2.3. De analógico a digital.

Transcripción

1 2.3. De analógico a digital. Supongamos que pretendemos desarrollar un sistema para recoger datos sobre la variación de temperatura a lo largo de un día. Usando un componente cuya resistencia varía en función de la temperatura (termistor NTC), realizando el montaje de un circuito similar al de la figura (1), y tras pasar un día entero anotando las indicaciones del voltímetro, podríamos haber obtenido una gráfica como la de la figura (2). figura (1) figura (2) Lo ideal sería que un ordenador realizara automáticamente la tarea. Pero los ordenadores sólo entienden de 5 V (lo que en el lenguaje del ordenador se traduce en un 1) ó 0 V (lo que se representa con un 0). No pueden almacenar valores como 3,2 V, 1,7 V ó 4,5 V El conversor analógico a digital (ADC). El problema planteado anteriormente se resuelve utilizando unos dispositivos llamados comparadores. Con estos dispositivos se pueden transformar esa señal tan compleja en ceros (0) y unos (1) exclusivamente. Observa que si la tensión de salida, Vs, es menor de 1V, la salida de todos los comparadores será 0 V y no se iluminará ningún LED. Si sube la temperatura y la tensión de salida, Vs, toma un valor entre 1V y 2 V, se ilumina el LED amarillo. De este modo, conforme va subiendo la temperatura, se van activando más LED. - ACTIVIDADES: 1. Teniendo en cuenta el modo en que varía la resistencia del NTC con la temperatura, calcula V, para 10º C, 20º C y 40º C. Indica después qué LEDs se encenderían en cada caso y el valor digital correspondiente. 2. Utilizando el sistema anterior, se programa un ordenador para que recoja datos cada hora. En el disco duro nos encontramos la siguiente información: a) Realiza una gráfica de la variación de temperatura con estos datos. b) Durante cuántas horas la temperatura fue muy alta (se encendieron todos los LEDs)?

2 Puertas lógicas. Comenzaremos aquí el estudio de la electrónica digital. Nos centraremos a partir de ahora en componentes que sólo admiten dos estados: abierto o cerrado, apagado o encendido, 0 ó 1. Reflexiona: El desarrollo de la electrónica ha permitido sustituir los interruptores por componentes denominados puertas lógicas, que permiten realizar operaciones sencillas con ceros y unos. Las puertas lógicas más importantes se denominan NOT, OR, AND, NOR, NAND y OR exclusiva. Puerta NOT (NO): La salida es el inverso de la entrada. La puerta NOT es una puerta lógica que consiste en un circuito integrado formado por varios componentes electrónicos.

3 Puerta OR (O): La salida es 0 solo cuando todas las entradas valen 0. Puerta AND (Y): La salida es el producto de las entradas. Reflexiona: Puerta OR exclusiva: La operación lógica que realiza una puerta OR exclusiva es más complicada que las anteriores. La salida sólo es 1 cuando las entradas son distintas.

4 - ACTIVIDADES: En el siguiente circuito formado por puertas lógicas aparece el valor de la salida cuando las entradas valen a = 0, b = 0 y c = 0. Completa la tabla de verdad que aparece en el margen para el resto de combinaciones de las entradas a, b y c Montaje de circuitos con puertas lógicas. Veamos, a continuación, cómo se monta un circuito con puertas lógicas. Al intentar realizar el montaje de la actividad anterior, surge una dificultad: utilizar cuatro tipos de puertas es caro y complicado, porque se necesitan cuatro circuitos integrados diferentes. Vamos a comprobar cómo puede simplificarse este montaje. Circuitos integrados: Las puertas lógicas se encuentran en los circuitos integrados. Los siguientes circuitos integrados están formados por puertas lógicas: Los circuitos integrados están constituidos de transistores. Según el tipo de transistores utilizados, se denominan TTL o CMOS,. Los circuitos fabricados con transistores CMOS admiten un rango de tensiones mayor. Puertas que sirven para todo: Las puertas NAND y NOR se conocen como puertas universales porque mediante ellas es posible obtener cualquiera de las otras. Los siguientes circuitos muestran cómo conseguir puertas NOT, OR y AND, a partir de puertas NAND: Es posible conseguir 5 V para nuestros montajes mediante un sencillo circuito: Con esto estamos en disposición de realizar el montaje usando sólo dos circuitos integrados 7400.

