PROGRAMA DE CURSO Modelo 2009

Transcripción

1 REQUISITOS: HORAS: 3 Horas a la semana CRÉDITOS: PROGRAMA(S) EDUCATIVO(S) QUE LA RECIBE(N): IETRO PLAN: 2009 FECHA DE REVISIÓN: Mayo de 2011 Competencia a la que contribuye el curso. DEPARTAMENTO: Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica NOMBRE DEL CURSO: Sistemas Digitales I con Laboratorio CLAVE: 1046E ACADEMIA A LA QUE PERTENECE: Sistemas Digitales I PROGRAMA DE CURSO Modelo 2009 PROFESIONAL ASOCIADO Y LICENCIATURA Versión Amplia IETRO: Desarrollar productos digitales eficientes para problemas específicos acorde a las normas y estándares pertinentes. Tipo de competencia. Específica. Descripción general del curso. Sistemas digitales I es una materia impartida en el cuarto semestre de la carrera de Ingeniero Electromecánico y el quinto de la carrera de Ingeniero en Electrónica e Ingeniero Mecatrónico. Se requieren conocimientos básicos de circuitos eléctricos y manejo de instrumentos de medición, así como la habilidad de razonamiento lógico y abstracción. El alumno aprenderá los principios básicos de la Electrónica Digital y adquirirá la habilidad de analizar, diseñar y construir circuitos electrónicos digitales combinaciones y secuenciales.

2 Unidad de Competencia I Elementos de Competencia Requerimientos de información 1.1 Introducción a los sistemas digitales. I.- Describir las características de los sistemas Características de las señales analógicas y digitales, así como las de los datos que se digitales. codifican y procesan en este tipo de sistemas Definición de señal digital y señal binaria El concepto de sistema digital Ventajas y desventajas de los sistemas digitales Clasificación de los sistemas digitales. 1.- Explicar los conceptos básicos de señal analógica, señal digital y señal binaria, con base en sus características temporales. 2.- Describir las características de un sistema digital, sus ventajas y desventajas con respecto a uno analógico. 3.- Describir la importancia de representar la información con distintos códigos. 4.- Analizar las propiedades de los sistemas numéricos de distintas bases, a través de la comparación de los sistemas decima, binario y hexadecimal. 6.- Describir las propiedades y aplicaciones de los códigos binarios más empleados en codificación de cantidades numéricas y texto. 1.2 Introducción a la teoría de la información 1.3 Sistemas numéricos Sistema binario Sistema hexadecimal Conversión entre sistemas. 1.4 Códigos binarios BCD Grey ASCII Unicode. Dado un diagrama a bloques de un sistema electrónico, identifica los bloques analógicos y digitales de este, y el tipo de señales que producen. - Diagramas a bloques de sistemas reales en los cuales se identifican los bloques digitales y analógicos, además de los distintos tipos de señales que aparecen entre los bloques de este sistema. Interpretación del valor de un número no signado en base binaria, decimal o Hexadecimal y representación en cualquiera de esas bases numéricas. Solución de operaciones de suma con números binarios no signados. - Reportes de una serie de ejercicios en los que números representados en una base numérica se cambian a otra. Las bases numéricas empleadas son decimal, binario, hexadecimal. - Reporte de problemas de sumas aritméticas con números binarios. Códigos binarios para representación de cantidades numéricas. Códigos binarios para representación de texto. - Reporte de investigación sobre códigos binarios para representación de texto, en la que se incluye el código UNICODE, ASCII.

3 Unidad de Competencia II Elementos de Competencia Requerimientos de información 1.- Conceptualizar los postulados de Huntington con la 2.1 Algebra de Boole II. Aplicar los fundamentos del álgebra booleana en el ayuda de la lógica de conjuntos Postulados de Huntington modelado de sistemas reales en donde existan variables lógicas. 3.- Comprobar los teoremas básicos del algebra booleana mediante la lógica de interruptores y los diagramas de Venn. 2.- Establecer analogías entre funciones lógica binaria y Teoremas básicos del álgebra de Boole Función lógica: definición y representación Tabla de verdad de una función lógica. diversas situaciones de la vida real. 2.2 Compuertas y familias lógicas. 4.- Obtener la expresión algebraica de una función booleana a partir de su tabla de verdad y viceversa mediante manipulación algebraica. 6.- Identificar las distintas compuertas lógicas que existen y el efecto que producen en el comportamiento Compuertas básicas (OR, AND y NOT) Compuestas (NAND y NOR) Especiales (XOR y XNOR) La familia TTL La familia CMOS. de un circuito digital. 7.- Analizar las diferencias eléctricas y funcionales entre compuertas implementadas con tecnología TTL y CMOS. 9.- Obtener el circuito digital que implementa a una 2.3 Representación de funciones Booleanas El concepto de minitérmino y maxitérmino Formas estándar y normalizadas (minitérminos y maxitérminos). función lógica de hasta 5 variables mediante la utilización de las compuertas lógicas básicas Comprender las ventajas y desventajas de la representación de una función booleana en suma de minitérminos, producto de maxitérminos y las formas estándar Convertir funciones booleanas expresadas en minitérminos a maxitérminos y viceversa, así como de la forma estándar de suma de producto a la de producto de sumas y viceversa.

