Módulo 2: Montaje y evaluación de sistemas digitales combinacionales.
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- Yolanda Redondo Flores
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1 UNIVERSIDAD DE ALCALÁ. ESCUELA POLITÉCNICA INGENIERÍA EN INFORMÁTICA TECNOLOGÍA DE COMPUTADORES Módulo 2: Montaje y evaluación de sistemas digitales combinacionales.
2 1. Objetivos El objetivo de la siguiente práctica es familiarizar al alumno con el manejo de sistemas combinacionales, además de: Manejar las tablas de verdad que definen los sistemas combinacionales. Montar y conectar C.I. digitales de la forma más ordenada posible. Depurar el circuito utilizando la instrumentación disponible en el laboratorio. Conocer los sistemas más utilizados de visualización de datos. 2. Conceptos previos Antes de la realización de la práctica el alumno debe tener claros los conceptos estudiados en la asignatura de teoría sobre sistemas combinacionales: tablas de verdad, funciones canónicas, simplificación de funciones, etc., así como el funcionamiento de todos los circuitos combinacionales integrados que se utilizan en esta práctica. 3. Material necesario Además del material común indicado en la práctica 2, serán necesarios los siguientes componentes: Multiplexor cuádruple de dos entradas Comparador de dos números de 4 bits Decodificador BCD-siete segmentos Sumador (sólo necesario para la mejora). Display de ánodo común. Existen muchos modelos con bastante variación de precio, (5150, 7650, 7651, 7750, etc.). Cualquiera de ellos es válido siempre que sea de ánodo común. 8 Diodos LED. Microinterruptores: 2 unidades de 4 microswitches cada una o 1 unidad de 8 microswitches. Resistencias: 8 unidades de 1 KΩ y 8 unidades de 330Ω. 4. Desarrollo de la práctica El objetivo final de esta práctica es la realización de un sistema digital que tenga por entrada dos números binarios A y B de 4 bits dados en BCD y visualice en un display el mayor de los dos. Para la realización de la práctica se deben seguir los pasos que se detallan a continuación. Son pasos acumulativos, es decir, para la realización de cada uno NO se debe desmontar el anterior, sino añadir los nuevos componentes al sistema previo. Módulo 2. Sistemas combinacionales 2
3 Antes de la realización de la práctica, cada miembro del grupo debe contestar individualmente a las cuestiones del último apartado. NOTA: Antes de montar cada paso, se aconseja tener sobre papel el circuito lógico a implementar, ayudándose de las características que se adjuntan. Esos dibujos ayudarán a comprender el completo funcionamiento del sistema Montaje del multiplexor Monte el multiplexor utilizando los microinterruptores para introducir los dos datos de entrada. Tome la señal de control directamente de Vcc o masa. Utilice tantos LEDs como sea necesario para visualizar todas las salidas del multiplexor. Compruebe el funcionamiento de esta etapa, seleccionando un valor distinto para A y B, y multiplexando para ver cada uno de los dos códigos binarios a la salida. Interruptores Interruptores A B MULTIPLEXOR SELECCCIÓN Vcc Figura 1. Diagrama de bloques del montaje del multiplexor Montaje del multiplexor Sin desmontar el circuito anterior, y utilizando los mismos datos (microinterruptores) para introducir la entrada, monte el circuito del comparador indicado en la figura 2. Hay que considerar que, para que los datos introducidos en el multiplexor y en el comparador sean los mismos, los cablecillos que en el multiplexor vayan al dato A (o al B), en el comparador también deben ir al dato A (o B). Además, deben ir en el mismo orden. para ello tendremos en cuenta que en las hojas de características de ambos componentes se utiliza diferente nomenclatura: en el comparador el bit de menor peso es A 0 mientras que en el multiplexor es A 1, y así sucesivamente. Las entradas de control del comparador son las cascading inputs, y su valor debe ser tal que cuando los valores de A y B sean iguales las salidas del circuito indiquen que los datos de entrada son iguales (ver las hojas de características). Utilice LEDs para visualizar las salidas. Interruptores Interruptores A B COMPARADOR CONTROL Vcc Figura 2. Diagrama de bloques del montaje del comparador. Módulo 2. Sistemas combinacionales 3
