GUIA DE LABORATORIO # 4
SISTEMAS DIGITALES I

CIRCUITOS COMBINACIONALES TRANSCODIFICADORES

I.-INTRODUCCIÓN

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). En este trabajo se estudian las características y funcionamiento de este dispositivo.

II.-OBJETIVOS

OBJETIVO GENERALES.

1. Practicar el diseño sistemático de circuitos combinacionales orientados a aplicaciones prácticas, su simulación e implementación.
   


2. Verificar el funcionamiento y aplicaciones prácticas de los circuitos combinacionales en CIs de mediana escala de integración.
   

OBJETIVOS ESPECIFICOS

1. Verificar el funcionamiento del codificador en el Programa Simulador Proteus.


2. Una vez simulado Montar el circuito en el protoboard con los componentes.


3. Comprender el funcionamiento físico y estudiar las características del Diodo Emisor de Luz(LED).
   

III.- RESUMEN:

En esta práctica, el alumno:

1. Diseñará, utilizando el método de diseño de las tablas de Karnaugh, un circuito transcodificador del código binario natural de 4 bits a otro de 7 segmentos.


2. Realizará el circuito utilizando compuertas NAND, OREX y NOT.
   


3. Simulará el funcionamiento correcto del circuito utilizando el programa de simulación PROTEUS.
   


4. Realizará el circuito en protoboard.
   

• Procedimiento

Para obtener los diferentes valores en código binario natural con las variables de entrada, acondicionar los interruptores con las correspondientes resistencias de anclaje; asimismo, acondicionar las salidas con el circuito apropiado para la excitación de una pantalla tipo LED de 7 segmentos, considerando que la misma puede ser de ánodo o cátodo común.

Parte 2

• Procedimiento
  

Montar el siguiente circuito en el PROTEUS posteriormente el protoboard.
Verificar el funcionamiento del CI 74LS48 y relacionarlo con el circuito analizado en la parte 1.

El SN74LS48N es un decodificador de BCD a 7 segmentos consistente en compuertas NAND, Buffers de entrada y siete compuertas AND-OR-INVERSORES. Siete compuertas NAND y un driver son conectados en pares para aceptar datos en BCD, invertirlos y llevarlos a las AND-OR-INVERSOR. Las compuertas NAND restantes y los buffer de tres entradas proveen Lamp test y Blanking input para el LS48.

El circuito acepta cuatro bits de DECIMAL CODIFICADO EN BINARIO (BCD) y dependiendo del estado de las entradas auxiliares decodifica estos datos para manejar otros componentes. La posición relativa de los niveles lógicos de entrada también como las condiciones requeridas de las entradas auxiliares se muestran en la tabla de verdad.

El circuito LS48 incorpora las siguientes prestaciones:

§ Capacidad de modulación de intensidad luminosa de los segmentos (BI/RBO)
§ Pull-Ups internos eliminan la necesidad de resistencia externas
§ Diodos de enganche de entrada eliminan efectos de terminación de alta velocidad.

A continuación se presenta un circuito de aplicación que introduce un código BCD por el DIP y es presentado por el Display en 7 segmentos.

IV.- MARCO TEÓRICO

DIODO EMISOR DE LUZ

Un LED (Light Emitting Diode- Diodo 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) por la cara plana del foco o,
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 figurade abajo.

El chip tiene dos regiones separadas por una juntura. La región P está dominada por las cargas positivas, y la N por las negativas. La juntura actúa como una barrera al paso de los electrones entre la región P y la N; sólo cuando se aplica el voltaje suficiente al chip puede pasar la corriente y entonces los electrones pueden cruzar la juntura hacia la región P.

Si la diferencia de potencial entre los terminales del LED no es suficiente, la juntura presenta una barrera eléctrica al flujo de electrones.

Figura. figura de un led y su chip semiconductor

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.

Funcionamiento físico de un LED.

Al polarizar directamente un diodo LED 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.

Figura: Diodo emisor de luz con la unión polarizada ensentido directo

Figura :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.

Formatos y variedad de los LED’s.

