
central local. En ella reside la inteligencia necesaria para encaminar correctamente la
llamada desde su origen (abonado llamante), hasta su destino (abonado llamado).
Al conjunto de los elementos necesarios para unir una central local con sus abonados, se
denomina “red de abonados” o “red local” de la central.
Necesidad de la jerarquización de las centrales.
Es necesaria la existencia de una central, de rango superior a la local, de mayor
categoría, que conecte entre sí las centrales locales. Esta central se denomina central
primaria.
El área primaria se define como el conjunto de áreas locales, correspondientes a las
centrales locales, que dependen de la misma central primaria. Cada central local depende
de una y sólo una central primaria. Sin embargo, de una central primaria dependen varias
locales.
La misión principal de la central primaria es la de conectar centrales locales entre sí,
cursando llamadas de tránsito, es decir, llamadas correspondientes a abonados que le
son ajenas. Las centrales primarias pueden tener sus propios abonados.
La unión entre una central local y la central primaria de que depende se denomina
sección primaria y está compuesta por un conjunto de circuitos individuales de
nominados enlaces. Cada enlace entre centrales, es capaz, en un momento dado, de ser
soporte de una comunicación.
Las centrales primarias deben poder interconectarse entre sí.
También es necesaria la existencia de una central de mayor categoría, que conecte entre
sí las centrales primarias. Esta central se denomina central secundaria.
El área secundaria es el conjunto de áreas primarias, correspondientes a las centrales
primarias que dependen de la misma central secundaria. Cada central primaria depende
de una y sólo una central secundaria. Sin embargo, de una central secundaria, dependen
varias primarias.
La función de la central secundaria es la de conectar centrales primarias entre sí,
cursando llamadas de tránsito. Las centrales secundarias no tienen abonados propios.
La unión entre una central primaria y la secundaria de la que depende se denomina
sección secundaria, compuesta por un conjunto de enlaces.
Por último, también es necesaria la presencia de una central terciaria o nodal. El área
terciaria es el conjunto de áreas secundarias correspondientes a las centrales
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
102
secundarias que dependen de la misma central terciaria. Cada central secundaria
depende de una y sólo una central terciaria. Sin embargo, de una central terciaria
dependen varias secundarias.
La función de la central terciaria es la de conectar centrales secundarias entre sí,
cursando llamadas de tránsito. Ninguna central terciaria tiene abonados propios.
La unión entre una central secundaria y la terciaria de la que depende, se denomina
sección terciaria, compuesta por un conjunto de enlaces.
Las uniones entre centrales terciarias, se denominan secciones cuaternarias o grandes
rutas nacionales.
RED JERARQUICA Y RED COMPLEMENTARIA.
Red jerárquica. Secciones finales y ruta final.
Una Red Jerárquica es el conjunto de estaciones de abonado y centrales automáticas
unidas entre sí, de manera que cada una de ellas depende de una y de sólo una de
categoría inmediatamente superior, estando las centrales de máxima categoría unidas
entre sí.
Si queremos comunicar a 2 abonados a través de la red jerárquica, el camino para
hacerlo es único y se denomina ruta final. La longitud de la ruta final depende de la
“distancia” a que están situados los abonados en la red jerárquica.
Red complementaria. Secciones directas. Centrales Tándem.
La Red Complementaria se superpone y conecta a la Red Jerárquica. Se compone de
secciones directas y centrales tándem. Una sección directa es un conjunto de enlaces,
que une dos centrales, las cuales, desde el punto de vista de la Red Jerárquica, no les
correspondería estar directamente unidas. El encaminamiento a través de secciones
directas es más corto que el encaminamiento a través de secciones finales.
Están permitidas las secciones directas entre :
-
De central local a central local.
De central primaria a central primaria.
De central secundaria a central secundaria.
De central local a central primaria, de la que no dependerá jerárquicamente.
De central primaria a central secundaria, de la que no depende jerárquicamente.
