MPIEA-0205 SATCA 1 : Carrera:

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1 1. Datos Generales de la asignatura Nombre de la asignatura: Electrónica Digital Programable Clave de la asignatura: MPIEA-0205 SATCA 1 : Carrera: Maestría en ingeniería eléctrica 2. Presentación Caracterización de la asignatura El objetivo de la materia de Electrónica Digital Programable es estudiar de los dispositivos y técnicas empleadas en el diseño e implementación de sistemas lógicos programables, así como sus lenguajes de programación. Considerando dispositivos de baja hasta alta densidad ya que en la actualidad, debido al desarrollo tecnológico son los entornos más poderosos que existen para el procesamiento, control, y análisis de señales de cualquier índole. La materia contribuye al perfil del egresado de maestría en Ingeniería Eléctrica, a comprender y utilizar los sistemas electrónicos lógicos programables, así como a diseñar, programar e implementar sistemas sencillos de medición y control basados en estos dispositivos. Dentro de su vida profesional, el egresado, continuamente estará relacionado con los dispositivos electrónicos programables dentro de los sistemas de control y automatización. Específicamente el curso coadyuva a: Conocer y comprender como funcionan los circuitos lógicos programables. Proporcionar los conocimientos básicos de electrónica digital para su implementación en los circuitos lógicos programables. Proporcionar la habilidad para diseñar y programar sistemas lógicos dentro de un chip. Habilitar al egresado para conocer y programar aplicaciones en lógicas en circuitos programables de baja, media y alta densidad. Aprender la estructura básica de los lenguajes de programación de hardware. Entender el funcionamiento, programación y aplicación de los dispositivos lógicos programables. 1 Sistema de Asignación y Transferencia de Créditos Académicos Página 1

2 Intención didáctica La asignatura se divide en cuatro temas que introducirán al estudiante de manera progresiva al estudio de la electrónica Digital programable.. En el primer tema se abordan los conceptos básicos, de lo que es la electrónica digital, las diferentes tipos de lógica utilizada dentro, como lo es la lógica combinacional y la lógica secuencial, ejemplificados por multiplexores, demultiplexores, circuitos aritméticos como sumadores restadores y multiplicadores, así como codificadores. En el segundo tema se abordan los principales dispositivos programables, asi como su comparativas, de ventajas desventajas y numero de compuertas de cada dispositivo existente como las GAL, PLD, CPLD, FPGA, etc. El tercer tema comprende Los diferentes lenguajes de programación existentes para la programación de los dispositivos antes mencionados, así como su estructura en VHDL, diseño, simulación y ejecución de algoritmos para diversos circuitos combinacionales e introductorios secuenciales. Por último en el cuarto tema se determina que FPGA, utilizar, la velocidad de procesamiento, numero de compuertas para darle una aplicación directa en la rama de la ingeniería Eléctrica. 3. Participantes en el diseño y seguimiento curricular del programa Lugar y fecha de elaboración o revisión Instituto Tecnológico Superior de Irapuato - mayo 2013 Participantes Consejo de Posgrado en ingeniería eléctrica (COPIE) Observaciones Primera revisión- mayo 2011 Segunda revisión- mayo Competencia(s) a desarrollar Competencia(s) específica(s) de la asignatura Diseña y estructura la programación de circuitos secuenciales síncronos, utilizando lenguaje VHDL, así como desarrollar los componentes necesarios para la aplicación en un proyecto de Ingeniería Eléctrica, 5. previas Realiza demostraciones de teoremas y postulados del algebra de Boole. Realiza reducciones de funciones lógicas. Identifica y compara las familias de las compuertas lógicas. Página 2