4 4.3. Lógica de conexión entre multiplexor y comparador Diseñe la lógica necesaria entre el comparador y el multiplexor de forma que la salida del multiplexor sea el mayor de los dos números. Interruptores A COMPARADOR LÓGICA Interruptores B +Vcc MULTIPLEXOR Figura 3. Diagrama de bloques del circuito que selecciona el mayor de dos números. Hay que diseñar la lógica más simple simplificar todo lo que se pueda- que sea capaz de generar la señal de control del multiplexor que le haga mostrar el número mayor de los dos. Las entradas de ese bloque lógico serán las salidas del comparador que sean necesarias Montaje del circuito de visualización Sin desmontar el circuito anterior, diseñe y monte un sistema de visualización que represente la salida del multiplexor (un número BCD de un solo dígito) en un display de 7 segmentos. Se debe tener en cuenta el tipo de display, la forma de conexión de la resistencia de cada segmento, el decodificador BCD-7 segmentos utilizado, etc. Siga las indicaciones de los apuntes Consideraciones básicas en el diseño de esta parte del circuito. Dibuje en el espacio de la figura 4 el diseño relativo a esta etapa desde las salidas del multiplexor. Figura 4. Diagrama de bloques de la etapa de visualización. 5. Mejora 1 Rediseñe el sistema (cambiando los componentes necesarios y sus conexiones) para que a la salida se muestre la suma de las dos entradas, A+B, cuando el resultado sea un número entre 0 y 9. Módulo 2. Sistemas combinacionales 4
5 6. Mejora 2 Modifique el sistema para que sea capaz de mostrar números entre 0 y 15. Cuando el número sea mayor que 9 debe encenderse el punto del display y mostrar las unidades. 7. Cuestiones Antes de la realización de la práctica, cada miembro del grupo debe contestar individualmente a las siguientes cuestiones. Cuestiones relativas al multiplexor: a) Cuál es su función? b) Para qué sirve el terminal Select? c) A qué valor hay que poner la entrada Strobe? Cuestiones relativas al comparador: a) Para qué sirven las cascading inputs? Si los números a comparar son de 4 bits, y se desea que cuando son iguales solamente se active la salida A=B. a qué valor hay que conectar las cascading inputs? Módulo 2. Sistemas combinacionales 5
6 b) Qué valor tendrán las salidas del comparador cuando el dato A sea mayor al dato B? Cuestiones relativas a la lógica de conexión entre el comparador y el multiplexor: a) Complete la tabla de verdad siguiente, correspondiente a la lógica de conexión entre el comparador y el multiplexor. En ella debe indicar, en los distintos casos (cuando los datos son iguales o uno mayor que otro), cuales son las salidas que proporciona el comparador, cual es el dato que se debe mostrar, y cual es el select que se debe introducir en el multiplexor para mostrar dicho dato Salidas comparador Datos A>B A=B A<B Dato a mostrar Select Dato A > Dato B Datos iguales Dato B > Dato A Tabla 1. Tabla correspondiente a la lógica de conexión. b) De entre las variables de la tabla decida cual son la(s) entrada(s) y salida(s) que necesita y obtenga la tabla completa de la función lógica y su expresión (simplificando al máximo utilizando mapas de Karnaugh o cualquier otro método). Módulo 2. Sistemas combinacionales 6
