Práctica 0.- Introducción

Transcripción

1 Curso 2004/ Objetivos. Práctica 0.- Introducción El objetivo de esta práctica consiste en la realización de un pequeño montaje, así como su simulación, para que el alumno se familiarice con el laboratorio y su instrumental. Problema. Se dispone del siguiente circuito, donde hemos utilizado puertas AND que realizan el producto lógico u operación AND y puertas OR que realizan la suma lógica u operación OR: A B C Puerta AND Puerta OR F Se pide realizar las siguientes tareas: Obtener de forma teórica el valor de la señal de salida (F) para todas las combinaciones de las tres señales de entrada (A, B, C), así como pasarla a un cronograma. Obtener mediante simulación el cronograma de la señal F recorriendo todas las combinaciones posibles de las señales de entrada. Para ello, y de forma previa, se debe obtener el retraso máximo del circuito.pasar del cronograma obtenido a una tabla de combinaciones (esperar a que el circuito haya finalizado la operación para incluirla en la tabla). Montar el circuito y obtener el valor de la señal de salida para todas las combinaciones de las señales de entrada. Qué valores obtenemos si no conectamos la alimentación?, y si no conectamos la tierra?, y si no conectamos ni la alimentación ni la tierra?

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3 Curso 2004/ Estudio teórico. Solución de la Práctica 0 El circuito de la figura está formado por una puerta AND, que realiza el producto lógico, y una puerta OR, que realiza la suma lógica. El comportamiento de estas operaciones es el mostrado en la siguiente tabla. A B A B A+B Por lo tanto, el valor de la señal F será el mostrado en la siguiente tabla. A B C A B F El cronograma se muestra a continuación (incluiremos un retraso hipotético para cada combinación). A B C A B F Deberá aparecer este pequeño pulso, ya que la señal C baja antes que suba el producto A B

4 Curso 2004/ Simulación. En primer lugar debemos conocer el retraso máximo del circuito. Este retraso será el correspondiente a la suma de las puertas que estén conectadas en serie (una detrás de otra). En el caso de que existan más de un grupo de puertas conectadas de esta forma, nos quedaremos con la suma máxima. En nuestro caso particular tenemos conectadas en serie una puerta AND y una puerta OR. Luego el retraso máximo será la suma de los retrasos de la puerta AND y la puerta OR. Los retrasos de las diferentes puertas son: ( )/2 = ns para la puerta AND ( )/2 = 12 ns para la puerta OR Luego el retraso máximo será igual a ns. La descripción del circuito será la siguiente: -- Descripción del circuito -- Declaración de la entidad entity pract_0 is port(a,b,c : in bit; F : out bit); end pract_0; -- Declaración de la arquitectura architecture primera of pract_0 is signal S1 : bit; begin -- En el asignamiento se introduce el retraso -- correspondiente a la puerta S1 <= A and B after 14.75ns; F <= C or S1 after 12ns; end; Para comprobar que el comportamiento es el correcto debemos realizar una simulación. Para realizar la simulación debemos describir un nuevo sistema, que siempre vamos a denominar test. Este sistema no tendrá comunicación con el exterior, y contendrá el circuito que se quiere simular y los estímulos (combinaciones) de las señales de entrada que se quieran considerar. Un posible esquema de un sistema de test se muestra a continuación. -- Declaración de un sistema de test -- Declaración de la entidad entity test is end test; -- Declaración de la arquitectura architecture primera of test is signal S1, S2, S3, S4: bit; component pract_0 port( A,B,C : in bit; F : out bit);

5 Curso 2004/ end component; for all:pract_0 use entity work.pract_0; begin B1: pract_0 port map (S1, S2, S3, S4); -- El tiempo de paso de cada combinación debe ser -- mayor que el retraso máximo del circuito (27ns) -- En este caso hemos elegido 50ns S1 <= 0, 1 after 50ns, 0 after 100ns, 1 after 150ns, 0 after 200ns, 0 after 250ns, 1 after 300ns, 0 after 350ns, 1 after 400ns; S2 <= 0, 1 after 100ns, 0 after 200ns, 1 after 300ns, 0 after 400ns; S3 <= 0, 1 after 200ns, 0 after 400ns; end; Se ha simulado el modelo y hemos obtenido las siguientes formas de onda. Pulso detectado en el estudio teórico A B C F

