Electrónica de control 6

ELECTRÓNICA DE CONTROL

Sexta Practica:Circuitos electrónicos

digitales.

OBJETIVOSOBJETIVO GENERAL• comprender y aplicar los conocimientos básicos de circuitos

electrónicos digitales.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS• Comprender los sistemas numéricos binarios así como la

importancia de los códigos binarios y las operaciones aritméticas en los sistemas digitales.

• Reconocer las funciones booleanas así como se familiarizara con las diversas compuertas lógicas y sus diferentes representaciones.

• Identificar las funciones de los circuitos integrados.

MARCO TEÓRICO

• INTRODUCCIÓNPodemos dividir la electrónica en dos grandes campos: la

electrónica analógica y la electrónica digital, según el tipo de señales que utilice.

Llamamos señal, a la variación de una magnitud que permite transmitir información. Las señales pueden ser de dos tipos:

Señales analógicas: son las señales que varían de forma continua en el tiempo entre dos valores extremos, pudiendo adoptar cualesquiera de los infinitos valores intermedios entre los anteriores.

Señales digitales: son las señales que pueden adoptar sólo algunos valores concretos.

Hoy en día, con la creciente complejidad de los procesos industriales y de los elementos necesarios para su control, los grandes volúmenes de información que es necesario tratar, la revolución de las comunicaciones, etc., se hacen imprescindibles métodos de control electrónico cada vez más sofisticados. En este contexto, las señales digitales presentan importantes ventajas frente a las analógicas, como son su mayor inmunidad a las interferencias, mayor simplicidad de tratamiento, economía de circuitos, etc.

En electrónica digital se utilizan señales que pueden adoptar únicamente dos valores bien diferenciados. Por ello, estas señales se denominan señales binarias.

Los circuitos digitales estarán compuestos por dispositivos capaces de distinguir y de generar señales binarias; como veremos, los dispositivos electrónicos digitales más básicos, y a partir de los cuales están constituidos todos los demás, se denominan puertas lógicas.

• SISTEMA DE NUMERACIÓN BINARIO.

Los circuitos digitales utilizan para su trabajo el sistema de numeración binario, que utiliza únicamente dos signos, el 0 y el 1. A cada uno de estos símbolos se le denomina bit.

El sistema decimal es de base 104508 = 4 · 10^3 + 5 · 10^2 + 0 · 10^1 + 8 · 10^0

El sistema binario es de base 2110101 = 1·2^5 + 1·2^4 + 0·2^3 + 1·2^2 + 0 ·2^1 + 1·2^0

hay dos tipos de código binario: el natural y el BCD

• EL ÁLGEBRA DE BOOLE.Como hemos dicho, los circuitos digitales operan con señales

binarias, de forma que sólo distinguen entre dos valores de tensión: nivel alto y nivel bajo. Los niveles de tensión dependerán de la tecnología utilizada. Por ejemplo, con los dispositivos de tecnología TTL, el nivel alto es 5 V y el nivel bajo 0 V. Para la codificación binaria de las señales, al nivel alto se le asigna el 1 y al nivel bajo el 0 (aunque puede ser al contrario).

Ahora bien, los circuitos digitales deben realizar a menudo operaciones de gran complejidad, de forma que el diseño del circuito no es simple. Es necesaria una herramienta matemática útil para abordar el diseño de estos circuitos. Dicha herramienta es el álgebra de Boole.

El álgebra de Boole es aplicable a variables que sólo admiten dos valores posibles, que se designan por 0 y 1. Estos símbolos no representan números, sino dos estados diferentes de un dispositivo. Por ejemplo, una lámpara puede estar encendida (1) o apagada (0), un interruptor o un pulsador pueden estar cerrados (1) o abiertos (0).

• FUNCIÓN LÓGICA Y TABLA DE VERDAD.

Llamamos función lógica a toda variable binaria cuyo valor depende de una expresión matemática formada por otras variables binarias relacionadas entre sí por las operaciones + (más) y * (por). A la función lógica se le denomina variable dependiente y a las variables que forman la ex-presión matemática se les denomina variables independientes.

la función S = a + b * c

Las funciones lógicas se representan mediante las llamadas tablas de verdad, en las cuales se indican los valores que adopta la función lógica ante todas y cada una de las combinaciones de valores de las variables independientes. Si tenemos n variables independientes, tendremos 2^n combinaciones posibles.

• LAS OPERACIONES BÁSICAS DEL ÁLGEBRA DE BOOLE.Se definen tres operaciones básicas: la suma lógica, el

producto lógico y la complementación (o negación).

– suma lógica o compuerta OR

– Producto lógico o compuerta AND

– Complementación o compuerta NOT

• PROPIEDADES DEL ÁLGEBRA DE BOOLE.

• OTRAS PUERTAS LÓGICAS.– Puerta NOR

– Puerta NAND

– Puerta EXOR

• OTROS ELEMENTOS DIGITALES

Multiplexores o multiplexadoresUn multiplexor es un circuito combinacional con 2n líneas de

entrada de datos, 1 línea de salida y n entradas de selección. Las entradas de selección indican cuál de estas líneas de entrada de datos es la que proporciona el valor a la línea de salida.

También se pueden construir multiplexores con mayor número de entradas utilizando multiplexores de menos entradas, utilizando la composición de multiplexores.

En electrónica digital, es usado para el control de un flujo de información que equivale a un conmutador. En su forma más básica se compone de dos entradas de datos (A y B), una salida de datos y una entrada de control. Cuando la entrada de control se pone a 0 lógico, la señal de datos A es conectada a la salida; cuando la entrada de control se pone a 1 lógico, la señal de datos B es la que se conecta a la salida....