7 Cuestiones relativas al decodificador y display de ánodo común: a) A qué valor hay que conectar las entradas LT, BI/RBO y RBI para visualizar siempre el dígito de la entrada, cualquiera que sea su valor? b) A qué valor de tensión se debe conectar el ánodo común del display? c) Qué valor proporciona el decodificador en las salidas en las que se deben iluminar los LEDs del display? 8. ANEXO DEL MÓDULO 2 HOJAS DE CARACTERÍSTICAS DE CIRCUITOS COMBINACIONALES LS157. Cuádruple multiplexor de 2 canales LS85. Comparador de dos números de 4 bits LS47. Decodificador BCD-7 segmentos para display ánodo común Display 7 segmentos LS83. Sumador binario con acarreo. Módulo 2. Sistemas combinacionales 7
8 54LS157 DM54LS157 DM74LS157 54LS158 DM54LS158 DM74LS158 Quad 2-Line to 1-Line Data Selectors Multiplexers General Description These data selectors multiplexers contain inverters and drivers to supply full on-chip data selection to the four output gates A separate strobe input is provided A 4-bit word is selected from one of two sources and is routed to the four outputs The LS157 presents true data whereas the LS158 presents inverted data to minimize propagation delay time Applications Y Y Y Y Expand any data input point Multiplex dual data buses Generate four functions of two variables (one variable is common) Source programmable counters Connection Diagrams Dual-In-Line Package TL F Order Number 54LS157DMQB 54LS157FMQB 54LS157LMQB DM54LS157J DM54LS157W DM74LS157M or DM74LS157N See NS Package Number E20A J16A M16A N16E or W16A Function Table Inputs Features June 1989 Y Buffered inputs and outputs Y Typical Propagation Time LS157 9 ns LS158 7 ns Y Typical Power Dissipation LS mw LS mw Y Alternate Military Aerospace device (54LS157 54LS158) is available Contact a National Semiconductor Sales Office Distributor for specifications Dual-In-Line Package Order Number 54LS158DMQB 54LS158FMQB 54LS158LMQB DM54LS158J DM54LS158W DM74LS158M or DM74LS158N See NS Package Number E20A J16A M16A N16E or W16A Output Y Strobe Select A B LS157 LS158 H X X X L H L L L X L H L L H X H L L H X L L H L H X H H L TL F LS157 DM54LS157 DM74LS157 54LS158 DM54LS158 DM74LS158 Quad 2-Line to 1-Line Data Selectors Multiplexers H e High Level L e Low Level X e Don t Care C1995 National Semiconductor Corporation TL F 6396 RRD-B30M105 Printed in U S A
9 Absolute Maximum Ratings (Note) If Military Aerospace specified devices are required please contact the National Semiconductor Sales Office Distributors for availability and specifications Supply Voltage 7V Input Voltage 7V Operating Free Air Temperature Range DM54LS and 54LS b55 Ctoa125 C DM74LS 0 Ctoa70 C Storage Temperature Range b65 Ctoa150 C Recommended Operating Conditions Symbol Parameter Note The Absolute Maximum Ratings are those values beyond which the safety of the device cannot be guaranteed The device should not be operated at these limits The parametric values defined in the Electrical Characteristics table are not guaranteed at the absolute maximum ratings The Recommended Operating Conditions table will define the conditions for actual device operation DM54LS157 DM74LS157 Min Nom Max Min Nom Max V CC Supply Voltage V V IH High Level Input Voltage 2 2 V V IL Low Level Input Voltage V I OH High Level Output Current b0 4 b0 4 ma I OL Low Level Output Current 4 8 ma T A Free Air Operating Temperature b C LS157 Electrical Characteristics over recommended operating free air temperature range (unless otherwise noted) Symbol Parameter Conditions Min Typ (Note 1) V I Input Clamp Voltage V CC e Min I I eb18 ma b1 5 V V OH High Level Output V CC e Min I OH e Max DM Voltage V IL e Max V IH e Min DM V OL Low Level Output V CC e Min I OL e Max DM Voltage V IL e Max V IH e Min DM V Max I OL e 4 ma V CC e Min DM I I Input Current Max V CC e Max S or G 0 2 Input Voltage V I e 7V AorB 0 1 I IH High Level Input V CC e Max S or G 40 Current V I e 2 7V AorB 20 I IL Low Level Input V CC e Max SorG b0 8 Current V I e 0 4V AorB b0 4 I OS Short Circuit V CC e Max DM54 b20 b100 Output Current (Note 2) DM74 b20 b100 I CC Supply Current V CC e Max (Note 3) ma Note 1 All typicals are at V CC e 5V T A e 25 C Note 2 Not more than one output should be shorted at a time and the duration should not exceed one second Note 3 I CC is measured with 4 5V applied to all inputs and all outputs open Units Units V ma ma ma ma 2
