Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Electrónica. Curso Programa de la asignatura: Electrónica Digital

Transcripción

1 Universidad de Sevilla Departamento de Ingeniería Electrónica Curso Programa de la asignatura: Electrónica Digital 3º Ingeniero Industrial Septiembre 006 1

2 Introducción Este documento contiene los criterios de evaluación para la asignatura Electrónica Digital impartida en el Dpto. de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Sevilla y correspondiente al tercer curso de la titulación de Ingeniería Industrial (Plan 98). La asignatura es cuatrimestral y optativa dentro de la especialidad de Tecnología Electrónica. Estructura de la Asignatura La asignatura consta de dos partes durante el º cuatrimestre: Parte teórica-práctica. Consistirá en horas semanales en la que se estudiarán las puertas lógicas, biestables, sistemas digitales complejos, microprocesadores, periféricos, etc.. y se realizarán problemas y ejemplos para su clarificación. El aprovechamiento y asimilación de conceptos en esta parte de la asignatura aportará el 90 % de la nota total de la asignatura. Practicas de laboratorios. Para ello se realizarán 11 prácticas de 3 horas a lo largo del curso en el laboratorio, así como seminarios sobre el material y software de los circuitos electrónicos hasta completar los 5 créditos prácticos. Los horarios de prácticas se fijarán de acuerdo a la disponibilidad de profesor, alumno y laboratorios. En este caso, el aprovechamiento y asimilación de conceptos en esta parte de la asignatura aportará el 30 % de la nota total de la asignatura.

3 Temario Temas y lecciones Fundamentos algebraicos Horas/ Total Tema 1. Fundamentos lógicos y aritméticos Lección 1. Sistema binarios de numeración. (JMCS) Lección. Algebra de Boole y reducción de funciones lógicas (JMCS) Diseño de sistemas digitales Tema. Circuitos Digitales Básicos Lección 3. Puertas Lógicas y Biestables (JMCS) 3 3 Tema 3. Subsistemas digitales Lección. Circuitos combinacionales lógicos (JGO) Lección 5. Circuitos aritméticos (JGO) Lección 6. Registros con función (JGO) Tema. Diseño de sistemas digitales Lección 7. Diseño y síntesis de circuitos secuenciales síncronos (JMCS) Lección 8. Dispositivos lógicos programables (JMCS) Soporte al diseño digital Tema 5. Memorias (Lección 9)(JMCS) Tema 6. Microcontroladores Lección 10. El microcontrolador MC68HC11 (JMCS) Lección 11. Periféricos (JMCS) 5 9 Dispositivos caracterizados eléctricamente Tema 7. Interfaces entre los dominios analógico y digital Lección 1. Convertidor Analógico/Digital (JGO) Lección 13. Convertidores Digital/Analógico (JGO) Tema 8. Familias Lógicas Lección 1. La puerta TTL y MOS (JGO) Total de horas 39 Contenidos de las lecciones 3

4 A continuación se detallan los contenidos de las lecciones: Lección 1. Sistemas binarios de numeración Representación de los números usando los sistemas binarios, octal y hexadecimal. Representación de números negativos usando signo/magnitud y los complementos a uno y dos. Propiedades aritméticas de los complementos. Representación de números fraccionarios en coma fija y coma flotante. Códigos detectores de error. El bit de paridad. Conocimiento de los diferentes sistemas de numeración y conversión de un número de un determinado formato a otro. Realización de las operaciones de suma y resta en complemento a 1, complemento a, BCD y binario natural, interpretando los resultados. Identificación de un desbordamiento por el resultado de una suma o una resta. Aplicación de la codificación en complemento con precaución, identificando casos críticos. Lección. Algebra de Boole y reducción de funciones lógicas Definición, postulados y teoremas del álgebra de Boole. Funciones definidas en un álgebra de Boole. Representación de la función mediante su tabla de verdad y como suma de productos y productos de sumas. Reducción de funciones mediante las tablas de Reducción de funciones incompletas y de funciones de cinco variables. Reducción de funciones incompletas y de funciones de cinco variables. Conocimiento del álgebra booleana y entrenamiento con varios ejemplos. Evaluación de expresiones booleanas y simplificación mediante las tablas de Karnaugh. Comprensión de los fundamentos de la reducción de funciones lógicas usando el método de Karnaugh. Para ello se realizará en paralelo la reducción de la función de una manera directa por aplicación de las leyes DeMorgan y por las tablas de Karnaugh. Transformación de una función expresada en suma de productos en su representación de productos de sumas y viceversa. Optimización en la síntesis de funciones incompletas. Lección 3. Puertas lógicas y biestables Presentación de las puertas que realizan las operaciones lógicas elementales: AND, OR, INV,...