5 - ACTIVIDADES: 1. Comprueba que los circuitos equivalentes formados por puertas NAND hacen la misma función que las puertas NOT, OR y AND. Para ello realiza la tabla de verdad de cada uno de ellos. 2. Dibuja el circuito de la actividad anterior utilizando únicamente puertas NAND Puertas lógicas en un sistema electrónico. Las puertas lógicas pueden formar parte de la etapa de proceso de un sistema electrónico. El siguiente circuito se utiliza en una cadena de montaje para detectar piezas demasiado grandes: Cuando la pieza es demasiado grande se accionan los dos pulsadores simultáneamente, suena el timbre o zumbador. Observa que funciona directamente con 9 V porque se usa una puerta con transistores CMOS. - ACTIVIDADES: Este circuito permite decidir si se ve o no la televisión en una casa. Debe cumplir las siguientes condiciones: La decisión la toman solo los padres. Si los padres no se ponen de acuerdo, entonces es el hijo quien decide. a) Completa la tabla de verdad. b) Indica qué pulsador deben accionar la madre, el padre y el hijo.

6 Circuitos lógicos combinacionales. Algunos circuitos se obtienen combinando puertas lógicas. Para comprender la utilidad de estos dispositivos, analizaremos el siguiente circuito, que sirve para representar la tecla pulsada en un teclado: La salida (display de 7 elementos): Recibe este nombre un elemento formado por 7 LED que se utiliza para representar las cifras de 0 a 9. Como sabes, para iluminar un LED, es necesario que circule una corriente entre el ánodo y el cátodo del mismo. Para practicar : Monta el circuito de la figura. Introduce después las combinaciones necesarias de las entradas (de a a g) para representar las cifras de 0 a 9. a) Por qué crees que el display anterior se denomina de ánodo común?. b) Dibuja un esquema del display de cátodo común. La función de las resistencias en este circuito es limitar la corriente que atraviesa el LED para evitar que se destruya. La entrada (el teclado): El teclado permitirá detectar qué número ha sido pulsado. Tendrá diez salidas, como indica el esquema. Es preciso utilizar el mismo circuito para cada tecla. Observa que todas las salidas están a 1 (o lo que es lo mismo 5 V) si no se acciona ninguna tecla. Cuando se pulsa una de ellas, su salida pasa a 0 (es decir, cambia a 0 V).

7 El proceso: Habrás observado que es complicado manejar las entradas a, b, c, d, e, f y g, para representar los diez números decimales. Existe un circuito denominado decodificador BCD de 7 elementos que nos facilita la tarea: basta con introducirle el número en binario (mediante D, C, B y A) y él se encarga de activar las salidas necesarias. Es posible comprobar esto mediante el siguiente montaje: El problema no está resuelto aún. Mientras que el teclado nos facilita un número decimal de 0 a 9, el decodificador solo acepta número binarios. Es necesario, pues, que un circuito convierta el sistema decimal en binario!. Este circuito recibe la denominación de codificador de decimal a binario. Este circuito integrado tiene, a la entrada y a la salida, unos inversores que están representados con circulitos. De este modo, si se desea traducir a binario el 9, habrá que poner un 0 en esa entrada y un 1 en todas las demás: y esto es precisamente lo que realiza el teclado. Como el circuito integrado 7447 necesita los números en binario, el problema se soluciona añadiendo unos inversores a la salida del ACTIVIDADES: 1. Coloca todos los ceros y unos que aparecen en el circuito anterior cuando pulsamos el Tanto el codificador como el decodificador 7447 reciben el nombre de conversores de código. Por qué?

8 Otros circuitos combinacionales. Multiplexor y demultiplexor: Observa el siguiente circuito, que permite poner en contacto a dos personas para establecer una comunicación: En las centrales telefónicas se han sustituido los conmutadores mecánicos por unos circuitos digitales denominados multiplexor y demultiplexor. Funcionan como los conmutadores de arriba. Mediante las entradas de selección, se decide cuál de las entradas del multiplexor va a la salida. El demultiplexor funciona justo al revés: la única entrada se dirige a la salida seleccionada. Observa que en el multiplexor seleccionamos L 6 (110) para pasar a la salida. En el demultiplexor la entrada la dirigimos a L 3 (011). Comparador: El siguiente circuito compara dos números, A y B, de 4 bits. Solamente cuando son iguales, la salida de la puerta AND es 1: El circuito anterior podría servir como cerradura codificada. Si ponemos un valor fijo en las entradas B 3, B 2, B 1 y B 0, el solenoide solo se activará cuando coincidan con ellas las entradas A. Un solenoide está formado por una bobina que, al ser atravesada por la corriente eléctrica, es capaz de desplazar una barra metálica. Cuando desaparece la corriente, un muelle coloca la barra en su posición original.