4 Obtención de la función booleana que describe un sistema físico con variables lógicas. Obtención de la tabla de verdad de una función booleana dada. Obtención de tabla de verdad que define el funcionamiento de un circuito lógico a partir de su diagrama esquemático. Obtención de circuito electrónico que implementa a una función booleana dada. Obtención de la función booleana que define el funcionamiento de un circuito lógico a partir de su diagrama esquemático. Obtención de la función booleana en sus formas estándares y canónicas a partir de su tabla de verdad. - Reporte escrito con la verificación de los teoremas del algebra booleana mediante lógica de interruptores y diagramas de Venn. - Documento con la definición consensada de los conceptos de función lógica y tabla de verdad. - Ejercicios referentes a la obtención de la expresión booleana a partir de diagramas lógicos, tablas de verdad y viceversa. - Reporte escrito del trabajo de investigación de las tecnologías CMOS y TTL, en donde se mencionen las características de tiempos, niveles de voltaje, consumo de corriente en líneas lógicas y en líneas de alimentación. - Documento con la resolución de ejercicios relativos a las distintas formas de representar una función lógica. Postulados de Huntington. Teoremas Básicos del Algebra de boole. Características de los circuitos con tecnología TTL y con tecnología CMOS. Representaciones de funciones booleanas en las formas estándar y normal. Unidad de Competencia III Elementos de Competencia Requerimientos de información

5 III: Diseñar circuitos lógicos combinacionales discretos (SSI), mediante funciones booleanas. 1.- Aplicar los teoremas de Boole para la reducción de expresiones booleanas. 2.- Describir el concepto de adyacencia lógica y su importancia en los mapas K. 3.- Construir mapas K a partir de la tabla de verdad. 4.- Identificar las distintas variantes de representar un mapa K. 5.- Explicar el concepto de agrupación de términos adyacentes en un mapa K. 6.- Aplicar el método del mapa K para la simplificación de funciones booleanas 7.- Utilizar condiciones no completamente definidas en un mapa K. 8.- Emplear software especializado como herramienta de apoyo en la simplificación de funciones booleanas. 9.- Desarrollar la expresión booleana de salida de cualquier circuito lógico combinacional Construir la tabla de verdad a partir de la expresión de salida de un circuito lógico combinacional Utilizar el mapa K para la expansión de una expresión de salida que tenga variables suprimidas Diseñar un circuito combinacional para una expresión booleana de salida Diseñar un circuito combinacional para una tabla de verdad determinada Aplicar el teorema de Morgan para implementar cualquier expresión booleana con compuertas NAND y NOR Emplear software especializado de simulación para validación de diseños Resolver operaciones aritméticas de suma y resta con números binarios sin signo y signados Diseñar circuitos combinacionales para la implementación de sumadores, substractores y comparadores de magnitud. 3.1 Simplificación de funciones booleanas Manipulación algebraica Mapas de Karnaugh Verificación empleando software especializado 3.2 Análisis de circuitos combinatorios. 3.3 Diseño de circuitos combinatorios. 3.4 Implementación de circuitos digitales Partiendo de un función booleana Partiendo de una tabla de verdad En base a solo compuertas NAND y NOR Verificación de ejemplos usando software de diseño y simulación. 3.5 Aritmética binaria Codificación en complemento a uno de números binarios signados Codificación en complemento a dos de números binarios signados Operaciones aritméticas binarias básicas. 3.6 Implementación de funciones lógicas aritméticas Sumadores Substractores Comparadores de magnitud.

