Práctica 1. Compuertas Lógicas

Transcripción

1 USLP FI Laboratorio de Sistemas Digitales Práctica Objetivo Práctica 1 Compuertas Lógicas Conocer el funcionamiento, conexión y utilización de las compuertas lógicas ND, OR, NOT, NND, NOR, E -OR y E -NOR. 1.2 ntecedentes Los sistemas digitales están compuestos de una serie de circuitos integrados que ejecutan instrucciones para controlar sistemas mecánicos, eléctricos, neumáticos entre otros. La base de los sistemas digitales son los operadores lógicos que dan forma a sistemas que obedecen a tablas de verdad, grafos de transiciones, cartas algorítmicas, y que mediante comparaciones, corrimientos lógicos, aritméticos y almacenamiento de datos, entre otras operaciones; dan como resultado, un proceso digital que a través de adecuados circuitos de acoplamiento, interactúan como etapa de control sistemas de procesamiento de datos, como dispositivos decodificadores para exhibidores de siete segmentos, pantallas cristal líquido, como etapa de activación, monitoreo y control en sistemas con motores, electroválvulas, sistemas de computo, sistemas de comunicaciones, entre otros. Los sistemas digitales como ciencia, se basan en la teoría de conjuntos y el algebra de oole, la cual está soportada mediante una cantidad suficiente de teoremas y postulados que permiten trabajar con el sistema binario en donde el universo digital de números se reduce a sólo s y 1s. De esta forma es relativamente fácil trabar la electrónica digital en el sistema binario que con el sistema decimal. En el sistema binario solamente se utilizan dos guarismos: el y el 1 para representar las cantidades, de ahí su denominación de binario. estos guarismos se les conoce como bits. Las señales físicas correspondientes a los dígitos (bits) que procesa el sistema digital son, por tanto, señales binarias. En la práctica, los voltajes típicos correspondientes a los circuitos integrados digitales de tecnología Lógica Transistor Transistor (TTL), son de -.5V para el valor lógico () y de V para el valor lógico (1). Esto se ilustra en la figura 1.1 y la interpretación de los valores lógicos en los sistemas digitales en la tabla (3.5V) ( V) Figura 1.1 Valores típicos de voltaje para niveles de entrada en los circuitos integrados (CI) TTL. Tabla 1.1 Interpretación de los valores lógicos en los sistemas digitales. Lógico 1 Lógico Falso Verdadero Desactivado ctivado Nivel ajo (L) Nivel lto (H) No Sí Interruptor bierto Interruptor Cerrado En el álgebra de oole existen operadores binarios que obedecen a cada uno de los teoremas y postulados del álgebra de oole. Los operadores lógicos principales son: ND (y), OR (o) y NOT (no), de ahí se derivan otros operadores que complementan los reglas de algebra de oole. Puesto que las funciones booleanas se expresan en términos de operaciones ND (y), OR (o) y NOT (no), es más fácil implementar una función booleana con estos tipos de compuertas. La posibilidad de construir compuertas para las otras operaciones lógicas tiene un interés práctico. 2

2 USLP FI Laboratorio de Sistemas Digitales Práctica 1 Los circuitos integrados (CI) que se basan en los operadores lógicos antes mencionados, ejecutan una variedad de funciones lógicas a través de las llamadas compuertas lógicas. Las compuertas lógicas son bloques de construcción básica de los sistemas digitales que operan con niveles lógicos (que representan a los números binarios), por lo que se denominan compuertas lógicas binarias. Las compuertas ejecutan las operaciones lógicas de OR, ND y NOT Operaciones lógicas y compuertas Los operadores básicos representados en cada una de las compuertas solamente contienen dos entradas y una salida. Operador y compuerta OR Considerando como entradas a y, y como salida a, la operación OR se expresa como + =. Lo que indica que si para las entradas o la salida es. El CI de la compuerta OR es un circuito que internamente contiene desde cuatro hasta una compuerta lógica que puede tener como mínimo dos o máximo doce entradas lógicas y cuya salida es igual a la operación OR de todas las entradas que intervengan en esa compuerta. Como puede observar en la figura 1.2, la que muestra la tabla de verdad, el símbolo representativo del operador lógico y la simbología normalizada de la compuerta OR. TL DE VERDD DE L OPERCIÓN LÓGIC OR = SIMOLOGÍ CONVENCIONL DE L COMPUERT OR SIMOLOGÍ IEEE DE L COMPUERT OR Figura 1.2 Tabla de verdad, operador lógico y simbología estándar de la compuerta OR (IEEE STD). Operador y compuerta ND Considerando como entradas a y, y como salida a. La operación ND Se expresa como =. Lo que indica que si para las entradas y la salida es. La operación ND en un circuito integrado obedece a la tabla de verdad que se ilustra en la figura 1.3. De tal forma que la salida está en su nivel alto si y solo si las entradas y están en nivel alto (3.5-5 Volts), para los otros casos la salida de la compuerta ND estará en nivel bajo. La figura 1.3 muestra la tabla de verdad, el símbolo representativo de el operador ND y el diagrama estándar simplificado. >= 1 TL DE VERDD DE L OPERCIÓN LÓGIC ND =* SIMOLOGÍ CONVENCIONL DE L COMPUERT ND SIMOLOGÍ IEEE DE L COMPUERT ND & Figura1.3 Tabla de verdad, operador lógico y simbología estándar de la compuerta ND (IEEE STD). 3