9 - ACTIVIDADES: El circuito integrado 7485 funciona como comparador. Indica qué LED se encenderá en este montaje para los siguientes valores de A y B: Circuitos secuenciales. El dueño de un local para lavado automático de coches quiere instalar un sistema de luces que indique si el túnel de lavado está ocupado o no para que los vehículos esperen o entren. Imaginemos un túnel de lavado de coches en el que queremos instalar un sistema de luces que indique si el túnel de lavado está ocupado o no para que los vehículos esperen o entren. Con el dispositivo anterior, cuando un coche entre en el túnel acciona un pulsador y se enciende la luz roja. Al accionar el pulsador de salida, se apaga la luz roja y se enciende la verde. Cuando un coche acciona momentáneamente el pulsador de entrada, la entrada S de la puerta NOR pasa a 1. Si en una puerta NOR una de las entradas es 1, la salida es 0 ( = 0), y la luz verde estará apagada. En las entradas de la otra puerta NOR, = 0 y R = 0. Por consiguiente, = 1, y la luz roja se encenderá, indicando que el túnel está ocupado.

10 Lo interesante es que, si ahora se deja de accionar el pulsador de entrada (S pasa a 0), la luz roja sigue encendida!, pues al estar la otra entrada de la puerta NOR a 1, con independencia del valor de S, su salida será 0. El circuito formado con las puertas NOR recibe el nombre de biestable o flip-flop R-S. Observa que, cuando las dos entradas están a 0, no se sabe cuánto valen las salidas. Solamente se sabe que no cambian. El problema surge cuando las dos entradas están a 1 (un vehículo entra antes de que salga otro que ya está en el interior del túnel): se produce una situación anormal porque las dos luces se apagan. Biestables J-K: Debido al problema que se produce cuando las dos entradas están activas, el biestable R-S ya no se utiliza. Entonces, Cómo se puede resolver este problema? Realizando el montaje con un biestable muy parecido llamado J-K. Biestables J-K: Debido al problema que se produce cuando las dos entradas están activas, el biestable R-S ya no se utiliza. Entonces, Cómo se puede resolver este problema? Realizando el montaje con un biestable muy parecido llamado J-K. - ACTIVIDADES: 1. Qué crees que ocurre cuando el coche termina de entrar en el lavadero automático (S = 0)? Y cuando sale (R =1)? 2. Cómo están las luces en este circuito? Qué ocurrirá con las luces si el segundo circuito termina de entrar antes de que salga el primero? En la página web del fabricante del biestable J-K se puede leer que: La entrada de reloj es como un guardián. Solo deja que las entradas J y K tengan efecto en la salida cuando recibe un flanco de bajada. Qué es un flanco de bajada y cómo se produce? Como puedes ver en el siguiente circuito, cuando la LDR recibe luz, su resistencia es muy pequeña, y Vs = 5 V. Cuando la moneda tapa la LDR recibe luz, su resistencia aumenta, y V, pasa a ser 0 V. Esto es un flanco de bajada! el paso de 5 V a 0 V.

11 Observa el siguiente montaje y la tabla de verdad Probamos con todas las combinaciones de J y K, y tapamos momentáneamente la LDR para que tengan efecto en las salidas. Recuerda que solo podemos modificar las salidas cuando introducimos un flanco de bajada en la entrada del reloj. La diferencia principal con el biestable R-S es que si se mantienen las entradas a 1, J = K = 1, las salidas cambian su estado: si valía 1, pasa a 0 con el flanco de la señal del reloj, y si valía 0, pasa a 1. - ACTIVIDADES: 1. Indica el nombre de todos los componentes necesarios para realizar el siguiente montaje: 2. Cuándo se producirá un flanco de bajada en la entrada del reloj del primer biestable? Y en la del segundo? 3. Se acciona cuatro veces el pulsador y se obtiene la señal a la entrada de reloj que puedes observar en la ilustración de abajo. Indica lo que ocurre con las salidas 0 y 1 en cada uno de los instantes marcados.

