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SERVICIO NACIONAL DE ADIESTRAMIENTO EN TRABAJO INDUSTRIAL MANUAL DE APRENDIZAJE CÓDIGO: 89001640 Profesional Técnico SISTEMAS DIGITALES SOPORTE Y MANTENIMIENTO DE EQUIPOS DE COMPUTACIÓN

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SERVICIO NACIONAL DE ADIESTRAMIENTO EN TRABAJO INDUSTRIAL

MANUAL DE APRENDIZAJE

CÓDIGO: 89001640

Profesional Técnico

SISTEMAS DIGITALES

SOPORTE Y MANTENIMIENTO DE EQUIPOS DE COMPUTACIÓN

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SISTEMAS DIGITALES TAREA 1: IMPLEMENTA CIRCUITOS DIGITALES COMBINACIONALES. En esta tarea el estudiante implementa sistemas digitales combinacionales, interactúa para este fin con puertas lógicas y con circuitos integrados de funciones específicas como: decodificadores, multiplexores y demultiplexores. La operación a realizar en esta tarea es: Entiende e implementa circuitos digitales combinacionales.

EQUIPOS Y MATERIALES: • Manual del curso. • Apuntes de clase. • Fuente de alimentación regulada

de 5V. • Diodos emisores de luz. • Resistencias varias de 1/4W

(330Ω, 100Ω, etc.). • Potenciómetro 1KΩ. • Cables de conexión.

• Display de 7 segmentos. • Circuitos integrados (7400, 7404,

7432, etc.) • Dip switch. • Push bottons. • Computadora con microprocesador

Core I3 o superior. • Sistema operativo Windows. • Software de simulación electrónica

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SISTEMAS DIGITALES 1.1. OPERACIÓN: ENTIENDE E IMPLEMENTA CIRCUITOS DIGITALES

COMBINACIONALES. Primeramente se explica (a manera de repaso) el uso de la tablilla de conexiones (protoboard), y se describe una opción de fuente de alimentación usando una pila de 9 volts y el regulador 7805, así como la aplicación de los diodos emisores de luz (LED), que son esenciales para visualizar los valores de entrada y salida de los circuitos, incluyendo los interruptores y las resistencias necesarios para su adecuado funcionamiento. 1. Reconocimiento del protoboard: El protoboard está construido por un bloque

central y dos tiras en los extremos. El bloque central está formado por grupos de cinco contactos conectados en común, divididos por una canaleta central, de manera que cuando un componente o dispositivo se inserta en la tablilla, quedan cuatro contactos libres para interconexiones con las terminales del dispositivo.

En las tiras de los extremos hay ocho grupos de 25 contactos comunes, las cuales son convenientes para señales como VCD (voltaje de corriente directa o positiva), GND (tierra o negativo) o cualquier señal que requiera más de cinco contactos comunes. Es recomendable usar

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terminales o alambre de calibre 24 o 26 para la interconexión, ya que usar alambre de calibre más grueso muy probablemente dañaría los contactos de la tablilla de terminales. Para la interconexión de los elementos del circuito dentro de la tablilla de conexiones, se recomienda preparar alambres descubriendo la parte metálica de los extremos.

2. Implementar en el protoboard de conexiones los siguientes circuitos: • Fuente de alimentación 5 volts de corriente directa.

• Circuito para visualizar los valores de entrada.

• Circuito para visualizar los valores de salida.

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PROCESO: a) Identifique las terminales del diodo emisor de luz

ánodo y cátodo. Si observamos el contorno inferior del encapsulado del LED notaremos una parte plana, como lo indica la figura. La terminal del lado plano es el cátodo y la otra terminal es el ánodo.

b) Conecte el ánodo del LED en una de las tiras de la tablilla de conexiones que corresponde al positivo de la fuente (+5VCD); y el cátodo del LED, en una de las hileras del bloque central.