6 Curso 2004/ Montaje. El montaje que se debe realizar puede ser el mostrado en la siguiente figura A B C 7432 F A B masa C F Una vez realizado el montaje, chequeamos en un LED el valor de la señal F, obteniendo el siguiente comportamiento. A B C F A la vista de la tabla anterior podemos comprobar que el comportamiento es el mismo que el obtenido en el estudio teórico y en la simulación. En el supuesto de que no conectásemos la alimentación de los integrados, podemos comprobar que la señal F siempre tiene un valor bajo, independientemente del valor de las señales de entrada. En el supuesto de que no conectásemos la tierra de los integrados, podemos comprobar que la señal F siempre tiene un valor alto, independientemente del valor de las señales de entrada. En el supuesto de que no conectásemos ni la alimentación ni la tierra de los integrados, podemos comprobar que la señal F siempre tiene el mismo valor, independientemente del valor de las señales de entrada.

7 Curso 2004/ Objetivos. Práctica I.- Álgebra de Boole I El objetivo de esta práctica consiste en utilizar y verificar las leyes y teoremas del álgebra de Boole, así como aplicar los criterios de minimalidad estudiados en las clases teóricas. Problema. Un estudio llevado a cabo sobre el crecimiento de dos clases diferentes de fresas, se han obtenido los siguientes resultados: Clase A crece adecuadamente cuando: está iluminada y bien regada está iluminada y bien abonada Clase B crece adecuadamente cuando: no está iluminada y bien abonada no está regada y bien abonada para el que se disponen de sensores de iluminación (I), abono (A) y riego (R). Se nos ha indicado que cualquiera de las siguientes fórmulas lógicas implimenta el sistema de detección anterior: F A (I, A, R) = I A + I R F B (I, A, R) = I A + R A F A (I, A, R) = I (R+A) + A F B (I, A, R) = I A R + I R A + I R A F A (I, A, R) = I (R+A) F B (I, A, R) =A (R+I) F A (I, A, R) = I A + I R A F B (I, A, R) = R A + I R A Según estas fórmulas se pide lo siguiente: Averiguar cuál de estas fórmulas son equivalentes mediante el Álgebra de Boole. Averiguar cuál de estas fórmulas son equivalentes mediante la tabla de combinaciones, así como generar los cronogramas equivalentes. Aplicar los criterios de minimalidad a cada una de las fórmulas, cuantificando cada uno de ellos. Indicar cuáles son las fórmulas mínimas de las diferentes funciones implementadas. Indicar cuáles de las fórmulas implementan el sistema de crecimiento descrito. Realizar la simulación de todas las fórmulas, con el fin de verificar los puntos anteriores. Como resultado, se debe indicar el cronograma de salida, así como la tabla de combinaciones equivalente.

8 Curso 2004/ Realizar el montaje de las fórmulas que implementan el sistema de detección. (Para ello construir el circuito lógico equivalente para cada caso. Si hay algún operador que no tenga un equivalente directo en el laboratorio, por el número de entradas, aplicar las leyes asociativas para obtenerlo). I R A F A F B

9 Curso 2004/ Práctica II.- Puertas lógicas compuestas Objetivos. Introducir al alumno en la utilización y propiedades de puertas compuestas como puertas NAND, NOR y XOR. Problema 1. Una empresa de componentes electrónicos tiene un exceso de puertas NOR. Luego se nos ha encargado tratar de convencer a un comprador que puede implementar cualquier circuito utilizando únicamente este tipo de puertas. Para ello, se pide lo siguiente: Obtener de forma teórica la transformación del conjunto completo formado por puertas AND, OR e inversores. Obtener de forma teórica como se realizaría una puerta NOR de cuatro entradas utilizando únicamente puertas NOR de dos entradas. Transformar la fórmula F(x,y,z) = (x+y) y z, de tal forma que solamente se utilicen puertas NOR, y comprobar que ambas fórmulas corresponden a la misma función de conmutación. Realizar la transformación de los puntos anteriores mediante simulación. Pasar del cronograma obtenido mediante simulación a la siguiente tabla de combinaciones. U X Y Z X X+Y X Y X+Y+Z+U F AND,OR,INV F NOR