De central secundaria a central nodal, de la que no depende jerárquicamente.
En las áreas urbanas muy complejas, existen Centrales tándem, que son centrales de
tránsito (es decir sin abonados), a las que se conectan otras centrales, pero sin
pertenecer, las centrales tándem, a la Red Jerárquica. Hay central tándem urbana e
interurbana.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
103
Ejemplos de Datos Técnicos relevantes de una Central Telefónica Comercial
BusinessPhone 50
BusinessPhone 250
Hasta 48 extensiones
Hasta 288 extensiones
Capacidad
16 enlaces analógicos ó
56 enlaces analógicos 6
1 x 30 digitales
2 x 30 digitales
2 hilos
Línea de extensión analógica Resistencia del bucle 2.500 ohmios (incluido teléfono)
Marcación decádica o DTMF
2 hilos
Línea de extensión digital
Longitud máxima hasta 800 m
Resistencia máxima de la línea: 2.000 ohmios
Enlace analógico de bucle Relación apertura/cierre 67/33 6 60140
Señalización multifrecuencia Q23
Net 5 Capa 1: ETSI 300 011 Net 3 Capa 1: ETSI 300 012
Enlace digital RDSI
Net 5 Capa 2: ETSI 300 156 Net 3 Capa 2: ETSI 300 125
(PRA/BRA)
Net 5 Capa 3: ETSI 300 156 Net 3 Capa 3: ETSI 300 102
214 hilos
Tic-Line analógico E&M
Resistencia máxima de bucle: 1.800 ohmios
Capa 1: ETSI 300 011
Tic-Line digital QSIG
Capa 2: ETSI 300 171
Capa 3: ETSI 300 172
Temperatura: + 5' a 40 'C
Condiciones ambientales
Humedad relativa: 5 - 80%
Descarga electrostática: 5 kv a 30% humedad
Programación
Local y remota a través del módem V:23
V24 (RS232C) asíncrona serie
Comunicación de datos
Velocidades de hasta 19,2 kbps
Buscapersonas por radio
Permite la conexión de todos los sistemas bajo norma ESPA
BusinessPhone 250
Conexión a red: 230 V+-10%
Características de
BusinessPhone 50
Conexión externa: 36 V +- 4 V
alimentación
Conexión a red: 230 V+- 10%
50 Hz
48 V + V/-5 V
BusinessPhone 50
BusinessPhone 250
Altura: 480 mm
Altura: 435 mm
Anchura: 600 mm
Anchura: 260 mm
Dimensiones y peso
Profundidad: 130 mm
Profundidad: 300 mm
Peso: 20.2 Kg.
Peso: 19.2 Kg.
(totalmente equipado)
(totalmente equipado)
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
104
Hardware del sistema de telefonía.
Componentes del microteléfono:
a- El micrófono o transmisor convierte la energía acústica de la voz del usuario en
señales eléctricas por medio de unas placas metálicas entre las cuales se hayan unas
partículas de carbón, las cuales se comprimen poco o mucho dependiendo de la
intensidad y frecuencia que tenga la voz de quien habla. Esta compresión modifica la
corriente que pasa por el micrófono, lo que da como resultado que la señal eléctrica varíe
constantemente mientras habla el usuario. Dicha señal llega a la central telefónica y ésta
la envía al teléfono de su interlocutor. Cuando éste responde, su voz repite el proceso
descrito, de modo que al primer aparato llegará la señal eléctrica originada en el segundo.
b- El auricular o receptor consiste en un arrollado eléctrico sobre un imán permanente,
al frente del cual se halla una membrana metálica. La corriente que pasa por el auricular
varía en intensidad y frecuencia según la modifique la voz del interlocutor, igual a lo que
ocurre con el usuario que inició la llamada, como ya se explicó. Esta variación produce
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
105
una fluctuación de la intensidad, la que a su vez hace variar el campo magnético del imán,
el cual atrae o repela a la membrana metálica, la que convierte la señal eléctrica en ondas
acústicas que corresponden a la señal del usuario que la originó. Vale decir, se reproduce
su voz.