10 54LS85 DM54LS85 DM74LS85 4-Bit Magnitude Comparators General Description These 4-bit magnitude comparators perform comparison of straight binary or BCD codes Three fully-decoded decisions about two 4-bit words (A B) are made and are externally available at three outputs These devices are fully expandable to any number of bits without external gates Words of greater length may be compared by connecting comparators in cascade The A l B A k B and A e B outputs of a stage handling less-significant bits are connected to the corresponding inputs of the next stage handling more-significant bits The stage handling the least-significant bits must Connection Diagram Dual-In-Line Package June 1989 have a high-level voltage applied to the A e B input The cascading path is implemented with only a two-gate-level delay to reduce overall comparison times for long words Features Y Y Y Typical power dissipation 52 mw Typical delay (4-bit words) 24 ns Alternate Military Aerospace device (54LS85) is available Contact a National Semiconductor Sales Office Distributor for specifications Order Number 54LS85DMQB 54LS85FMQB 54LS85LMQB DM54LS85J DM54LS85W DM74LS85M or DM74LS85N See NS Package Number E20A J16A M16A N16E or W16A 54LS85 DM54LS85 DM74LS85 4-Bit Magnitude Comparators Function Table Comparing Inputs TL F Cascading Inputs Outputs A3 B3 A2 B2 A1 B1 A0 B0 A l B A k B A e B A l B A k B A e B A3 l B3 X X X X X X H L L A3 k B3 X X X X X X L H L A3 e B3 A2 l B2 X X X X X H L L A3 e B3 A2 k B2 X X X X X L H L A3 e B3 A2 e B2 A1 l B1 X X X X H L L A3 e B3 A2 e B2 A1 k B1 X X X X L H L A3 e B3 A2 e B2 A1 e B1 A0 l B0 X X X H L L A3 e B3 A2 e B2 A1 e B1 A0 k B0 X X X L H L A3 e B3 A2 e B2 A1 e B1 A0 e B0 H L L H L L A3 e B3 A2 e B2 A1 e B1 A0 e B0 L H L L H L A3 e B3 A2 e B2 A1 e B1 A0 e B0 L L H L L H A3 e B3 A2 e B2 A1 e B1 A0 e B0 X X H L L H A3 e B3 A2 e B2 A1 e B1 A0 e B0 H H L L L L A3 e B3 A2 e B2 A1 e B1 A0 e B0 L L L H H L H e High Level L e Low Level X e Don t Care C1995 National Semiconductor Corporation TL F 6379 RRD-B30M105 Printed in U S A
11 Absolute Maximum Ratings (Note) If Military Aerospace specified devices are required please contact the National Semiconductor Sales Office Distributors for availability and specifications Supply Voltage 7V Input Voltage 7V Operating Free Air Temperature Range DM54LS and 54LS b55 Ctoa125 C DM74LS 0 Ctoa70 C Storage Temperature Range b65 Ctoa150 C Note The Absolute Maximum Ratings are those values beyond which the safety of the device cannot be guaranteed The device should not be operated at these limits The parametric values defined in the Electrical Characteristics table are not guaranteed at the absolute maximum ratings The Recommended Operating Conditions table will define the conditions for actual device operation Recommended Operating Conditions Symbol Parameter DM54LS85 DM74LS85 Units Min Nom Max Min Nom Max V CC Supply Voltage V V IH High Level Input Voltage 2 2 V V IL Low Level Input Voltage V I OH High Level Output Current b0 4 b0 4 ma I OL Low Level Output Current 4 8 ma T A Free Air Operating Temperature b C Electrical Characteristics over recommended operating free air temperature range (unless otherwise noted) Symbol Parameter Conditions Min Typ (Note 1) Max Units V I Input Clamp Voltage V CC e Min I I eb18 ma b1 5 V V OH High Level