c) A continuación conectamos la resistencia de 330 K (franjas naranja, naranja y café) en la tablilla de conexiones, donde una de sus terminales se coloca en una tira del extremo que corresponderá a la tierra (GND); y la otra terminal, en la misma fila central donde colocamos el LED (paso anterior). Cabe mencionar que en las hileras centrales, los comunes están representados en forma horizontal y la función de la resistencia es limitar la corriente que pasará a través del LED, ya que si éste lo conectáramos directamente a la fuente, posiblemente el LED se quemaría por no tener un límite de corriente.

d) Probamos tres opciones para efectuar la conexión y cerrar el circuito entre el LED y la resistencia. • Cable de conexión: La interconexión de un LED y una resistencia se realiza

fácilmente usando un alambre. • DIP switch: Si ahora deseamos conectar una mayor cantidad de LEDS y

resistencias, utilizamos un DIP switch, el cual consta de 8 switchs, que se pueden utilizar de uno en uno, o bien, todos a la vez. En la figura se representa en su conexión más simple.

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• Push button: Otra manera de instaurar el circuito anterior es mediante el uso de un push button. Al oprimir el botón se cierra el circuito, permitiendo el paso de la corriente. Note que la conexión de este dispositivo es en forma diagonal.

• CONEXIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS (C.I.). 1º. Para que funcionen correctamente,

deben de estar conectados a una tensión de 5V. Para realizar esto, el polo (+) y el polo (-) deben de estar conectados a una determinada pata de cada C.I. que se indican en su hoja de especificaciones, como en el caso del siguiente ejemplo: 7400 (4 puertas NAND).

2º. El conexionado de los montajes se realizará mediante el protoboard y utilizará la fila A para las conexiones a 5V (polo positivo) y la fila L para las conexiones a 0V (polo negativo).

3º. Como fuente de tensión se utilizara una fuente de poder estabilizada con salida de 5V o en su defecto se puede emplear la fuente explicada anteriormente. Esto significa que, como los C.I. no admiten más de 5V y una corriente de 10 mA, no podemos colocar directamente el polo (+) en la fila A, sino que DEBEMOS PASAR PREVIAMENTE POR UNA RESISTENCIA LIMITADORA DE TENSIÓN.

¿Qué valor tendrá? Teniendo en cuenta que en sus bornes ha de tener una caída de tensión de 1V y que la corriente que permita pasar sea de 10 mA, aplicamos la ley de Ohm:

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Si no se tiene la seguridad de tener siempre exactamente 5V en los porta pilas, ya que cuando son nuevas, los multitester suelen marcar mayor al voltaje nominal; lo que se realiza es colocar un POTENCIÓMETRO de 1KΩ. En la siguiente ilustración recordamos cuales son los valores de las diferentes resistencias que podemos obtener según la conexión de sus tres patas (en este caso, para 1K). Siempre al comienzo de cada práctica ajustaremos con ayuda de un multitester los 5V. En la primera ilustración podemos ver el esquema eléctrico necesario y, en la segunda, como sería el montaje con los elementos según su aspecto exterior.

4º. Código de colores del cableado. Para hacer más fácil el montaje y, caso de

que no funcione, su posterior revisión, nos atendremos durante el montaje OBLIGATORIAMENTE al siguiente código de colores para el cableado: • ROJO: cualquier cable que conecte un elemento directamente a 5 voltios. • NEGRO: cualquier cable que conecte un elemento directamente a 0 voltios. • AMARILLO: las entradas de las puertas lógicas. • VERDE: conexiones entre diferentes C.I. • CUALQUIER OTRO COLOR, para las salidas de los diferentes C.I.

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SISTEMAS DIGITALES • COMPROBACIÓN DE LAS PUERTAS LÓGICAS.