10 Curso 2004/ Comprobar la equivalencia de las fórmulas de F(x, y, z), utilizando puertas AND, OR e inversores, y utilizando únicamente un integrado de puertas NOR, mediante montaje. Para ello, rellenar la siguiente tabla para su posterior comparación. Problema 2. X Y Z F AND,OR,INV F NOR Seguidamente nos encontramos en una situación muy similar a la del problema anterior, pero con las puertas XOR. En este caso se pide: Demostrar teóricamente que las puertas XOR cumplen la propiedad asociativa. En el caso de que las puertas XOR no formen un conjunto completo, encontrar un conjunto de puertas completo en el que se encuentren las puertas XOR y solamente otro tipo de puerta más, es decir, los conjuntos podrían ser los siguientes: {XOR, AND}, {XOR, OR}, {XOR, INV} (Se tienen disponibles los dos niveles lógicos). Transformar la fórmula F(x,y,z) = (x+y) y z, de tal forma que solamente se utilicen puertas del conjunto seleccionado, y comprobar que ambas fórmulas corresponden a la misma función de conmutación. Realizar la transformación de los puntos anteriores mediante simulación. Para ello se deberá pasar el cronograma a una tabla equivalente a la del problema anterior. U X Y Z X X+Y X Y X (Y Ζ) (X Y) Ζ F AND,OR, INV F NOR

11 Curso 2004/ Comprobar la equivalencia de las fórmulas de F(x, y, z), utilizando puertas AND, OR e inversores, y utilizando el conjunto seleccionado, mediante montaje. Para ello, rellenar la siguiente tabla para su posterior comparación. X Y Z F AND,OR,INV F NOR

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13 Curso 2004/ Objetivos. Práctica III.- Análisis de Circuitos combinacionales (I) Esta práctica tiene como principal objetivo introducir al alumno en la problématica del análisis transitorio de los circuitos combinacionales. Problema 1. Se pide estudiar los azares de los siguientes circuitos. X X x5 Y x5 F Z Este estudio deberá incluir los siguientes pasos: Realizar un estudio teórico del estado transitorio de los circuitos anteriores. Para ello considerar los hipotéticos retrasos de cada puerta que exista en el circuito, y determinar la relación que debe existir entre los diferentes retrasos para que los posibles azares se muestren en la señal de salida, tras rellenar el siguiente cronograma. Z Y X F Realizar las simulaciones de los circuitos con los retrasos obtenidos de las hojas de especificaciones de las puertas involucradas (para ello utilizar el siguiente ). Comprobar que las relaciones temporales obtenidas en el punto anterior se verifican en la simulación.

14 Curso 2004/ Z Y X F Z Y X F Montar los circuitos y comprobar en el osciloscopio la presencia o ausencia de azares. Para ello conectar la entrada X a la señal de reloj suministrada por el entrenador a una frecuencia de 100 khz, mientras que las señales Y y Z irán a conmutadores para comprobar que los azares sólo se ven para las condiciones obtenidas en el primer punto, rellenando los siguientes cronogramas Z Y X F Z Y X F Para qué transiciones se producen los azares de cada circuito? por qué?

15 Curso 2004/ Obtener en el laboratorio los retrasos de varias puertas de una misma función lógica, de varios circuitos integrados diferentes:. En el caso de puertas de dos entradas, conectar una de ellas a la señal de reloj anterior y la restante al valor lógico que se comporta como elemento neutro. Función lógica 1º CI 2º CI 3º CI 4º CI Puerta AND (2 entradas) Puerta NAND (2 entradas) Puerta OR (2 entradas) Puerta NOR (2 entradas)

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17 Curso 2004/ Objetivos. Práctica IV: Análisis de Circuitos Combinacionales (II) Esta práctica tiene como principal objetivo introducir al alumno en la problématica del análisis de los circuitos combinacionales. Problema 1. Una empresa de telecomunicaciones dispone del siguiente circuito lógico: b 0 b 1 b 2 F1 F2 donde b 2, b 1 y b 0 son los bits correspondientes a una palabra de código y las salidas F1 y F2 detectan cuáles de las combinaciones binarias pertenecen realmente al código de la empresa (siempre y cuando alguna de las salidas se active). Se pide lo siguiente: Determinar cuáles son las palabras de código con las que trabaja la empresa. Realizar un análisis transitorio para deducir la posibilidad de problemas debido al estado transitorio del circuito. También, según los retrasos indicados en las hojas de especificaciones, cuantificar el retraso del camino crítico.

18 Curso 2004/ Realizar la simulación del circuito para comprobar el análisis estacionario. En el cronograma deberá aparecer la salida de la puerta OR de dos entradas, además de las señales de entrada y salida. También se deberá obtener la tabla de combinaciones a partir del cronograma. Comprobar mediante emulación el análisis estacionario del circuito.