6 Simplificación de funciones booleanas a su mínima expresión usando manipulación algebraica, mapas de Karnaught y software de apoyo en diseño digital. Analizar un circuito lógico para lograr describir el comportamiento de este a través de una función lógica y una tabla de verdad. Diseño e implementación de circuitos lógicos a partir de la descripción de su funcionamiento. Diseño e implementación de circuitos que realicen operaciones aritméticas, Interpretación del valor de un número (signado o no signado) en base binaria, decimal o Hexadecimal y representación en cualquiera de esas bases numéricas. - Compendio de ejercicios selectos referentes a simplificación de funciones booleanas usando manipulación algebraica y mapas de Karnaugh. - Reportes del análisis del comportamiento de sistemas digitales reales implementados con circuitos TTL en protoboards. - Reportes de ejercicios de diseño de sistemas digitales reales, con su respectiva simulación en software. - Reporte de problemas de operaciones aritméticas de sumas y restas usando números signados de 8 bits. Mapas de Karnaugh Teorema de Morgan Solución de operaciones de suma y resta con números binarios signados y no signados. Unidad de Competencia IV Elementos de Competencia Requerimientos de información

7 IV. Diseñar sistemas digitales combinacionales con bloques funcionales (MSI). 1.- Analizar el funcionamiento del C.I. sumador completo de 4 bits 74LS Diseñar sumadores y restadores de n bits con C.I's 74LS Analizar el funcionamiento del C.I. comparador de magnitud de 4 bits 74LS Diseñar de comparadores de magnitud de n bits con C.I's 74LS Analizar el funcionamiento del C.I. codificador de prioridad de octal a binario 74LS Analizar el funcionamiento del C.I. codificador de prioridad de decimal a BCD 74LS Analizar el funcionamiento del C.I. decodificador/demultiplexor 74LS Diseñar decodificadores de n bits por medio de árbol de decodificadores. 9.- Analizar el funcionamiento de C.I. multiplexor de 8 a 1 74LS Diseñar de multiplexores de n bits por medio de árbol de multiplexores Analizar la hoja de datos de los C.I's convertidores de código Aplicar el método de diseño de funciones booleanas con decodificadores Aplicar el método de diseño de funciones boolenas con multiplexores Diseñar un sistema digital real con bloques funcionales MSI. 4.1 Bloques funcionales combinatorios MSI Sumadores Comparadores de magnitud Codificadores y decodificadores Multiplexores y demultiplexores Convertidores de código. 4.2 Implementación de funciones usando decodificadores. 4.3 Implementación de funciones usando multiplexores.

8 - Presentación de sumadores y restadores de n bits implementados Empleo de circuitos lógicos y aritméticos comerciales MSI para la implementación de sistemas digitales más complejos. Implementación de funciones booleanas usando decodificadores y multiplexores. - Presentación en protoboard de comparadores de código de n bits implementados. - Presentación y entrega de Simulaciones en software especializado de multiplexores y decodificadores de n bits. - Presentación en protoboard de funciones lógicas con decodificadores y multiplexores implementados. Unidad de Competencia V Elementos de Competencia Requerimientos de información V. Diseñar sistemas combinaciones con dispositivos lógicos programables (PLD s). 1.- Describir el concepto de dispositivo lógico programable (PLD) en base a los circuitos programables 2.- Clasificar los distintos tipos de PLD's. a partir de la forma en que fueron desarrollándose. 3.- Analizar la arquitectura interna de los distintos tipos de PLD's. 4.- Describir los origines del lenguaje VHDL. 5.- Identificar los conceptos básicos empleados en el lenguaje VHDL. 6.- Analizar la estructura básica de un programa en VHDL. A partir de las partes que lo integran. 7.- Explicar las distintas formas de descripción de circuitos en VHDL. 8.- Diseñar circuitos combinacionales con el software Warp en PLDs de tipo 22V Dispositivos Lógicos Programables Tipos de PLD s Arquitectura interna de los PLDs. 5.2 Diseño empleando VHDL Introducción a los lenguajes de descripción de hardware Conceptos básicos de VHDL Estructura de un programa en VHDL Formas de descripción en VHDL usando el enfoque comportamental Sistema de desarrollo Warp 6.3 de Cypress Implementación empleando la PALCE22V10.