12 Contadores. Dejar una entrada al aire en los circuitos integrados TTL equivale a introducirle un 1. Los contadores y los biestables se denominan cirucitos secuenciales porque las salidas en un instante dado dependen del valor de las mismas en instantes anteriores. Existen circuitos integrados que funcionan como contadores. Vamos a estudiar uno de ellos: el Veamos cómo está formado. La entrada C D de los biestables sirve para borrar las salidas. Si se desea que el contador funcione, debe ser C D = 1. Para ello, MR 1 o MR 2 deben ponerse a cero, conectándolas al polo negativo o masa.

13 - ACTIVIDADES: 1. Qué ocurriría en el circuito anterior si MR 1 y MR 2 estuvieran unidas a 1 y 3 en vez de a masa?. 2. Para contar de 0 a 7, no son necesarios todos los biestables del Indica cómo podría hacerse esa operación y dibuja el circuito La señal de reloj Prácticamente todos los aparatos electrónicos complejos trabajan al ritmo de una señal de reloj. Estudiaremos ahora cómo se produce una señal de reloj de modo que el contador funcione automáticamente. Para ello, hay que utilizar un circuito integrado: el 555. Circuito A Veamos lo que ocurre conforme aumentamos Ve: Si Ve = 0 V, entonces S = 1, R = 0 = 1 LED encendido. Cuando 3 V < Ve < 6 V S = 0, R = 0 no hay ningún cambio. Si Ve > 6 V S = 0, R = 1 = 0 = 0 LED apagado. Una forma de modificar el valor de Ve sin necesidad de intervenir en el montaje es usar la carga y descarga de un condensador a través de una resistencia. Inicialmente, el condensador está descargado (Ve = 0 V, S = 1, R = 0, = 1, = 0; el transistor está en corte) y comienza a cargarse a través de R 1 y R 2. Cuando el condensador sobrepasa la tensión de 6 V (Ve > 6 V), R = 1, S = 0 = 0, = 1, y el transistor pasa a saturación. A partir de este momento, el condensador empieza a descargarse a través de R 2 y el transistor. Cuando la tensión en el condensador baja de 3 V, es decir, cuando S = 1, R = 0 = 1, = 0, el transistor pasa a corte y comienza de nuevo la carga. El proceso anterior se repite ininterrumpidamente. La rapidez con que el condensador se carga y descarga depende del producto RC. Alcanza aproximadamente 2/3 del valor de la tensión de la pila en un tiempo t = RC = 10 s. Se descarga a 1/3 de su tensión en un tiempo t = RC = 5 s. El tiempo de carga del condensador es tc = 0,69(R 1 + R 2 )C, y el de descarga td = 0,69R 2 C. Con los valores indicados se consigue una señal de reloj de una frecuencia: f = 1/t = 1/(tc + td) 1 Hz.

14 - ACTIVIDADES: 1. A partir de R 1, R 2 y C, comprueba que en el circuito A de la página anterior f = 1 Hz. 2. Afecta la tensión de la pila a los tiempos de carga y descarga del condensador? 3. Analiza cómo funciona la siguiente alarma La medición del tiempo. Vamos a aprovechar que sabemos cómo generar un impulso cada segundo para diseñar un dispositivo capaz de medir el tiempo, en concreto uno que cuente segundos. Para ello, cuando el dispositivo haya contado 60, deberá comenzar de nuevo desde cero. Con el contador 7493 solo es posible contar hasta 15. Si combinamos dos contadores de este tipo se puede conseguir contar de 0 a 59. Recuerda que, cuando MR 1 = MR 2 =1, el contador se pone a cero. En el caso de las unidades, esto ocurre cuando 3 = 1 y 1 = 1, es decir, cuando el contador llega a diez (1010). Fíjate en que en el contador de las decenas los valores de las salidas han cambiado ( 3 = 4, 2 = 2, 1 = 1). Ello se debe a que la entrada de reloj se realiza a través de CP 1 y no se utiliza el primer biestable (salida 0 ). Observa el resultado Para terminar nuestro medidor de tiempo, podemos añadir unos displays de 7 segmentos, observemos el resultado:

15 - ACTIVIDADES: El circuito de la izquierda simula el lanzamiento de un dado. Cuando se acciona el pulsador comienzan a aparecer los números del 1 al 6 a gran velocidad. Al soltar el pulsador, el contador se detiene y aparece el resultado. Trata de completar el circuito. a) Calcula el valor de C para que la frecuencia del reloj sea de 2 Khz. b) Completa el diseño para que cuente de 0 a 5. c) Termina de unir las salidas de las puertas lógicas con las resistencias y los LED. (Nota: para cada combinación de 3, 2 y 1 deben iluminarse los LED adecuados.)