Existe una gran variedad de formas, intensidades luminosas, dimensiones, colores, etc. Hay diversas empresas que ofrecen dispositivos que mejoran la eficiencia en la utilización de los LED, creando un soporte externo a éste que en la mayoría de casos es más bien de tipo mecánico. Por ejemplo, una de ellas, además de los LED’s con encapsulado SMD, los intermitentes que incorporan un circuito integrado en su interior para generar intermitencias de 3 Hz., y las matrices de LED’s miniatura, se dedica a fabricar principalmente reflectores, monturas, soportes, LED’s con cablecillos etc.

Diferentes formas de representación de caracteres con LED’s.

figura. Esquemas de aplicaciones de LED’s. Display de 7 segmentos

Figura . Esquemas de aplicaciones de LED’s

Decodificador 7 Segmentos

Muchas presentaciones numéricas en dispositivos de visualización utilizan una configuración de 7 segmentos, para formar los caracteres decimales del 0 al 9 y algunas veces los caracteres hexadecimales de A a F. Cada segmento está hecho de un material que emite luz cuando se pasa corriente a través de él. Los materiales que se utilizan mas comúnmente incluyen diodo emisores de luz (LED, por sus siglas en inglés) y filamentos incandescentes. Los patrones de segmento que sirven para presentar los diversos dígitos. Por ejemplo, para el dígito 6 los segmentos c, d, e, f y g se encienden, en tanto que los segmentos a y b se apagan.
Se utiliza un decodificador/manejador a 7 segmentos para tomar una entrada BCD de 4 bits y dar salidas que pasarán corriente a través de los segmentos indicados para presentar el dígito decimal. La lógica de este decodificador es más complicada que las que se analizaron anteriormente, debido a que cada salida es activada por mas de una combinación de entrada. Por ejemplo, el segmento e debe ser activado para cualquiera de los dígitos 0, 2, 6 y 8, lo cual significa que cuando cualquiera de los códigos 0000, 0010, 0110 o bien 1000 ocurra.

V.- LISTADO DE MATERIALES

1. Protoboard o entrenador digital
2. CIs TTL
3. Pantalla LED de 7 segmentos
4. Interruptores para entrada de datos.
5. Resistencias de 330Ohm, 10K, 4.7K 1/2W
6. Transistor NPN

VI.- LABORATORIO

Para realizar este laboratorio primeramente realizamos el circuito en el simulador proteus obteniendo estos dos circuitos:

Compuertas NAND

Compuertas AND, OR, NOT

Luego de haber verificado su obtimo funcionamiento, procedimos a realizar el decodificador en el entrenador.

VII.- CONCLUSIONES

A lo largo del curso su pudo aprender a utililiar el programa simulador proteus, asi tambien la utilizqcion del entrenador digital

que nos sirvio para montar los circuitos a utilizar luego de comprobar con anterioridad su funcionamiento en el proteus.

Tambien se pudo comprender el funcionamiento del diodo emisor de luz (LED), asi tambien como sus caracteristicas de funcionamiento, asi tambien sus diversas aplicaciones como por ejemplo el display de 7 segmentos que se utiliza para mostrar informacion acerca dekl estado de un aparato electronico.


VIII.- FE DE ERRATAS

Tardamos mucho en poder realizar nuestros laboratorios ya que no habian muchos entrenadores para poder montar los circuitos ni muchas computadoras para simular su funcionamiento.

al no poder montar bien nuestros circuitos se nos quemaban algunos componentes, tambien nos equivocabamos al utilizar integrados incorrectos

DISEÑO E IMPLEMENTACION DE CIRCUITOS COMBINACIONALES

INTRODUCCIÓN

Un circuito combinacional, como su nombre lo sugiere es un circuito cuya salida depende solamente de la combinación de sus entradas en el momento que se está realizando la medida en la salida.