El multiplexor es una aplicación particular de los decodificadores, tal que existe una entrada de habilitación (EN) por cada puerta AND y al final se hace un OR entre todas las salidas de las puertas AND.

CodificadoresLos codificadores nos permiten “compactar” la información,

generando un código de salida a partir de la información de entrada.

Imaginemos que estamos diseñando un circuito digital que se encuentra en el interior de una cadena de música. Este circuito controlará la cadena, haciendo que funcione correctamente.

• DecodificadorUn decodificador es un circuito integrado por el que se

introduce un número y se activa una y sólo una de las salidas, permaneciendo el resto desactivadas.

Imaginemos que queremos realizar un circuito de control para un semáforo. El semáforo puede estar verde, amarillo, rojo o averiado. En el caso de estar averiado, se activará una luz interna “azul”, para que el técnico sepa que lo tiene que reparar. A cada una de estas luces les vamos a asociar un número. Así el rojo será el 0, el amarillo el 1, el verde el 2 y el azul (averiado) el 3.

Flip flops

Es un dispositivo biestable  oscilador capaz de generar una onda cuadrada.

Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica digital para memorizar información. El paso de un estado a otro se realiza variando sus entradas. Dependiendo del tipo de dichas entradas los biestables se dividen en:

Asíncronos: sólo tienen entradas de control. El más empleado es el biestable RS.

Síncronos: además de las entradas de control posee una entrada de sincronismo o de reloj. Si las entradas de control dependen de la de sincronismo se denominan síncronas y en caso contrario asíncronas. Por lo general, las entradas de control asíncronas prevalecen sobre las síncronas.

La entrada de sincronismo puede ser activada por nivel (alto o bajo) o por flanco (de subida o de bajada). Dentro de los biestables síncronos activados por nivel están los tipos RS y D, y dentro de los activos por flancos los tipos JK, T y D.

Los biestables se crearon para eliminar las deficiencias de los latches.

• CIRCUITO INTEGRADO

Aquel en que todos sus componentes e interconexiones están fabricados sobre un soporte físico semiconductor, formando un único bloque de pequeño tamaño (CHIP).

Familia lógica : Conjunto de bloques estándar fabricados con la misma tecnología, de forma que presentan propiedades electrónicas similares y compatibles entre si.

• Basadas en transistores bipolares: – TTL (Transistor-Transistor Logic)

• Baja potencia (L)• Rápida (F)• Shottky TTL (S, LS, ALS, AS)

– ECL (Emitter Coupled Logic): 10K, 100K, E-Lite

• Basadas en transistores MOS: PMOS, NMOS, CMOS– CMOS (Complementary MOS)

• HC (High-Speed), • HTC (HC compatible con TTL), AHC (“advanced” HC),VHC, VHCT…

• Basadas en BJT y MOS: (BiCMOS)

• CIRCUITOS INTEGRADOS COMERCIALES CON PUERTAS LÓGICAS DE TECNOLOGÍA TTL.

Los circuitos integrados de puertas lógicas más populares son los de la serie 74LSXX, fabricados con tecnología TTL. Son circuitos de 14 patillas que se alimentan a + 5 V. La patilla 7 es la que se conecta a masa (0 V) y la patilla 14 la que se conecta a 5 V. Las restantes patillas son las entradas y salidas de las puertas.

Para algunas funciones lógicas existen puertas de más de dos entradas (3, 4 e incluso 8 entra-das).

• DISEÑO DE CIRCUITOS DE PUERTAS LÓGICAS.

El método más simple, cuando el número de variables de entrada no es grande, consiste en obtener la tabla de verdad de la función lógica a partir de las condiciones físicas de funcionamiento del circuito que quiero diseñar.

Después obtendremos la función lógica a partir de dicha tabla de verdad y por último se simplifica esta función lógica.

Para obtener la función lógica se suman todos los productos lógicos correspondientes a las combinaciones que dan salida 1, asignando al valor 1 la variable en estado normal (a) y al valor 0 la variable en estado complementada (a').

Obtención de la función lógica

Para obtener la función lógica se suman todos los productos lógicos correspondientes a las combinaciones que dan salida 1, asignando al valor 1 la variable en estado normal (a) y al valor 0 la variable en estado complementada (a').

Simplificación de funciones lógicas.

Simplificación por el método algebraico: Consiste en utilizar las propiedades y teoremas del álgebra de Boole que hemos visto para agrupar y simplificar los términos de la función lógica.

Método gráfico de Karnaugh: A diferencia del método anterior, el método de Karnaugh asegura obtener la expresión irreducible mínima de una función lógica.

Desde la tabla de verdad, se trasladan a la tabla de Karnaugh los valores que adopta la variable de salida cuya función lógica se quiere simplificar.

• Se realizan los posibles agrupamientos de 2^n unos sin importar que el uno pertenezca a otro grupo de unos

Realización del esquema del circuito a partir de su función lógica: Una vez que tenemos la función lógica ya simplificada, procedemos a implementarla con puertas lógicas.

• COMPROBACIÓN DE UN CIRCUITO INTEGRADO CON COMPUERTAS LÓGICAS

– Buscar la configuración de pines en su datasheet– Alimentar el circuito– Localizar los pines de entrada y salida de datos– Colocar un visualizador (LED) en la salida– Comprobar según la tabla de la verdad el correcto funcionamiento de

cada compuerta– Tener en cuenta que al dejar una entrada sin conectar el integrado el

asume que en ese pin hay un 1 lógico

• DISEÑO DE CIRCUITOS DIGITALES EN CROCODILE.