Conversor Celular Analógico para una línea
(Celulink)
Permite la conexión de un teléfono celular a
una central telefónica, o simplemente la
conexión de un aparato telefónico convencional
a una red Celular. En general, comercialmente,
poseen una ranura para la inserción del CHIP
PCS, suministrado por diversas Compañías.
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Funciona con teléfonos públicos
monederos.
Compatible con PBX y Telefonía IP.
Ideal como respaldo celular de alarmas
(Backup).
Conmutador de línea fija PSTN.
No requiere mantención de baterías.
Cuenta con reversión de Polaridad.
Conexión a Internet por GPRS.
Recibe y genera llamados de Voz y Datos.
Bloqueo de Llamadas Entrantes.
Control de volumen.
Funciona con cualquier compañía celular.
Antena con base magnética para exterior
de alta ganancia (incluída).
Fuente de poder electrónica Switching
(incluída).
Equipo de simple instalación.
Producto PnP (Plug & Play).
Mayor seguridad, protección de SIM
CARD (Código PIN).
Indicador Luminoso de Nivel de
Señal.
Antena con baño de oro que mejora la
recepción.
Configuración Programable por DTMF.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
106
La siguiente imagen expone, como se debe instalar el Receptor.
Prueba técnica de la campanilla de un Citófono.
Para llevar a cabo la prueba de la campanilla de un citófono, se debe aplicar una señal de
Ringer, la cual debe corresponder a una tensión sinusoidal, de frecuencia 50Hz y
amplitud de 35V.
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107
& Actividad
1. Se dispone de 30 aparatos telefónicos, de los cuales se pretenden conectar a una
central telefónica. Determine el número de líneas que se requieren para salir por
esta, con el fin de no causar congestión.
2. Se dispone de 10 líneas internas en un edificio, y se desea comunicar con 10 líneas
internas mas de otro edificio. Plantee una solución técnica, que permita la
conectividad de estas dos redes con sólo 1 línea de comunicación.
3. Mencione 5 datos técnicos asociados e importantes a tener presentes al momento de
efectuar la selectividad de una central telefónica.
4. Identifique las partes del siguiente diagrama de comunicaciones en donde interviene
una central telefónica.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
108
TEMA
Microcontrolador PIC 16F84A
DEFINICIÓN
Los circuitos integrados programables (Programmable Integrated Circuits = PIC) son
componentes sumamente útiles en la Electrónica de Consumo. Aún cuando son
conocidos desde hace más de veinte años, existen en la actualidad nuevos tipos que
cumplen con una serie de requisitos y características sumamente útiles. Como una
primera aproximación podemos definir a un PIC como “un chip que me permite obtener un
circuito integrado a mi medida”, es decir puedo hacer que el PIC se comporte como un
procesador de luminancia o un temporizador o cualquier otro sistema mediante un
programa que le grabo en una memoria ROM interna.
Los microcontroladores PIC son en el fondo procesadores similares a otros tipos, como
por ejemplo la familia de los microprocesadores X86, 80486, Pentium y muchos otros que
usan una arquitectura interna del tipo Von Neumann. En este tipo de arquitectura los
datos y la memoria del programa se encuentran en el mismo espacio de direcciones.
En realidad un microprocesador y un microcontrolador no son la misma cosa. Los PICs
son microcontroladores, es decir, una unidad que posee en su interior al microprocesador
y a los elementos indispensables para que pueda funcionar como una minicomputadora
en un solo chip.