Los circuitos de lógica combinacional son hechos a partir de las compuertas básicas AND, OR, NOT. También pueden ser construidos con compuertas NAND, NOR, XOR, que son una combinación de las tres compuertas básicas.La operación de los circuitos combinacionales se entienden escribiendo las ecuaciones booleanas y sus tablas de verdad

OBJETIVOS

Objetivo General.-

Diseñar e implementar circuitos lógicos combinacionales aplicando métodos de diseño sistemáticos e implementándolos con diferentes compuertas lógicas.

Objetivo Especifico.-

Diseñar un circuito lógico capas de detectar un numero primo en codificación BCD,

Diseñar un circuito lógico capaz de realizar el funcionamiento normal de un semáforo.

Realizar la simulación de cada circuito en PROTEUS y comparar los resultados.

RESUMEN

Los circuitos combinacionales son aquellos que no tienen en cuenta la variable tiempo. Están formados por combinaciones de puertas lógicas. En este artículo aprenderemos a diseñar circuitos sencillos a partir de los requerimientos de funcionamiento que se quiere que tengan.
Como su nombre lo sugiere es un circuito cuya salida depende solamente de la combinación de sus entradas en el momento que se está realizando la medida en la salida.

Los circuitos de lógica combinacional son hechos a partir de las compuertas básicas AND, OR, NOT. También pueden ser construidos con compuertas NAND, NOR, XOR, que son una combinación de las tres compuertas básicas.La operación de los circuitos combinacionales se entienden escribiendo las ecuaciones booleanas y sus tablas de verdad

Analizando el circuito, con compuertas digitales, que se muestra a continuación, se puede ver que la salida de cada una de las compuertas que se muestra depende únicamente de sus entradas.
La salida F variará si alguna de las entradas A o B o las dos a la vez cambian.

MARCO TEORICO

Circuitos Combinacionales:
Los circuitos combinacionales son aquellos que no tienen en cuenta la variable tiempo. Están formados por combinaciones de puertas lógicas. En este artículo aprenderemos a diseñar circuitos sencillos a partir de los requerimientos de funcionamiento que se quiere que tengan.
Los circuitos de lógica combinacional son hechos a partir de las compuertas básicas AND, OR, NOT. También pueden ser construidos con compuertas NAND, NOR, XOR, que son una combinación de las tres compuertas básicas.La operación de los circuitos combinacionales se entienden escribiendo las ecuaciones booleanas y sus tablas de verdad