3 USLP FI Laboratorio de Sistemas Digitales Práctica 1 Operador NOT La operación NOT difiere de las operaciones ND y OR, ya que la operación NOT tiene efecto sobre una sola variable de entrada. En este operador para una entrada entregará a la salida la negación de o mejor conocido como el complemento de. Por ejemplo, si la variable de entrada se somete a la operación NOT, la salida =, donde la barra superpuesta representa la operación NOT. El operador NOT o inversor solamente posee una entrada y una salida. Esta operación lógica siempre entregará a la salida una señal complemento de la entrada (contraria a su entrada). En la tabla de verdad de la figura 1.4 se puede apreciar que para una entrada (nivel bajo) la salida es 1 (nivel alto), y para una entrada 1 (nivel alto) la salida es (nivel bajo). La figura 1.4 muestra el símbolo básico representativo del operador lógico NOT y su símbolo estándar. TL DE VERDD DE L OPERCIÓN LÓGIC NOT = 1 1 SIMOLOGÍ CONVENCIONL DE L COMPUERT NOT SIMOLOGÍ IEEE DE L COMPUERT NOT 1 Figura 1.4 Tabla de verdad, operador lógico y simbología estándar de la compuerta NOT (IEEE STD). Las compuertas NND y NOR Otros operadores que complementan a los teoremas y postulados del algebra de oole nacen a partir de de el complemento de los operadores lógicos básicos ND y OR. En los circuitos digitales son de gran utilidad estas nuevas operaciones que permiten la síntesis de sistemas de gran complejidad. Los nuevos operadores son: NOR y NND. El operador NOR es el complemento del operador OR es decir NOT-OR nos da el operador NOR y la operación NND es el complemento de la operación ND es decir NOT- ND. En la figura 1.5 se ilustra la simbología y su correspondiente equivalencia de las compuertas NND y NOR. Comercialmente se encuentran CIs que contienen desde una compuerta NOR/NND con doce entradas y una salida o cuatro compuertas NOR/NND con 2 entradas y una salida cada una. NOR NND OR NOT ND NOT (a) ( b) Figura 1.5 (a) Símbolo y circuito equivalentes de la compuerta NOR, (b) símbolo y circuito equivalente de la compuerta NND. Operador NOR Dadas dos entradas lógicas y y una salida. El operador lógico NOR realiza la suma complemento y se representa como: = ( + ). Donde la barra superpuesta sobre la operación OR indica el complemento o negación de la operación. La figura 1.6 muestra la tabla de verdad y los símbolos representativos de la compuerta NOR. 4

4 USLP FI Laboratorio de Sistemas Digitales Práctica 1 TL DE VERDD DE L OPERCIÓN LÓGIC NOR =(+) SIMOLOGÍ CONVENCIONL DE L COMPUERT NOR SIMOLOGÍ IEEE DE L COMPUERT NOR & >= 1 Figura 1.6 Tabla de verdad, operador lógico y simbología estándar de la compuerta NOR (IEEE STD). Operador NND Este operador realiza la operación ND complemento su tabla de verdad es exactamente al contrario de la que se obtiene al ejecutar al operador ND. Sean y las variables de entrada y la salida. La operación NND entre las dos variables de entrada es = ( ). Donde la barra superpuesta sobre la operación ND indica negación o el complemento de la operación. La figura 1.7 muestra la tabla de verdad del operador NND, como puede observarse y compararse la tabla de verdad es completamente invertida a la de la operación ND. TL DE VERDD DE L OPERCIÓN LÓGIC NND =(*) SIMOLOGÍ CONVENCIONL DE L COMPUERT NND SIMOLOGÍ IEEE DE L COMPUERT NND Figura 1.7 Tabla de verdad, operador lógico y simbología estándar de la compuerta NND (IEEE STD). Los operadores lógicos OR y NOR El operador OR exclusiva o OR La función OR- exclusiva o OR se expresa de la siguiente forma. = + es posible ser construida tal como se observa en la figura 1.8. & NOT ND OR NOT ND = + Figura 1.8 Circuito sistemático del operador OR- exclusivo (OR). Este operado produce entrega un nivel bajo ( lógico) cuando las entras y tienen el mismo valor, y se obtiene el nivel alto (1 lógico), cuando las entradas son diferentes. La tabla de verdad y el símbolo representativo de la compuerta OR se presentan en la figura