Un microprocesador es solamente la unidad central de procesos o CPU, la memoria, los
puertos y todos los demás periféricos son exteriores. La programación de un
microprocesador es, por lo tanto, una tarea compleja porque deben controlarse todos
estos dispositivos externos. Un microcontrolador integra la CPU y todos los periféricos en
un mismo chip. El programador se desentiende de una gran cantidad de dispositivos y se
concentra en el programa de trabajo. Esta circunstancia da lugar a una gran pérdida de
tiempo porque los datos tienen que ser retirados de la memoria y llevados a la CPU
(Central Pro- cessor Unit) y viceversa. Esto significa que la computadora dedica la mayor
parte del tiempo al transporte de da-tos de ida o de vuelta, en lugar de usar este tiempo
para trabajar sobre los datos.
Los PICs emplean un conjunto de
instrucciones del tipo RISC (Reduced
Instruction Set Computer). Con el RISC se
suele ejecutar la mayoría de las
instrucciones con un solo pulso del clock.
Con las instrucciones que se usan en otros
equipos del tipo CISC (Complex Instruction
Set Computer), se logran instrucciones más
poderosas, pero a costa de varios ciclos del
clock. En el bien conocido procesador
68HC11 de Motorola se requieren a veces
hasta 5 ciclos del clock para ejecutar una
instrucción.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
109
A los fines prácticos nos vamos a referir a los microcontroladores como bloques que
poseen una memoria de programa que es el lugar donde deben alojarse los datos que le
indiquen al chip, qué es lo que debe hacer; una memoria de datos donde ingresen las
señales que debe procesar el programa, una unidad aritmética y lógica donde se
desarrollen todas las tareas, una unidad de control que se encargue de supervisar todos
los procesos y puertos de entrada y salida para que el PIC tenga contacto con el exterior.
Un microcontrolador como cualquier circuito integrado analógico tiene entradas, salidas y
algunos componentes exteriores necesarios para procesar las señales de entrada y
convertirlas en las señales de salida. El 16F84 requiere un cristal con dos capacitores y co
mo mínimo un resistor para el reset. Por supuesto necesita una tensión de fuente de 5V
(VDD) aplicada con respecto al terminal de masa (VSS). Posee dos puertos de salida, el A
y el B, cuyos terminales son marcados RA0 al RA4 y RB0 al RB7. Estos puertos pueden
ser programados como de entrada o de salida. El terminal 4 opera como reset pero
también cumple funciones de carga de memoria de programa cuando es excitado con
pulsos de
15V. El terminal RA4 (pata 3) también tiene funciones como entrada de un temporizador
y RBO (pata 6) cumple también funciones como entrada de interrupción. Ahora bien, la
mayoría de los microcontroladores (sean de Microchip, o de National, Motorola, Philips,
etc.) se comportan de forma similar, por ello nos vamos a referir a los microcontroladores
PIC16F84 cuya arquitectura interna puede observarse en la figura.
Observe primero los bloques externos. Existe un cristal que se conecta en OSC1 y OSC2
para generar el CLOCK del sistema. Luego una señal de entrada llamada MCLR negada,
que es un nombre de fantasía para nuestro conocido RESET (debido a que esa pata
tiene un doble uso) y, por último, dos puertos paralelos de I/O (entrada o salida) llamados
puerto A y puerto B. Una de las patas del puerto A puede ser utilizada como entrada de
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
110
interrupciones (esta pata especial hace que el microprocesador deje de realizar la tarea
que estaba ejecutando y pase a realizar otra tarea alternativa; cuando la termina vuelve a
su programa original).
En la siguiente imagen se nos indica el diagrama de bloques interno con que cuenta el
microcontrolador que estudiaremos.
CONSIDERACIONES DE LA ARQUITECTURA EXTERNA DEL
MICROCONTROLADOR.
a)
El oscilador.