19 Curso 2004/ Objetivos. Práctica V: Diseño de Circuitos Combinacionales Esta práctica tiene como principal objetivo introducir al alumno en la problématica del diseño de los circuitos combinacionales. Problema. Una empresa de telecomunicaciones dispone de un cricuito del que sólo se conoce su comportamiento. Este comportamiento es el mostrado por el siguiente cronograma. X Y Z F 1 F 2 F 3 Dicha empresa desea obtener un circuito equivalente, que muestre el comportamiento anterior. El diseño debe tener los siguientes pasos: Pasar el cronograma anterior a una tabla de combinaciones. X Y Z F 1 F 2 F Realizar el diseño de forma teórica, considerando que las dos salidas son independientes. Realizar el diseño de forma teórica, considerando que las dos salidas pertencen a una misma función multisalida.

20 Curso 2004/ Obtener las tablas de combinaciones de los circuitos obtenidos en los dos apartados anteriores. Salidas independientes Multisalida X Y Z F 1 F 2 F 3 F 1 F 2 F Aplicar los cirterios de minimalidad a ambas soluciones, e indicar cuál es la fórmula mínima. Verificar ambas soluciones mediante simulación, comprobando que son representaciones de la misma función. Para ello, pasar de los cronogramas a una tabla de combinaciones. Salidas independientes Multisalida X Y Z F 1 F 2 F 3 F 1 F 2 F Comprobar mediante emulación el diseño mínimo. Para ello completar la siguiente tabla de combinaciones. X Y Z F 1 F 2 F

21 Curso 2004/ Objetivos. Práctica VI: Diseño y Análisis de Circuitos Combinacionales MSI Esta práctica tiene como principal objetivo introducir al alumno en la problématica del diseño y análisis de los circuitos combinacionales, utilizando dispositivos MSI. Problema. Una empresa de electrodomésticos desea cambiar la implementación de una función de control. Esta función tiene la siguiente implementación: 0 X F 1 X X 2 X 3 1 CS 2 3 X 0 1 F 2 0 Se pide lo siguiente: Obtener la función lógica que implementa dicho circuito. Para ello se debe llegar como mínimo a la tabla de combinaciones. Simular el circuito anterior para comprobar el resultado obtenido en el punto anterior. Para ello, se deberá poner las entradas como un bus (bit_vector, dirigirse al libro de prácticas para más información) para que pueda servir de entrada a la instrucción de alto nivel correspondiente. Comprobar mediante emulación dicho resultado. Para ello se deberá pasar la tabla de combinaciones obtenida en el laboratorio a un cronograma. X 3 X 2 X 1 X 0 F 1 F 2

22 Curso 2004/ Implementar la función lógica obtenida utilizando únicamente un multiplexor de 1 a 8 e inversores, por cada salida. Comprobar mediante simulación el nuevo diseño de la función. Pasar del cronograma obtenido a una tabla de combinaciones. Comprobar mediante emulación el nuevo diseño de la función. Pasar de la tabla obtenida a un cronograma equivalente. X 3 X 2 X 1 X 0 F 1 F 2 Implementar la función lógica obtenida utilizando únicamente un decodificador de 4 a 16 y puertas nand. Comprobar mediante simulación el nuevo diseño de la función. Pasar del cronograma obtenido a una tabla de combinaciones. Comprobar mediante emulación el nuevo diseño de la función. Pasar de la tabla obtenida a un cronograma equivalente. X 3 X 2 X 1 X 0 F 1 F 2

23 Curso 2004/ Objetivos. Práctica VII: Diseño de Circuitos Combinacionales MSI Esta práctica tiene como principal objetivo introducir al alumno en la problématica del diseño de los circuitos combinacionales, utilizando dispositivos MSI. Problema. Una empresa de seguridad necesita implementar un circuito que determine la influencia conjunta de humo y calor, para un sistema de alarma de incendios. Dicho sistema debe realizar las siguientes operaciones: Sumar los valores de humo y calor Cuando dicha suma sea mayor a cuatro unidades, el sistema debe devolver el valor 4. Cuando dicha suma sea menor o igual a cuatro unidades, el sistema debe devolver el valor de la suma. Para este sistema existen dos sensores: calor (C) y humo (H); con una sensibilidad de dos bits. La salida debe estar en un display de siete segmentos. El diseño deberá abordar los siguientes puntos: Obtener un diagrama de flujo del comportamiento del sistema de seguridad. Pasar de dicho diagrama a una descripción de circuitos lógicos. Comprobar mediante emulación el comportamiento especificado. Para ello, completar el cronograma siguiente. C H F