SISTEMAS DIGITALES

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

Diferentes formas de representación de caracteres con LED’s.

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

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.

Primeramente se procede a montar el integrado CI 74LS48, fijandose en el guia de este componente se conecta las entradas a un interruptor, y las sietes salidas del integrado van a las entradas del displey de 7 segmentos que visualizaremos.


VII.- CONCLUCIONES

En este laboratorio aprendimos la importancia que tienen los diodos de 7 segmentos, porque nos visualiza los números decimales que nos pueden indicar: temperatura, horario u otras aplicaciones que puedan tener. También es importante el decodificador ya que este sistema transforma el código binario a bcd con el cual podemos observar mediante el displey.

VIII.- FE DE ERRATAS

Se debe tener cuidado cuando se conecta el Voltaje de 5v, si se conecta incorrectamente puedem dañarse los componentes.
No se contaba con los interruptores para realizar las entradas del decodificador, pero cuando se desocupó el entrenador se montó el circuito.
No existe suficientes entrenadores en el laboratorio como para cubrir a todos los grupos.

La tabla de karnout de esta función es:

Una vez acabada las tablas de karnout se realiza la reducción mínima de la función. Para luego ensamblar el circuito con las funciones dadas.

El Circuito dado es:

2.- Diseñar un circuito combinacional que acepte una entrada de tres bits, para generar en su salida el equivalente binario del cuadrado del valor binario de los bits de entrada.

Realizando la tabla de Verdad:

Para el funcionamiento optimo del circuito debemos realizar el mapa de Karnout de cada uno de las funciones de salida(N,M,W,X,Y,Z); y asì resolverá el problema planteado.

Las funciones son:

Función N

Función M

Función W

Función X

Función Y

La función W no se habilita con ninguna de las combinaciones, por lo tanto no se puede realizar el mapa de Karnout.

Función Z

Uniendo todas las funciones dadas realizamos el circuito que es:

3.-Diseñar un circuito con compuertas NOR para la detección de un código diferente al BCD.

Realizando la tabla de verdad del problema planteado

Realizando el mapa de Karnout de la función Z.

La función Obtenida será:

Según la función obtenida el circuito quedará:

---------------------------------------------------------------------------------------

Nombre: Henry Huañapaco Lima

Codigo: C428-6

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.

Realizando la tabla de verdad:

Utilizando la tabla de Karnout para simplificar la funciòn:

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

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

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 podemos llegar a la conclusión que es importante el manejo de tablas de Karnot, como tambien el conocimiento de algebra booleana, para facilitarnos la reducción de las funciones y así poder utilizar menos componentes para el funcionamiento del circuito.



FE DE ERRATAS

- El problema que se nos presentò fue que no tuvimos el numero de componentes necesarios para poder diseñar los circuitos, ya que se necesitaba dos integrados del mismo tipo para poder realizarlos y solo contabamos con uno.

-Al simplificar la funciòn nos dio como resultado una compuerta nor-ex (Parte 3) y solo contabamos con las compuertas bàsicas. Para diseñar este circuito tuvimos que aplicar D`Morgan y trabajar con compuertas basicas.

- Para poder realizar el circuito de la Parte 2 se necesitaba compuertas nor-ex, nand, nor, cosa que no contabamos con esos integrados en ese preciso instante, pero aplicando algebra booleana nos percatamos que el circuito era similar al de la parte 1, solo se negava la salida total.