Todo microprocesador o microcontrolador requiere de un circuito que le indique a que
velocidad debe trabajar. Este circuito es conocido por todos como un oscilador de
frecuencia. Este oscilador es como el motor del microcontrolador por lo tanto, este
pequeño circuito no debe faltar. En el caso del microcontrolador PIC16F84 el pin 15 y el
pin 16 son utilizados para introducir la frecuencia de reloj. Existen microcontroladores
que tienen su oscilador internamente y no requieren de pequeños circuitos electrónicos
externos. El microcontrolador PIC16F84 requiere de un circuito externo de oscilación o
generador de pulsos de reloj. La frecuencia de reloj máxima es de 20 Mhz; sin
embargo, se recomienda trabajar con una frecuencia de reloj de 4 MHz, ya que es más
práctico y está más extendido, sobre todo en los ejemplos aquí tratados.
El PIC16F84 puede utilizar cuatro tipo diferentes de reloj oscilador externos. El tipo
de oscilador dependerá de la precisión, velocidad y potencia que requiramos; por
otro lado, el coste también es una aspecto a tener en cuenta a la hora de elegir un
oscilador u otro. En el momento de programar el microcontrolador se deberá
especificar en los parámetros el tipo de oscilador que utilizamos en nuestro proyecto
electrónico. Por ejemplo si su frecuencia de trabajo es de 10 MHz entonces la
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
111
configuración del microcontrolador deber á estar en "HS"; pero si su frecuencia de
trabajo es de 4 Mhz entonces la configuración del microcontrolador deber á estar en
"XT".
Otro punto importante a tener en cuenta es que no todos los PICs del mercado
permiten la misma velocidad, puesto que unos admiten más que otros. Este dato
viene reflejado en el encapsulado, siendo 20 MHz la máxima frecuencia de
oscilación que nos podemos encontrar. Para saber cual es esta frecuencia remítase
a la sección El PIC16F84¡¡ o al datasheet del fabricante.
Podemos hacer uso de 4 tipos diferentes de osciladores:
Oscilador tipo "XT" (XTal) para frecuencias no mayores de 4 Mhz.Después tenemos el
oscilador tipo "RC" para frecuencias no mayores de 4 Mhz. En la imagen de la figura
podemos observar la configuración del circuito.
Conexiones básicas para un cristal de cuarzo
La condición básica importante para que este oscilador funcione es que los
condensadores C1 y C2 deberán ser iguales. En la tabla de la figura 28 están reflejados
algunos valores básicos de los condensadores C1 y C2.
Para una tensión de 5 V Microchip recomienda C1=C2~30pF
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
112
Esta conexión es una conexión básica, ya que Microchip recomienda la de la figura 4, en
la que incluye una resistencia en serie, que debe conectarse en el caso de que usemos
un cristal de tira cortada tipo AT.
Figura 4. Conexión recomendada
Oscilador tipo "LP" (Low Power) para frecuencias entre 32 y 200 Khz.
Este oscilador es igual que el anterior, con la diferencia de que el PIC trabaja de una
manera distinta. Este modo está destinado para trabajar con un cristal de menor
frecuencia, que, como consecuencia, hará que el PIC consuma menos corriente.
Oscilador tipo "HS" (High Speed) para frecuencias comprendidas entre 4 y 20 MHz.
Habremos de usar esta configuración cuando usemos cristales mayores de 4 MHz. La
conexión es la misma que la de un cristal normal, a no ser que usemos un circuito
oscilador como el relatado unas líneas más abajo, en la sección de Otras configuraciones.
Oscilador tipo "RC" (Resistor/Capacitor) para frecuencias no mayores de 5.5 Mhz. Por
último tenemos el oscilador tipo RC que es el más económico por que tan solo se utiliza
un condensador no polarizado y una resistencia. Este tipo de oscilador proporciona una
estabilidad mediocre en la frecuencia generada y podrá ser utilizado para aquellos
proyectos que no requieran precisión.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
113
En la figura siguiente aparece como debe conectarse el circuito RC al PIC
Figura 30. Conexión de la red R/C a la entrada OSC1 (patilla 16).