Output V CC e Min I OH e Max DM Voltage V IL e Max V IH e Min DM V V OL Low Level Output V CC e Min I OL e Max DM Voltage V IL e Max V IH e Min DM V I OL e 4 ma V CC e Min DM I I Input Current Max V CC e Max A k B 0 1 Input Voltage V I e 7V A l B 0 1 ma Others 0 3 I IH High Level Input V CC e Max A k B 20 Current V I e 2 7V A l B 20 ma Others 60 I IL Low Level Input V CC e Max A k B b0 4 Current V I e 0 4V A l B b0 4 ma Others b1 2 I OS Short Circuit V CC e Max DM54 b20 b100 Output Current (Note 2) DM74 b20 b100 ma I CC Supply Current V CC e Max (Note 3) ma Note 1 All typicals are at V CC e 5V T A e 25 C Note 2 Not more than one output should be shorted at a time and the duration should not exceed one second Note 3 I CC is measured with all outputs open A e B grounded and all other inputs at 4 5V 2
12 SN5446A, 47A, 48, SN54LS47, LS48, LS49 SN7446A, 47A, 48, SN74LS47, LS48, LS49 BCD-TO-SEVEN-SEGMENT DECODERS/DRIVERS SDLS111 MARCH 1974 REVISED MARCH 1988 PRODUCTION DATA information is current as of publication date. Products conform to specifications per the terms of Texas Instruments standard warranty. Production processing does not necessarily include testing of all parameters. Copyright 1988, Texas Instruments Incorporated POST OFFICE BOX DALLAS, TEXAS
13 SN5446A, 47A, 48, SN54LS47, LS48, LS49 SN7446A, 47A, 48, SN74LS47, LS48, LS49 BCD-TO-SEVEN-SEGMENT DECODERS/DRIVERS SDLS111 MARCH 1974 REVISED MARCH POST OFFICE BOX DALLAS, TEXAS 75265
14 SN5446A, 47A, 48, SN54LS47, LS48, LS49 SN7446A, 47A, 48, SN74LS47, LS48, LS49 BCD-TO-SEVEN-SEGMENT DECODERS/DRIVERS SDLS111 MARCH 1974 REVISED MARCH 1988 POST OFFICE BOX DALLAS, TEXAS
15 SN5446A, 47A, 48, SN54LS47, LS48, LS49 SN7446A, 47A, 48, SN74LS47, LS48, LS49 BCD-TO-SEVEN-SEGMENT DECODERS/DRIVERS SDLS111 MARCH 1974 REVISED MARCH POST OFFICE BOX DALLAS, TEXAS 75265
16 DM74LS83A 4-Bit Binary Adders with Fast Carry General Description These full adders perform the addition of two 4-bit binary numbers. The sum ( ) outputs are provided for each bit and the resultant carry (C4) is obtained from the fourth bit. These adders feature full internal look ahead across all four bits. This provides the system designer with partial look-ahead performance at the economy and reduced package count of a ripple-carry implementation. The adder logic, including the carry, is implemented in its true form meaning that the end-around carry can be accomplished without the need for logic or level inversion. Features n Full-carry look-ahead across the four bits Connection Diagram Dual-In-Line Package March 1998 n Systems achieve partial look-ahead performance with the economy of ripple carry n Typical add times Two 8-bit words 25 ns Two 16-bit words 45 ns n Typical power dissipation per 4-bit adder 95 mw n Alternate Military/Aerospace device (54LS83A) is available. Contact a Fairchild Semiconductor Sales Office/Distributor for specifications. DM74LS83A 4-Bit Binary Adders with Fast Carry DS Order Number 54LS83ADMQB, 54LS83AFMQB, DM54LS83AJ, DM54LS83AW, DM74LS83AWM or DM74LS83AN See Package Number J16A, M16B, N16E or W16A 1998 Fairchild Semiconductor Corporation DS
17 Truth Table DS H = High Level, L = Low Level Note 6: Input conditions at A1, B1, A2, B2, and C0 are used to determine outputs 1 and 2 and the value of the internal carry C2. The values at C2, A3, B3, A4, and B4 are then used to determine outputs 3, 4, and C4. 4