5 USLP FI Laboratorio de Sistemas Digitales Práctica 1 TL DE VERDD DE L OPERCIÓN LÓGIC OR = SIMOLOGÍ CONVENCIONL DE L COMPUERT OR SIMOLOGÍ IEEE DE L COMPUERT OR =1 =1 Figura 1.9 Tabla de verdad, operador lógico y simbología estándar de la compuerta OR (IEEE STD). Operador NOR exclusiva, NOR. La compuerta NOR trabaja de manera contraria a la operación OR. Dadas dos entradas y con salida, la expresión del operador NOR es = + (). Esto quiere decir que para y iguales la salida será 1 lógico (5 volts) y la deferente de la salida será lógico ( volts). ND ND OR =+() Figura 1.1 Circuito esquemático de la compuerta NOR- exclusivo (NOR). La tabla de verdad y el símbolo representativo de la compuerta NOR se presentan en la figura TL DE VERDD DE L OPERCIÓN LÓGIC NOR =+() SIMOLOGÍ CONVENCIONL DE L COMPUERT NOR SIMOLOGÍ IEEE DE L COMPUERT NOR Figura 1.11 Circuito equivalente de salida de la compuerta NOR- exclusivo =1 6

6 USLP FI Laboratorio de Sistemas Digitales Práctica Desarrollo de la práctica Empleando el paquete de simulación CircuitMaker o Electronics Workbench (Multisim), arme los circuitos mostrados en la figura 1.12 (a) y 1.12 (b) y compruebe su tabla de verdad. o NOT: Estos elementos, en la mayoría de los paquetes de simulación son dispositivos discretos. Sin embargo, en la práctica se encuentran empaquetados en CI con varios pines de conexión que corresponden a entradas, salidas, alimentación (Vcc) y tierra. Deberá consultar una hoja de datos correspondiente a cada elemento para ver su estructura interna y comenzar a armar su circuito de prueba para los siguientes puntos. 5V 5V 74LS32 74LS4 5V 1K 33 1K 1K 33 (a) (b) Figura 1.12 (a) Circuito de prueba utilizando una compuerta Inversora, (b) circuito de prueba utilizando una compuerta OR. Implemente los circuitos de prueba mostrados en la figura 1.12 (a) y 1.12 (b). Intercambie el circuito integrado de la figura 1.12 (b) correspondiente a las operaciones lógicas descritas en la práctica (ND, NOR, NND y OR) y en cada caso compruebe la salida mediante el manejo de las entradas correspondientes a cada una de las compuertas utilizadas y compare lo obtenido con su respectiva tabla de verdad. 74LS32 (a) (b) Figura 1.13 (a) Conexión de CI 74LS4 (NOT), (b) Conexión del CI 74LS32 (OR). 7

7 USLP FI Laboratorio de Sistemas Digitales Práctica 1 La figura 1.13 muestra la forma de conectar las compuertas mostradas en la figura Nota. ntes de empezar a probar los experimentos, verifique que todo CI esté correctamente montado en la tablilla de proyectos (Proto board), que esté perfectamente energizado y conexiones a tierra. En caso de no estar seguro de lo anterior, pregunte al instructor. Empleando los CI, ahora realice las conexiones necesarias para obtener una compuerta de tres entradas y una salida. Obtenga su tabla de verdad mediante mediciones. Observe la figura 1.114, es un ejemplo de cómo interconectar las compuertas para obtener una compuerta lógica de tres entradas y una salida. Vea que la salida de la compuerta 1 es una señal de entrada a la compuerta 2. 74LS32 Figura 1.14 Conexión de CI del CI 74LS32 (OR) para obtener una compuerta OR de tres entradas. note sus conclusiones y responda el cuestionario de la práctica Material y equipo Material Cantidad Elemento Descripción 1 Fuente de 5 VCD Fuente de alimentación 1 Tablilla de conexiones Para circuitos integrados 1 Interruptor DIP 4 entradas de cambio deslizable 1 Diodo Emisor de Luz Estándar 3 Resistencias de 1KΩ Para proteger de un corto circuito el circuito 2 Resistencia 33 Ω Para protección de diodo emisor de luz. 1 74LS Circuito integrado NND de dos compuertas 1 74LS2 Circuito integrado NOR de dos compuertas 1 74LS4 Circuito integrado inversor 1 74LS8 Circuito integrado ND de dos entradas 1 74LS32 Circuito integrado OR de dos entradas 1 74LS86 Circuito integrado OR de dos entradas Equipo Cantidad Elemento Descripción 1 Unidad de cómputo Equipada con el programa Circuit Maker y/o Electronics Workbench. 1 Probador lógico de CI Utilidad opcional para comprobar estado de los CI 8

8 USLP FI Laboratorio de Sistemas Digitales Práctica Conclusiones 1.5 Cuestionario 1) Cuál es la razón de conectar resistencias a tierra en cada una de las entradas y salidas de los circuitos que se desarrollaron en la práctica? 2) Utilizando compuertas de dos entradas (ND y OR), realice las conexiones necesarias para obtener una compuerta de cuatro entradas y una salida y empleando algún paquete de simulación obtenga su tabla de verdad. 3) Investigue qué clase de fallas pueden ocurrir en los circuitos integrados. 4) Dibuje el circuito electrónico correspondiente a una compuerta NND básica de la serie LS-TTL. 5) Investigue el tema de funciones lógicas en sus formas canónicas. nexar las simulaciones de los circuitos solicitados 9