3 Diseña circuitos combinacionales usando dispositivos SSI, MSI y PLD s. Analiza y circuitos secuenciales síncronos utilizando Flip- Flop s. Analizar y diseñar circuitos secuenciales síncronos con PLD s. 6. Temario No. Temas Subtemas 1 Diseño digital básico 1.1 Algebra de Boole y compuertas lógicas 1.2 Lógica Combinacional Funciones Lógicas combinacionales Multiplexores Demutiplexores Sumadores, Restadores Multiplicadores Codificadores 1.3 Lógica secuencial 2 Dispositivos lógicos programables 2.1 Introducción a la lógica programable 2.2 Dispositivos programables Estructura interna ROM RAM PAL 2.3 Comparativa entre GAL, CPLD, PLD, FPGA s 3 Lenguajes de programación de hardware 3.1 Introducción a los HDLs 3.2 VHDL 3.3 Verilog. 4 FPGA y Aplicaciones. 4.1 Introducción a los FPGA 4.2 Circuitos síncronos y asíncronos 4.3 Máquinas de estados finitos. 4.4 Maquinas secuenciales síncronas y asíncronas 4.5 Contadores 4.6 Diseño de máquinas de estados finitos para aplicaciones. Página 3

4 7. de los temas 1. Diseño digital básico Repasa y analiza los conceptos básicos de electrónica digital. Implementa funciones lógicas con diferentes métodos y compuertas. Conoce y describe y utiliza diferentes tipos de circuitos secuenciales. Utiliza software de simulación especializado que permita comprobar los resultados obtenidos de forma analítica. Capacidad de análisis y síntesis. Habilidades en el uso de las tecnologías de la información y la comunicación Solución de problemas. Elaborar un ensayo sobre la lógica combinacional y la lógica secuencial destacando las diferencias, incluyendo el tipo de circuitos descritos bajo ambas lógicas. Seleccionar y aplicar las leyes, teoremas y métodos del algebra de Boole, para la minimización de circuitos Resolver minimización de funciones lógicas para circuitos digitales utilizando algebra de Boole, mapas de karnaugh y de Quine McCluskey Realizar problemas donde quede demostrado y ejemplificado el funcionamiento de dispositivos como multiplexores, demultiplexores, y circuitos aritméticos como sumadores restadores y multiplicadores. Ejemplificar los tipos más utilizados de codificadores digitales. Utilizar software de simulación para comprobar los resultados obtenidos de forma analítica de un circuito eléctrico de CD. 2. Dispositivos lógicos programables Conocerá los dispositivos lógicos programables, así como sus características y alcances.. Deduce aplicaciones de ingeniería eléctrica basada en FPGA s. Capacidad de análisis y síntesis. Habilidades en el uso de las tecnologías de la información y la comunicación. Realizar una investigación sobre los principales fabricantes de dispositivos lógicos programables, incluyendo sus ventajas y desventajas, haciendo hincapié en el precio, velocidad y número de compuertas. Deducir una metodología de diseño de circuitos combinacionales y secuenciales Discutir en grupo los diferentes dispositivos programables. Detectar áreas de aplicación de los Página 4

5 Solución de problemas. diferentes tipos de dispositivos programables en áreas de la eléctrica.. 3. Lenguajes de programación de hardware Utiliza software de simulación para desarrollar estructuras avanzadas utilizando lenguaje descriptivo Simula circuitos lógicos secuenciales y combinacionales. Utiliza medios de programación para construir sistemas digitales basado en PLD s o FPGA s Describir los niveles de diseño digital (top-down). Deduce una metodología para el diseño descriptivo de circuitos combinacionales bajo VHDL. Diseñar en VHDL, dispositivos aritméticos y decodificadores para su comparación con los dispositivos comerciales. Diseñar en VHDL, dispositivos secuenciales para su comparación con los dispositivos comerciales. Capacidad de análisis y síntesis. Habilidades en el uso de las tecnologías de la información y la comunicación. Solución de problemas. 4.- FPGA y Aplicaciones. Desarrolla aplicaciones específicas para la solución de problemas por medio de dispositivos lógicos programables. Capacidad de análisis y síntesis. Habilidades en el uso de las tecnologías de la información y la comunicación. Solución de problemas. 8. Práctica(s) Analizar las diferentes estructuras de los FPGA, sus tipos y configuraciones, así como su programación. Elaborar un ensayo donde analices las diferentes estructuras de los FPGA, sus tipos y configuraciones, así como su programación. Se comprueban físicamente todos los circuitos antes descritos en VHDL programándose de manera física ya sea en GAL, PLD s o FPGA s.. Detectar áreas de oportunidad para la aplicación de circuitos digitales en el ámbito de la ingeniería eléctrica. Las prácticas no son obligatorias sino recomendaciones para el alumno. Se sugiere que las prácticas propuestas sean realizadas por equipos para estar en concordancia Página 5