18 TDS.51.. Vishay Semiconductors Standard 7 Segment Display 13 mm Color Type Circuitry Red TDSR515. Common anode Red TDSR516. Common cathode Orange red TDSO515. Common anode Orange red TDSO516. Common cathode Yellow TDSY515. Common anode Yellow TDSY516. Common cathode Green TDSG515. Common anode Green TDSG516. Common cathode Description The TDS.51.. series are 13 mm character seven segment LED displays in a very compact package. The displays are designed for a viewing distance up to 7 meters and available in four bright colors. The grey package surface and the evenly lighted untinted segments provide an optimum on-off contrast. All displays are categorized in luminous intensity groups. That allows users to assemble displays with uniform appearence. Typical applications include instruments, panel meters, point-of-sale terminals and household equipment. Features Evenly lighted segments Grey package surface Untinted segments Luminous intensity categorized Yellow and green categorized for color Wide viewing angle Suitable for DC and high peak current Applications Panel meters Test- and measure- equipment Point-of-sale terminals Control units TV sets Document Number Rev. A2, 05-Oct (9)
19 TDS.51.. Vishay Semiconductors Absolute Maximum Ratings T amb = 25 C, unless otherwise specified TDSR515. /TDSR516., TDSO515. /TDSO516., TDSY515. /TDSY516., TDSG515. /TDSG516., / Parameter Test Conditions Type Symbol Value Unit Reverse voltage per V R 6 V segment or DP DC forward current per TDSR315./316. I F 35 ma segment or DP TDSO315./316. I F 25 ma TDSY315./316. I F 25 ma TDSG315./316. I F 25 ma Surge forward current per t p 10 s TDSR315./316. I FSM 0.5 A segment or DP (non repetitive) TDSO315./316. I FSM 0.15 A TDSY315./316. I FSM 0.15 A TDSG315./316. I FSM 0.15 A Power dissipation T amb 45C P V 550 mw Junction temperature T j 100 C Operating temperature range T amb 40 to + 85 C Storage temperature range T stg 40 to + 85 C Soldering temperature t 3 sec, 2mm below T sd 260 C seating plane Thermal resistance LED junction/ambient R thja 100 K/W Optical and Electrical Characteristics T amb = 25 C, unless otherwise specified Red (TDSR515., TDSR516. ) Parameter Test Conditions Type Symbol Min Typ Max Unit Luminous intensity per segment I F = 10 ma TDSR I V 280 cd (digit average) 1) 5150/5160 Dominant wavelength I F = 10 ma d 655 nm Peak wavelength I F = 10 ma p 660 nm Angle of half intensity I F = 10 ma ϕ ±50 deg Forward voltage per segment or DP I F = 20 ma V F V Reverse voltage per segment or DP I R = 10 A V R 6 15 V 1) I Vmin and I V groups are mean values of segments a to g FaxBack Document Number (9) Rev. A2, 05-Oct 00
20 TDS.51.. Vishay Semiconductors Dimensions in mm Pin connections a f b g e c d DP 1 e 2 d 3 A (K) 4 c 5 DP 6 b 7 a 8 A (K) 9 f 10 g FaxBack Document Number (9) Rev. A2, 05-Oct 00
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26 0.43-INCH SEVEN SEGMENT DISPLAYS DISCLAIMER FAIRCHILD SEMICONDUCTOR RESERVES THE RIGHT TO MAKE CHANGES WITHOUT FURTHER NOTICE TO ANY PRODUCTS HEREIN TO IMPROVE RELIABILITY, FUNCTION OR DESIGN. FAIRCHILD DOES NOT ASSUME ANY LIABILITY ARISING OUT OF THE APPLICATION OR USE OF ANY PRODUCT OR CIRCUIT DESCRIBED HEREIN; NEITHER DOES IT CONVEY ANY LICENSE UNDER ITS PATENT RIGHTS, NOR THE RIGHTS OF OTHERS. LIFE SUPPORT POLICY FAIRCHILD S PRODUCTS ARE NOT AUTHORIZED FOR USE AS CRITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPORT DEVICES OR SYSTEMS WITHOUT THE EXPRESS WRITTEN APPROVAL OF THE PRESIDENT OF FAIRCHILD SEMICONDUCTOR CORPORATION. As used herein: 1. Life support devices or systems are devices or systems which, (a) are intended for surgical implant into the body, or (b) support or sustain life, and (c) whose failure to perform when properly used in accordance with instructions for use provided in the labeling, can be reasonably expected to result in a significant injury of the user. 2. A critical component in any component of a life support device or system whose failure to perform can be reasonably expected to cause the failure of the life support device or system, or to affect its safety or effectiveness Fairchild Semiconductor Corporation
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