Es importante saber que para valores de resistencia menor a 4 K, el sistema se hace
inestable o se podría detener la frecuencia de oscilación totalmente. Para valores de
resistencias mayores a 100 Megas, el oscilador se hace susceptible al ruido, humedad y a
la temperatura por lo tanto se recomienda que este tipo de oscilador se encuentre en el
siguiente rango (5K < R < 100 K). Por otro lado se recomienda utilizar un condensador no
polarizado de 20 picoFaradios por el ruido del medio y la estabilidad del sistema.
A continuación se muestra una pequeña tabla de valores de frecuencia de oscilación
según el condensador y la resistencia. Tambi én es importante saber que la tensión de
alimentación que tendrá el microcontrolador influye directamente en la frecuencia final. En
la imagen de la figura número 31 se muestran algunas combinaciones de resistencias y
condensador. La tabla muestra una frecuencia máxima de 700 Khz basado en un
condensador de 300 pF.
Si nos damos cuenta, para algunos valores del voltaje, el valor de frecuencia se hace
verdadero para la expresión de la frecuencia que da la fórmula:
f=RXC
Donde C está expresado en Faradios y R en Ohmios. Por desgracia el punto en
el que coincide la frecuencia y el voltaje no es lineal para todos los valores de
V.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
114
Algunos valores de la frecuencia en función del voltaje aplicado.
En la siguiente gráfica, figura siguiente, tenemos que la máxima
frecuencia que podrá ser obtenida es de 1.80 Mhz colocando
un condensador de 100 pF.
Frecuencias obtenidas usando un condensador de 100 pF.
Finalmente en la tabla número 3 (figura 33) tenemos que la m áxima frecuencia obtenida
con un oscilador RC es de 5.5 Mhz utilizando un condensador de 20 pF.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
115
Resultados obtenidos para un oscilador RC que usa un condensador de 20 pF.
Circuitos alternativos
A continuación se exponen algunas configuraciones de oscilaciones distintos o
parecidos a los anteriores, que se pueden emplear con tres de los cuatro modos de
funcionamiento: XT, HS ó LS que deberán configurarse en los Fuses.
Oscilador externo
En ciertas ocasiones disponemos una fuente de reloj que proviene de una fuente externa
como puede ser un oscilador TTL o CMOS. La onda generada por esta fuente externa
puede servir para poner en funcionamiento el PIC. En la siguiente figura tenemos la forma
de conexionar la entrada digital a travçes de un inversor lógico.
Conexión de una fuente de señal externa. Como se puede observar, todos los circuitos
oscilatorios que se conectan al PIC a través de una sola patilla, van conectadas a la
entrada OSC1, dejando la entrada OSC2 abierta.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
116
Oscilador TTL
Este tipo de oscilador está basado en un Cristal que contiene toda la circuitería para
generar una onda cuadrada. Este ha de ser conectado como si de un generador de señal
externa se tratase. Al incluir toda la circuitería esto lo convierte en la opción más costosa;
pero representa la forma más práctica por la cantidad de conexiones y por la precisión en
la señal de reloj emitida. En la imagen de la figura 35 se muestra como debe conectarse
al microcontrolador y las características del cristal. Estos tipos de cristales están
diseñados especialmente para tecnologías TTL. La frecuencias disponibles para esta
versión de cristal son muy amplias y las mas usuales son 1 - 1.8432 - 2 - 4 - 8 - 10 11.059 - 12 - 14.31818 - 16 - 20 - 25 - 32 - 33 - 40 - 50 -80 y 100 Mhz.
Diagrama de conexión de un cristal de alta velocidad
Recuerde que según la frecuencia de la señal inyectada, debemos usar la opción LP
para frecuencias comprendidas entre 32 y 200 KHz, la opción XT para frecuencias
situadas entre los 100 KHz y los 4 MHz, y la opción HS para frecuencias comprendidas
entre 4 y 20 MHz (dependiendo esta última de la velocidad máxima permitida por el
PIC).