6 con la finalidad de fomentar la discusión de ideas que plantea el curso. En este sentido, se recomiendan las siguientes prácticas por unidad: Diseño digital básico: Diseño, simulación y construcción de un contador digital programable de cuatro bits con compuertas lógicas Dispositivos lógicos programables: Diseño, simulación y construcción de un contador digital programable de cuatro bits con compuertas lógicas con un PLD. Lenguajes de programación de hardware: Diseño y simulación de una unidad aritmética y lógica en VHDL FPGAs y Aplicaciones: Diseño, simulación e implementación de un sumador de 32 bits con FPGA`s, ALU, Maquinas síncronas. 9. Proyecto de asignatura El objetivo del proyecto que planteé el docente que imparta esta asignatura, es demostrar el desarrollo y alcance de la(s) competencia(s) de la asignatura, considerando las siguientes fases: Fundamentación: marco referencial (teórico, conceptual, contextual, legal) en el cual se fundamenta el proyecto de acuerdo con un diagnóstico realizado, mismo que permite a los estudiantes lograr la comprensión de la realidad o situación objeto de estudio para definir un proceso de intervención o hacer el diseño de un modelo. Planeación: con base en el diagnóstico en esta fase se realiza el diseño del proyecto por parte de los estudiantes con asesoría del docente; implica planificar un proceso: de intervención empresarial, social o comunitario, el diseño de un modelo, entre otros, según el tipo de proyecto, las actividades a realizar los recursos requeridos y el cronograma de trabajo. Ejecución: consiste en el desarrollo de la planeación del proyecto realizada por parte de los estudiantes con asesoría del docente, es decir en la intervención (social, empresarial), o construcción del modelo propuesto según el tipo de proyecto, es la fase de mayor duración que implica el desempeño de las competencias genéricas y especificas a desarrollar. Evaluación: es la fase final que aplica un juicio de valor en el contexto laboralprofesión, social e investigativo, ésta se debe realizar a través del reconocimiento de logros y aspectos a mejorar se estará promoviendo el concepto de evaluación para la mejora continua, la metacognición, el desarrollo del pensamiento crítico y reflexivo en los estudiantes. Página 6

7 10. Evaluación por competencias En el contexto de la evaluación por competencias es necesario recuperar las evidencias de desempeño con los siguientes instrumentos de evaluación: Ensayos Examen Prácticas Foros de discusión Y las herramientas de evaluación del desarrollo de competencias específicas y genéricas, pueden ser: Guía de observación Matriz de valoración Lista de cotejo Rúbricas 11. Fuentes de información 1. W. Kleitz, Digital Electronics with VHDL, Prentice Hall, D.J. Smith, HDL Chip Design, Boobook Publications Pty Ltd, M. Rafiquzzaman, Fundamentals of Digital Logic and Microcomputer Design, John Wiley & Sons Inc, S. Waterman, Digital Logic Simulation and CPLD Programming with VHDL, Prentice Hall, T. L. Floyd, Digital Fundamentals with VHDL, Prentice Hall, G. Bostock, Programmable logic Handbook, Butterworth-Heinemann, M. Barrón Ruiz, Lógica Programable, Mc Graw-Hill, Romero Troncoso, Rene de J. Sistemas Digitales con VHDL, Ed. Universidad de Guanajuato, Morris Mano, M. Diseño Digital, Ed. Person Educación, De la Cruz Laso César René. Fundamentos De Diseño Digital. Ed. Trillas, Tocci, Ronald J. y Widmer Neal S. Sistemas Digitales Principios y Aplicaciones. Ed. Person Educación, 8va. Edición Tokheim, Roger L. Electrónica Digital, Ed. Reverté, Hermosa Donante, Antonio, Electrónica Digital Fundamental, Ed. AlfaomegaMarcombo, Dempsey, John A. Electrónica Digital Con Aplicaciones MSI. Ed. Alfaomega, Floyd, Thomas L. Fundamentos De Sistemas Digitales, Ed. Prentice Hall 7a.Edición 10 SOFTWARE: XILINX ISE MAX+PLUS II Página 7