9 Exposición sobre los diferentes tipos de PLD en la cual se describan sus características principales. Implementación de circuitos digitales mediante grabación de programas en PLDs utilizando el lenguaje VHDL, considerando el desarrollo de aplicaciones específicas. - Listados de los programas y simulaciones impresas para Warp de los ejercicios asignados. Circuitos digitales con PLDs implementados, de acuerdo a las indicaciones observadas en clase. - Clasificación de los PLDs. - Instrucciones y directivas del lenguaje VHDL. - Desarrollo de programas en lenguaje VHDL. Unidad de Competencia VI Elementos de Competencia Requerimientos de información VI. Describir los principios básicos de la lógica secuencial con base a los flip-flops 1.- Describir las características de un circuito digital secuencial, así como sus diferencias con respecto a los combinacionales. 2.- Analizar el diagrama a bloques general de un circuito lógico secuencial. 3.- Explicar los conceptos de: retroalimentación, estado interno, estado presente y estado futuro, empleados en los circuitos lógicos secuenciales. 4.- Clasificar los diferentes tipos de circuitos secuenciales en base a su operación. 5.- Analizar el funcionamiento y las propiedades de los celdas básicas SR sin reloj. 6.- Explicar el concepto de señal de reloj y su relevancia en los circuitos lógicos secuenciales. 7.- Estudiar las características de una señal de reloj a partir de los parámetros de amplitud, frecuencia y tiempos de transición. 8.- Analizar el funcionamiento y las propiedades de los celdas básicas SR y JK con reloj. 9.- Analizar las diferencias de funcionamiento entre celdas básicas activadas por nivel y por flanco Describir el funcionamiento de circuitos detectores de flanco, considerando los tiempos de transición Describir el concepto de latch y el de Flip-Flop (FF) Describir el funcionamiento de circuitos detectores de flanco. Con base en los símbolos gráficos Analizar el funcionamiento y las propiedades de los FF's SR, D, T y JK. Mediante tablas de transición de 6.1 Introducción a la lógica secuencial Estructura básica de un circuito secuencial El concepto de estado (actual y siguiente) Clasificación de los circuitos secuenciales Formas de descripción en VHDL usando el enfoque estructural y de flujo de datos. 6.2 Celdas básicas secuenciales Celda básica RS con NAND sin reloj Celda básica RS con NOR sin reloj Celda básica JK sin reloj El concepto de señal de reloj y sus características Circuitos generadores de base tiempo Celda básica RS con reloj Circuito detector de flancos Celda básica JK con reloj. estructural, flujo de datos y 6.3 Clasificación de los flip-flops de acuerdo a la forma de activación FF activados por flanco FF activados por nivel (latch) 6.4 Tipos de FF s y sus características FF SR FF JK FF D FF T.

10 estado y diagramas de tiempo Analizar el efecto de las señales asíncronas en los FF's Entradas asíncronas. - Mapa conceptual de un sistema lógico secuencial. que incluya los diferentes tipos de circuitos correspondientes. Exposición de los dispositivos y circuitos básicos de la lógica digital secuencial en base a su clasificación. Presentación de las formas de activación o disparo en los dispositivos de lógica secuencial de acuerdo a las formas existentes en los circuitos integrados secuenciales. Simulación con diagramas de tiempo que muestren la operación de los dispositivos y circuitos básicos de la lógica digital secuencial. - Definición consensada de los conceptos de: realimentación, estado interno, estado presente y estado futuro. - Cuadro sinóptico con las distintas clasificaciones de los circuitos lógicos secuenciales. - Compendio de ejercicios acerca del análisis de circuitos con celdas básicas, latch's y FF's. - Simulaciones en software de los circuitos de reloj y de los detectores de flanco. - Compendio de ejercicios acerca del análisis de circuitos sencillos con celdas básicas, latch's y FF's. - Reporte con los diagramas de tiempo obtenidos de la resolución ejercicios asignados. - Sistema implementado en protoboard mediante tecnología de lógica secuencial. - Funcionamiento de los dispositivos básicos de la lógica secuencial. - Diagramas de tiempo que muestren el funcionamiento de los flip flops. - Modelado de dispositivos Flip-Flops mediante lenguaje VHDL. Unidad de Competencia VII Elementos de Competencia Requerimientos de información

11 VII. Diseñar circuitos lógicos secuenciales no programables. 1.- Analizar las diferentes filosofías de implementación de máquinas secuenciales. 2.- Describir los conceptos de: tablas de estados, diagrama de estados y ecuaciones de estado con base en análisis realizado. 3.- Analizar circuitos lógicos secuenciales por medio de la metodología de análisis sistemática. 4.- Describir los conceptos de: tabla de excitación, estados equivalentes en base a la operación de los Flip- Flops. 5.- Diseñar circuitos lógicos secuenciales de tipo Mealy. 6.- Diseñar circuitos lógicos secuenciales de tipo Moore. 7.- Diseñar máquinas secuenciales con PLD's. 8.- Diseñar circuitos contadores síncronos y asíncronos. 9.- Analizar los distintos tipos de registros con base en su operación Diseñar circuitos secuenciales con software especializado. 7.1 Tipos de máquinas secuenciales Máquinas Mealy Máquinas de Moore. 7.2 Análisis de máquinas secuenciales Tablas de estados Diagramas de estados Ecuaciones de estados Procedimiento general de análisis. 7.3 Diseño de máquinas secuenciales Reducción de estados Tablas de excitación Asignación de estados Procedimiento general de diseño Implementación de máquinas secuenciales con PLD s Diseño de máquinas secuenciales con VHDL. 7.4 Dispositivos basados en FF Contadores síncronos Contadores de rizo o asíncronos Registros de desplazamiento Ejemplos de aplicación con la ayuda de software especializado.