Los circuitos combinacionales se construyen más a menudo con compuertas NAND o NOR más bien que con compuertas ÁND y OR. Las compuertas NAND y NOR son más comunes desde el punto de vista del hardware, ya que están disponibles en la forma de circuitos integrados.
Debido a la preeminencia de las compuertas NAND y NOR en el diseño de los circuitos combinacionales, es importante tener la capacidad de reconocer las relaciones que existen entre los circuitos construidos con compuertas AND OR y sus diagramas equivalentes NAND o NOR.
La función NOR es la dual de la función NAND. Por esta razón, todos los procedimientos para la lógica NOR forman un dual de los procedimientos y reglas correspondientes desarrollados para la lógica NAND. En esta sección se enumeran diversos métodos para la implementación y análisis de la lógica NOR por el seguimiento de la misma lista de tópicos usados para la lógica NAND.
Los circuitos digitales que hasta ahora se han considerado, han sido combinacionales, esto es, las salidas en cualquier momento dependen por completo de las entradas presentes en ese tiempo. Aunque cualquier sistema digital es suceptible de tener circuitos combinacionales, la mayoria de los sistemas que se encuentran en la practica tambien incluyen elementos de memoria, los cuales requieren que el sistema se describa en terminos de Logica Secuencial.
Circuito Secuencial:
Un diagrama a bloques de un circuito secuencial consta de un circuito combinacional al que se conectan elementos de memoria para formar una trayectoria de retroalimentacion. Los elementos de memoria son dispositivos capaces de almacenar dentro de ellos informacion binaria.La informacion binaria almacenada en los elementos de memoria en cualquier dado se define como el estado del circuito secuencial.
El circuito secuencial recibe informacion binaria de entradas externas. Estas entradas, junto con el estado presente de los elementos de memoria, determinan el valor binario en las terminales de salida. Tambien determinan las condiciones para cambiar el estado en los elementos de memoria.
Hay dos tipos principales de circuitos secuenciales. Su clasificacion depende del temporizado de sus señales. Un circuito secuencial sincrono es un sistema cuyo comportamiento puede definirse por el conocimiento de sus señales en instantes discretos de tiempo. El comportamiento de un circuito secuencial asincrono depende del orden en el cual cambian sus señales de entrada y puede afectarse en cualquier instante de tiempo.Los elementos de memoria que por lo comun se utilizan en los circuitos secuenciales asincronos son dispositivos de retardo de tiempo.La capacidad de memoria de un dispositivo de retardo de tiempo se debe al hecho de que toma un tiempo finito para que la señal se propague a travez del dispositivo.
Un sistema logico secuencial asincrono, por definicion, debe emplear señales que afecten los elementos de memoria solo en instantes discretos de tiempo. Una forma de lograr este objetivo es usar pulsos de duracion limitada a travez del sistema, de modo que una amplitud de pulso represente la logica 1 y otra amplitud (o la ausencia de pulso) represente la logica 0.
Los sistemas logicos secuenciales sincronos utilizan amplitudes fijas, como niveles de voltaje para señales binarias. La sincronizacion se logra a travez de un dispositivo sincronizador llamado reloj maestro generador, el cual genera un tren periodico de pulsos de reloj.Los pulsos de reloj se distribuyen a travez del sistema de tal forma que los elementos de memoria estan afectados solo por la llegada del pulso de sincronizacion.
Los elementos de memoria que se utilizan en los circuitos secuenciales de reloj se llaman flip-flops estos circuitos son celdas binarias capaces de almacenar un bit de informacon. Un circuito flip-flop tiene dos salidas, una para el valor normal y otra para el valor complementario del bit almacenado en el. la informacion binaria puede entrar a un flip-flop es una gran varidead de formas, hecho que da lugar a diferentes tipos de flip-flops.
Codificador:
Un codificador es un circuito combinacional con dos veces más entradas que salidas, cuya misión es presentar en la salida el código binario correspondiente a la entrada activada.
Existen dos tipos fundamentales de codificadores:
Los primeros solo admiten una entrada activada, codificando en la salida el valor binario de la misma y cero cuando no existe ninguna activa.
En los segundos puede haber más de una entrada activada, existiendo prioridad en aquella cuyo valor decimal es más alto.


LISTADO DE MATERIALES

-Protoboard o entrenador digital
-Circuitos integrados TTL
-Diodo LED
-Interruptores para entrada de datos.
-Resistencias de 330Ohm, 10K, 4.7K 1/2W
-Transistor NPN

LABORATORIO

Parte 1.

Realizar un circuito lógico combinacional en cuya salida conectará un diodo LED que iluminará cuando el número que ingresa mediante cuatro cifras binarias sea un número primo mayor a 3 y diferente de 11.

Para poder realizar este circuito primero se deberá realizar la tabla de verdad con sus respectivas salidas.

La función resultante reducida por la tabla de Karnout, y el circuito es:

Parte 2

Dado el siguiente circuito, determinar la función lógica en la salida de cada compuerta y la expresión lógica que realiza el circuito en su conjunto.

Como se puede ver en el diagrama anterior se necesitará varios componentes para poder realizar la función; pero, utilizando los conocimientos del algebra de boole se podrá simplificar la función. La función reducida es:

Parte 3

Diseñar un circuito lógico combinacional que indique mediante el encendido de un diodo LED, el funcionamiento normal de un semáforo.

La tabla de verdad de esta función es:

Llevando a la tabla de karnot para simplificar la función se puede observar que no se puede reducir, pero utilizando el código greey se puede simplificar, y la función quedará muy pequeña, se utilizara un solo componente para simular el semáforo.

CONCLUSIONES

- En este laboratorio se llega a la conclusión de que es importante el manejo de tablas de Karnot, como tambien el manejo de ciertos circuitos integrados.