5 Puertas triestado. Introducción de los biestables de cerrojo (latch). Introducción de los biestables con habilitación por nivel y flanco (flip-flop). Biestables Maestro-Esclavo. Realización de funciones lógicas con puertas AND y OR o con sólo puertas NAND, o NOR. Presentación los símbolos convencionales y los símbolos ANSI/IEEE. Que el alumno entienda las puertas y biestables como las unidades constructivas más elementales del diseño digital. Primera aproximación a los conceptos combinacional, secuencial, asíncrono y síncrono. Compresión de las diferencias entre biestables con entrada de habilitación y los biestables de cerrojo. Comprensión de las diferencias entre un biestable activado por flancos y un biestable Maestro/Esclavo. Acceso a un bus compartido mediante el uso de las puertas triestado. Comparadores. Codificadores y Decodificadores. Multiplexores y demultiplexores. Ejemplos de circuitos de catálogo. Lección. Circuitos combinacionales lógicos Utilizar los comparadores de magnitud para determinar la relación entre dos números binarios y utilizar los comparadores en cascada para realizar comparaciones de números más grandes. Implementar un decodificador binario básico. Identificar glitches en un decodificador. Necesidad de una entrada de validación (strobe). Lección 5. Circuitos aritméticos Semisumador y sumador total. Sumador con propagación y anticipación del acarreo. Los alumnos deberán saber como realizar con la misma estructura circuital un sumador y un restador. Estimación de los caminos de retraso máximo en un sumador con propagación y anticipación de acarreo. Estimación la ocupación (número de puertas equivalentes) de las diferentes estructuras y entender el compromiso que se hace entre tiempo de propagación y ocupación. Conocimiento de como concatenar sumadores para aumentar el número de bits de los operandos. Conocimientos de como realizar la lógica de desbordamiento del resultado de la operación y como saturar éste si se produce. Lección 6. Registros con función 5

6 Registros como dispositivos de almacenamiento. Registros de desplazamiento hacia la derecha o izquierda y desplazamiento cíclico, con carga paralelo o serie. Contadores asíncronos y síncronos, ascendentes y descendentes. Ejemplos de circuitos de media escala de integración: el registro de desplazamiento 7LS16 y el contador de cuatro bits 7LS163A. Representación de los cronogramas y movimientos de la información en los registros. Utilización de los registros de desplazamiento como convertidores serie-paralelo de los datos. Explicación de como afecta el retardo de propagación al funcionamiento de un contador. Eliminación de los glitches en la decodificación de contadores. Concatenar contadores para conseguir un mayor intervalo de contabilización. Lección 7. Diseño y síntesis de circuitos secuenciales síncronos Autómatas de Mealy y Moore. Clasificación de los sistemas secuenciales: asíncronos y síncronos. Breves nociones de sistemas asíncronos: ventajas y desventajas. Sistemas síncronos: Máquina completa e incompletamente especificada. Etapa de diseño: diagrama de estados. Etapa de síntesis: reducción de estados mediante tablas de estados y de inferencia. Descripción de la solución digital a un problema mediante un diagrama de estados. Identificación de estados compatibles y reducción a un único estado. Manejo suelto de tablas de estados y de inferencia. Representación gráfica de un sistema secuencial síncrono. Lección 8. Dispositivos lógicos programables Matrices lógicas programables AND y OR. Clasificación de los dispositivos lógicos programables (PLDs). Dispositivos lógicos programables de baja densidad (SPLDs): PAL, PLA y GAL. Dispositivos lógicos programables de alta capacidad (CPLDs) y matrices de puertas programables en campo (FPGAs). Descripción y funcionalidad de una matriz programable de puertas. 6

7 Conocimiento de la arquitectura de las PALs más comunes: V10, 16R, 16R8,... Interpretación de las hojas de características suministradas por los fabricantes. Conocimientos de las etapas de salida (combinacional y secuencial) de las PALs. Bloques lógicos: LUT (Xilinx) y multiplexores (ACTEL). Presentación de las tecnologías: SPLD y CPLD (fusibles, EPROM, EEPROM y Flash), FPGA (antifusible ACTEL-, SRAM Xilinx- y flash ACTEL-). Conocimiento de las propiedades de las diferentes tecnologías: volatilidad y reprogramabilidad. Lección 9. Memorias Funcionamiento de las memorias: direccionamiento, lectura y escritura. Arquitectura básica de la memoria (organización D): decodificador y mapa de bits. Diagrama típico de tiempos de los ciclos de lectura y escritura. Tipos de memorias según su funcionalidad: ROM, EPROM, EEPROM y RAM. Comparación de prestaciones de los tipos de RAM: estática, dinámica y flash. Memorias FIFO y LIFO. Expansión de memorias. El alumno debe ser capaz de interpretar la información suministrada por el fabricante en las hojas de características y como realizar la lógica de control que permita el acceso de su sistema síncrono a la memoria. Apreciación de la necesidad de recurrir a una memoria, si la aplicación lo permite, en vez de realizar la misma con registros. Este aspecto es importante en el contexto de la realización del sistema con dispositivos programables de gran capacidad. Como usando varias memoria se puede obtener una memoria resultante con más bits por palabra o más palabras con igual cantidad de bits. Lección 10. El microcontrolador MC68HC11 Arquitectura. Modos de funcionamiento y registros de la UCP. Mapa de memoria. Interrupciones. Sistema antibloqueo. Memoria EEPROM. Funcionamiento y misión del sistema de antibloqueo. Método de programación usando la memoria EEPROM. Conocimiento del esqueleto completo de un programa en ensamblador y las partes que lo constituyen: constantes, variables, modulo inicial, módulo principal, vector de interrupciones, subrutinas normales y de interrupción. 7