12 Análisis de diferentes circuitos secuenciales y describir la función que realiza dicho circuito. Implementación de un circuito secuencial que sea capaz de realizar las funciones solicitadas. Implementación de contadores síncronos y asíncrono donde se describan las aplicaciones en la vida real que pueden tomar. - Reporte con ejemplos de circuitos secuenciales reales. - Reporte con los ejercicios de análisis de circuitos secuenciales, en el cual se muestre claramente el procedimiento. Características y descripción del funcionamiento De las máquinas de Mealy y de Moore Simulaciones del funcionamiento de los diversos registros en donde se demuestre su modo de operación. - Compendio de ejercicios de diseño circuitos secuenciales, en la cual se incluya la simulación y el detalle del procedimiento. Unidad de Competencia VIII Elementos de Competencia Requerimientos de información VIII. Analizar las características de circuitos integrados secuenciales típicos. 1.- Analizar el funcionamiento del C.I. contador ascendente/descendente con carga en paralelo de 4 bits 74LS Analizar el funcionamiento del C.I. contador de décadas 74LS Analizar el funcionamiento del C.I. registro universal de 4 bits 74LS Analizar el funcionamiento del C.I. latch octal con salida triestado 74LS Analizar el funcionamiento del C.I. registro octal con salida triestado 74LS Diseñar circuitos en que se apliquen circuitos integrados secuenciales contadores y registros. 8.1 Circuitos integrados contadores El circuito contador binario 74LS El circuito contado de décadas 74LS Circuitos integrados de tipo registro El circuito registro universal 74LS El circuito latch octal 74LS El registro octal 74LS374.

13 Diseño de circuitos secuenciales para aplicaciones predeterminadas, empleando circuitos integrados secuenciales básicos tales como contadores, registros, latch, etc. - Circuitos medidores de tiempo, contadores de eventos y divisores de frecuencia, implementados en protoboards donde se demuestre su modo de operación y aplicación. - Compendio de simulaciones de sistemas que integren en su diseño C.I's contadores o registros. Características particulares de los circuitos integrados 74LS193, 74LS90, 74LS194, 74LS373 y 74LS374. Actitudes: - Se muestra tolerante a los distintos puntos de vista de sus compañeros. - Se muestra colaborativo en las actividades de aprendizaje. - Denota autonomía en las actividades de aprendizaje.

14 Evaluación del curso. En el enfoque por competencias la evaluación se realiza por evidencias y sus criterios de evaluación, los cuales ya están en este programa, en esta sección se expresa las ponderaciones que esa evaluación se le asignan con motivo de emitir la nota de calificación necesaria para el sistema escolar de la Institución. Evaluación Criterio Parciales 50 % Trabajo en clase, asistencia y asignaciones 10 % Proyecto final 20 % Proyecto de medio semestre 20 % Ponderación Ponderaciones para calificación final del curso: o Unidad I : 10% o Unidad II: 13% o Unidad III: 23% o Unidad IV : 10% o Unidad V: 10% o Unidad VI: 12% o Unidad VII : 17% o Unidad VIII: 5% 100% (cumplimiento total de criterios)

15 Bibliografía. Bibliografía básica TOCCI, RONALD J., SISTEMAS DIGITALES; PRINCIPIOS Y APLICACIONES. Edición 10, Pearson Educación, México, MANO M., FUNDAMENTOS DE DISEÑO LÓGICO Y COMPUTADORES. Edición 3, Pearson Educación. España., Bibliografía de consulta FLOYD, T. L., FUNDAMENTOS DE SISTEMAS DIGITALES. Edición 9, Pearson Educación. España., BROWN S., VRANESIC Z. G., FUNDAMENTOS DE LÓGICA DIGITAL CON VHDL, Edición 2, McGraw-Hill, México, WAKERLY J., DISENO DIGITAL: PRINCIPIOS Y PRÁCTICAS, Edición 3,Prentice Hall, México, 2000.