FE DE ERRATAS

* Nos faltaron algunos componenetes para realizar nuestro laboratorio, asi como tambien el entranador trainner, no siempre lo usamos.

* Tuvimos problemas para realizar el circuito en el proteus ya que solo contabamos con una maquina pero, pese a estas dificultades, logramos realizar todos los experimentos.

SISTEMAS DIGITALES I
TRABAJO PRACTICO #3

1.- Un circuito lógico tiene cinco entradas y una salida. Cuatro de las entradas A, B, C y D representan un dígito decimal en BCD. La quinta entrada es de control. Cuando el control esté en 0 lógico, la salida estará en 0 lógico si el número decimal es par y en 1 lógico si es impar. Cuando el control esté en 1 lógico, la salida será 0 cuando la entrada sea un múltiplo de 3. En el resto de los casos la salida es irrelevante. Diseñar el circuito.

Realizando la tabla de verdad del problema:

Realizando la tabla de Karnout:

La funciòn simplificada es:

El circuito es:

2.- En un edificio de 6 pisos hay un ascensor el cual funciona de la siguiente forma: Existen 6 señales para indicar que se va a utilizar el ascensor, cada una es un pulsador en cada piso. Cuando un usuario desea utilizarlo oprime el interruptor del piso en el cual se encuentre, esto transmite una señal al sistema de control del ascensor. Esta señal llega en dos líneas C2,C1 C0 que indican en binario el número del piso desde el cual se solicita el ascensor. Diseñe un circuito digital que reciba las señales de los pulsadores de cada piso como entradas y que entregue al sistema de control del ascensor, C2, C1, C0. Además de esto, debido a que en 2 o más pisos pueden estarse activando 2 o más pulsadores al tiempo, debe diseñarse el circuito de tal forma que se le dé prioridad de atención a la señal del piso más alto activado.

Para resolver el problema se debe crear una variable que marque el Piso en Decimal (H), y cada piso correspondiente,(P1,P2,P3,P4,P5,P6); La salida seràn: C0, C1, C2.

La tabla de verdad serà:

Analizando para cada piso la convinaciòn se darà (H):



Representando en las salidas (C0,C1,C2) Tendrìamos:


La grafica de este Circuito es:

3.- En muchos automóviles, la alarma del cinturón de seguridad se usa también para indicar que se está dejando la llave en el contacto ó dejando las luces encendidas, cuando está desocupado. La siguiente proposición describe la forma en que puede funcionar dicho sistema: La alarma suena si la llave está en el contacto, cuando la puerta está abierta y el motor no está funcionando; o si las luces están encendidas cuando la llave no está en el contacto, o si el cinturón de seguridad del conductor no está ajustado cuando el motor está funcionando; o si el asiento del pasajero está ocupado y su cinturón de seguridad no se ha ajustado, cuando el motor está funcionando. Construya el circuito lógico correspondiente al sistema usando únicamente circuitos 7400.

Reduciendo la funcion por tabla de Karnot, la funcion quedaría:



El circuito, con los integrados 7400, queradría de la siguiente forma:

SISTEMAS DIGITALES I
TRABAJO PRACTICO #2

1.Reducir las funciones utilizando el método de las tablas de Karnaugh:

a)

b) :

c) :

primero, la funcion la llevamos a su primera forma canonica utilizando el teorema de De Morgan.

d) :

2. Demostrar mediante tablas de Karnaugh las siguientes igualdades:

a) :

b) :

3. Dada el siguiente esquema:

Diseñar los circuitos X e Y de manera tal que:

1. La salida I1 se active cuando un número impar de los interruptores SW se encuentren abiertos.
2. La salida I2 se active solamente cuando los interruptores SW se encuentren abiertos en combinación BCD.
3. La salida I3 se active cuando por lo menos uno o más interruptores pares se encuentren abiertos.
4. Las salidas F1 y F2 se activen de manera tal que indiquen el número de salidas F activadas simultáneamente.
5. Implementar el circuito utilizando el mínimo de compuertas posible.