8 Conocimiento del modo de proceder de la UCP cuando recibe una interrupción. Lección 11. Periféricos de comunicación Comunicación serie asíncrona RS3. Otros dispositivos de comunicación: UART, SPI,... Dispositivos de catálogo: PIA855 (puerto paralelo). Lección 1. Convertidores Analógico/Digital Principios de la conversión analógica/digital: Teorema de Nyquist, paso y error de cuantificación, relación señal/ruido (SNR). Caracterización de los convertidores: velocidad y resolución. Ganancia. Convertidores de Nyquist y sobremuestreados. Arquitecturas en bucle abierto y bucle cerrado. El circuito de muestreo y retención. Ejemplo del convertidor ADC080 (aproximaciones sucesivas). Identificación del espectro de una señal discretizada. Identificación de los errores de conversión: no monotonicidad, falta de linealidad, error de offset, falta de código,... Conocimiento de las arquitecturas en paralelo (flash), de rampa, pendiente sencilla, doble pendiente y seguimiento. Ventajas de entradas diferenciales de señales digitales. Necesidad de adaptación de la señal de muestreo. Lección 13. Convertidores Digital/Analógico Principios de la conversión digital/analógica. Caracterización del convertidor: resolución, precisión, linealidad, monotonicidad y tiempo de establecimiento. Arquitecturas: de ponderación binaria, en escalera R/R. Convertidores de sobremuestreo. Reconocimiento los errores típicos en la conversión. Ejemplos de catálogo. Lección 1. La puerta TTL y MOS 8

9 Lógica TTL. La puerta inversora: principios de funcionamiento. Arquitectura de la puerta NAND y NOR. Salida en colector abierto y totem-pole. Lógica CMOS. Puerta inversora, característica estática. Puertas AND, OR, NAND y NOR. Comparación de las familias TTL y CMOS. Interfaz TTL-CMOS. Funcionamientos de las puertas inversoras a nivel de dispositivos. Conocimiento de las funciones de transferencia de las puertas. Conocimientos de las ventajas e inconvenientes de las diferentes familias lógicas. Estimación de la disipación de potencia y del producto potencia-velocidad. Estimación del fan-out. Prácticas de la asignatura 1. Presentación y caracterización en laboratorio de las Familias Lógicas. Circuitos combinacionales sencillos (I) 3. Circuitos combinacionales sencillos (II). Circuitos monoestables y astables 5. Contador y decodificador de 7 segmentos sobre placa impresa 6. Presentación de la herramienta de diseño de circuitos impresos 7. Diseño de un circuito impreso: contador y CDA controlador de semáforos utilizando una PAL 8. Realización y comprobación del diseño del circuito impreso (I). 9. Realización y comprobación del diseño del circuito impreso (II). 10. El Lenguaje ensamblador y el simulador THRSim11 del MC68HC Programación del microcontrolador MC68HC11 9

10 Evaluación y calificación Se realizará un examen al término del cuatrimestre que constará de varias cuestiones teóricas o numéricas donde se evaluará los conocimientos del alumno y la capacidad de aplicación de los mismos, junto con los métodos y técnicas desarrolladas en la asignatura. El examen constará de un cuestionario, una parte teórica y un problema. La nota de este examen teórico será la media ponderada entre las tres partes. Las prácticas de la asignatura también serán evaluadas, tanto el aprovechamiento por parte del alumno en la clase práctica, así como la memoria práctica entregada por el mismo. La nota definitiva de la asignatura será obtenida mediante el porcentaje correspondiente al 70 % de la nota obtenida en la parte teórica más el porcentaje correspondiente al 30 % de la nota obtenida en la parte práctica. Para aprobar son indispensables dos cosas: que el alumno haya entregado y aprobado las prácticas como mínimo con 5 puntos. haber sacado un mínimo de 3.5 puntos en la parte téorica. La evaluación del resto de convocatorias se regirá por este mismo criterio. Bibliografía [1] T.L. Floyd. "Fundamentos de Sistemas Digitales". Prentice Hall. 7ª Edición, 000, ISBN: X [] M. Morris Mano. "Digital Design", prentice Hall, ª edición, ISBN X [3] P. Spasov. "Microcontroller Technology: The 68HC11". Prentice Hall. rd Edition, ISBN:

11 [] K. Skahill, "VHDL for Programmable Logic", Addison-Wesley, ISBN: [5] N.R. Malik, "Circuitos Electrónicos, Análisis, simulación y diseño", Prentice Hall, ISBN: Profesor de la Asignatura Juan Manuel Carrasco Solís Profesor Titular de Universidad Responsable de la Asignatura Dpto. de Ingeniería Electrónica E.S. de Ingenieros Universidad de Sevilla carrasco@gte.esi.us.es 11