Resumen siglas Osciladores
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
117
b) Reset
El PIC “se resetea” cuando
la pata 4 (MCLR negada)
se pone a potencial bajo.
Para simplificar el circuito
de reset el PIC posee un
temporizador interno que
permite realizar un reset
automático
cuando
se
aplica tensión de 5V. En
estos
externo
implica
casos
de
el
el
circuito
reset
uso
de
sólo
un
resistor de 10kΩ entre la pata 4 y fuente tal como se muestra en la figura.
En muchos circuitos es necesario realizar un reset manual y para ello existen dos
posibilidades, una es utilizar sólo el temporizador interno (por programa) y la otra es
agregar una constante de tiempo exterior como se muestra en la figura. En el segundo
circuito C1
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
118
c) Patillas no utilizadas
d) Corrientes de Salida
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
119
c) Carga de sistema al microcontrolador.
Para el proceso de carga de un microcontrolador, es necesario tener las siguientes
consideraciones.
•
Creación
del
programa de control,
considerando
el
modelo disponible y
lenguaje que nos sea
amigable,
por
ejemplo PARSIC.
•
Conversión
del
lenguaje utilizado a
Código hexadecimal,
por ejemplo MPLAB.
•
Transferencia digital,
a través de una
interfaz
apropiada,
por ejemplo ICPROG
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
120
d) Circuitos de interfaz de programación.
A. Interfaz Serial. USO RECOMENDADO POR ICPROG.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
121
B. Interfaz paralela, para ser aplicada en Microcontroladores de 8, 20, 28 y 40 pin. Su
nombre de hardware es “PROPIC 2”.
En su primera etapa, se muestra la fuente de alimentación y los pines de salida del puerto
paralelo.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
122
PARTES ELEMENTALES PARA OPERAR SOFTWARE DE PROGRAMACION PARSIC.
Existen diversas maneras para programar un microcontrolador, ya sea directamente a
través del lenguaje de programación de maquina ASM, o a través de otros lenguajes que
trabajan en otro nivel como lo son el Lenguaje C, C++, etc. Sin embargo, producto de los
avances en estos mismos, es que se ha implementado un nuevo Software que permite su
programación de manera amigable, pero que tiene como prerrequisito para su
entendimiento, el tener conocimientos previos en el área de Electrónica Digital.
ü Selección del tipo de microcontrolador y configuración del reloj.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
123
ü Configuración de programas externos, en este caso indicamos donde esta el
ensamblador.
ü Partes elementales de su menu. (Textual de manual de operación de Parsic).
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
124
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
125
& Actividad.
1. Con que arquitectura trabaja el microcontrolador PIC16F84A y que lo caracteriza?
2. Que característica tiene el sistema RISC?.
3. Que misión tiene el reloj en un microcontrolador?.
4. Cuales son los puertos y patillas útiles del microcontrolador?.
5. A que se refiere la sigla HS, al momento de parametrizar el microcontrolador?.
6. A que se refiere la sigla XT, al momento de parametrizar el microcontrolador?.
7. Que condensadores se requieren para un oscilador a cristal, si este de de 4MHZ.?
8. Que ventajas desventajas presenta el oscilador RC?.
9. Que misión tiene el pin de RESET. Cuál es su numero?
10. Que precaución se debe tener con las patillas que no son utilizadas?
11. Dibuje de forma clara, la manera de como se debe conectar un microcontrolador
PIC16F84A, para hacer que RB0 y RB1 sean entradas y RB3 sea salida de un LED de
color Rojo, alimentado por 5 V.
12. Diseñar por completo un programa que permita el parpadeo de un LED, a través del
uso de un microcontrolador PIC16F84A, en la salida del pin RB2.
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
126
Mantenimiento, operación y diseño con dispositivos y circuitos electrónicos digitales
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