1. PUERTA NOT: La puerta NOT o INVERSOR

es aquella que en la salida tiene el valor inverso de la entrada. Su símbolo y su tabla de verdad es la siguiente: Implementar en el protoboard el siguiente circuito con puerta lógica NOT y con interruptor. Utilizar el circuito integrado 7404, que consiste en 6 puertas NOT y cuyo conexionado interno puedes Observar en la figura:

El conexionado tendría el siguiente aspecto:

Uso del conmutador. El conmutador tiene una finalidad muy concreta: es el encargado de introducir en la entrada de las puertas lógicas todos los valores posibles: un “1” cuando conecta la entrada de la puerta lógica a 5V y un “0” cuando conecta la entrada de la puerta lógica a 0V. Se puede sustituir, para simplificar los montajes, por un cable con los dos extremos pelados. Uno de los extremos, lo

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SISTEMAS DIGITALES conectamos a la entrada de la puerta lógica y, dependiendo del valor que queramos darle, conectaremos el otro extremo en la línea A de la Placa borrad (5V) o en la línea L (0V), tal como podemos ver en el esquema: Analizar el funcionamiento y completar la tabla de verdad siguiente:

2. Puerta OR (O): La puerta OR es aquella que en la salida está a 0 solamente cuando todas las entradas están a 0. Su tabla de verdad es la siguiente:

Implementar en el protoboard el siguiente circuito con puerta lógica OR y con interruptor. Utilizar el circuito integrado 7432, que consiste en 4 puertas OR y cuyo conexionado interno puedes observar en la figura:

El conexionado tendría el siguiente aspecto:

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Analizar el funcionamiento y completar la tabla de verdad siguiente:

3. Puerta AND (Y): La puerta AND es aquella que en la salida está a 1 solamente cuando todas las entradas están a 1. Su tabla de verdad es la siguiente:

Implementar en el protoboard el siguiente circuito con puerta lógica AND y con interruptor. Utilizar el circuito integrado 7408, que consiste en 4 puertas AND y cuyo conexionado interno puedes observar en la figura:

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El conexionado tendría el siguiente aspecto:

Analizar el funcionamiento y completar la tabla de verdad siguiente:

4. Puerta NOR (NO - O): La puerta NOR es UNA PUERTA OR a la que en la salida se le ha colocado un INVERSOR (puerta NOT) y, por tanto, la salida estará a 1 cuando todas las entradas estén a 0. Su tabla de verdad es la siguiente:

Se puede observar que su tabla es la CONTRARIA de la PUERTA OR. Implementar en el protoboard el siguiente circuito con puerta lógica NOR y con

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SISTEMAS DIGITALES interruptor. Utilizar el circuito integrado 7402, que consiste en 4 puertas NOR y cuyo conexionado interno se puede observar en la figura:

El conexionado tendría el siguiente aspecto:

Analizar el funcionamiento y completar las tablas de verdad:

5. Puerta NAND (NO - Y): La puerta NAND es UNA PUERTA AND a la que en la salida se le ha colocado un INVERSOR (puerta NOT) y, por tanto, la salida estará a 0 solo cuando todas las entradas estén a 1. Su tabla de verdad es la siguiente:

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Se puede observar que su tabla es la CONTRARIA de la PUERTA AND. Implementar en el protoboard el siguiente circuito con puerta lógica NAND y con interruptor. Utilizar el circuito integrado 7400, que consiste en 4 puertas NAND y cuyo conexionado interno se puede observar en la figura:

El conexionado tendría el siguiente aspecto:

Analizar el funcionamiento y completar las tablas de verdad:

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6. Puerta OR EXCLUSIVA o EXOR: La puerta OR EXCLUSIVA o EXOR realiza una función lógica más compleja que las anteriores. La función es tal que en la salida habrá un 0 siempre que sus entradas tengan igual nivel. Su tabla de verdad es la siguiente:

Implementar en el protoboard el siguiente circuito con puerta lógica EXOR y con interruptor. Utilizar el circuito integrado 7486, que consiste en 4 puertas EXOR y cuyo conexionado interno puedes observar en la figura:

El conexionado tendría el aspecto de la imagen inferior. Analizar el funcionamiento y completar las tablas de verdad:

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SISTEMAS DIGITALES • COMPROBACIÓN DE LOS POSTULADOS PRINCIPALES DEL ALGEBRA

DE BOOLE Realizar la comprobación de los postulados principales del algebra de Boole, para ello realizar la representación gráfica e implementación física de los siguientes postulados:

A + 1 = 1 A + 0 = 0

A + A = A A + Ā = 1

• SISTEMA COMBINACIONAL CON PUERTAS LÓGICAS. Implementar un sistema combinacional capaz de cubrir las necesidades de control de aterrizaje de un pequeño aeropuerto, el cual consta de tres pistas llamadas A, B y C. En ese aeropuerto aterrizan dos tipos de aviones: un DC9 que requiere de una sola pista para aterrizar y un B747 que necesita de dos pistas para hacerlo. El avión B747 tiene prioridad de aterrizar respecto del DC9. Resolución: Diseñe un sistema combinacional que determine qué tipo de avión podría aterrizar en función de las pistas disponibles. 1. Especificar el sistema. Las variables que intervienen son:

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SISTEMAS DIGITALES 2. Determinar entradas y salidas. Donde las pistas A, B, C son las entradas del

sistema; mientras que el permiso para aterrizar para el DC9 o el B747 son las salidas que a continuación se representan en un diagrama de bloques.

3. Trasladar el comportamiento del sistema a una tabla de verdad. Hay que

decidir el valor de las salidas (0 o 1) para cada una de las combinaciones de entrada:

4. Minimizar. Para hacerlo se utilizan los mapas de Karnaugh para simplificar las funciones DC9 y B747.

5. Diagrama esquemático:

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6. Simular el sistema empleando un software de simulación de electrónica digital.

7. Realizar la implementación física en el protoboard del sistema digital explicado.

• SISTEMA COMBINACIONAL CON CI MSI Y LSI.

DECODIFICADORES: Los decodificadores son circuitos combinacionales basados en puertas lógicas que trasforman un código de tipo binario en código decimal. Su función consiste en activar una sola de sus salidas dependiendo del estado lógico en que se encuentren sus entradas. Tienen "n" entradas y 2n salidas. Implementar un decodificador de 2 entradas y 4 líneas de salida, se tendrá la siguiente tabla de verdad y circuito.

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SISTEMAS DIGITALES DECODIFICADOR DE 7 SEGMENTOS: Existen circuitos integrados de decodificadores como: el circuito TTL 7446, 7447 y 7448 que con cuatro entradas (A, B, C y D) en código binario BCD produce siete salidas (a, b, c, d, e, f y g) activas a nivel bajo (0V) capaces de suministrar corriente a los leds de un display de 7 segmentos. El 7446 con sus salidas en colector abierto (30V), el 7447 también con sus salidas en colector abierto (15V) y el 7448 con salida de potencia y resistencia interna de 2 kilo ohmios. Tienen además las siguientes entradas de control: • RBI = entrada de propagación de borrado activa a nivel bajo (0V): a nivel bajo

(0V) apaga el display, siempre que LT esté a nivel alto (5V) y todas las entradas A, B, C y D estén a nivel bajo (0V). Además, pone la salida RBO a nivel bajo (0V) para que se pueda propagar el borrado.

• LT = prueba de lámpara: a nivel bajo (0V) todos los segmentos de salida se encienden (salidas a nivel bajo 0V), siempre que BI esté a nivel alto (5V).

• BI/RBO = borrado prioritario a nivel bajo (0V): con BI a nivel bajo (0V) apaga el display, independientemente de las demás entradas. Actúa también como salida indicadora de apagado del display RBO.

Realizar la implementación y la tabla de verdad del circuito que se muestra a continuación:

MULTIPLEXORES: Realizar la implementación de un multiplexor y comprobar su funcionamiento, se puede usar cualquier multiplexor disponible en el laboratorio como: 74151, 74157,

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SISTEMAS DIGITALES 74153 u otro. En esta demostración se muestra un circuito con el multiplexor 74151, que contiene un multiplexor con ocho entradas de datos y una salida. Tiene una entrada de inhibición (STROBE G) activa a nivel bajo (0V) y tres entradas de selección (SELECT A, B y C). Cuando STROBE (G) está a nivel bajo, las entradas SELECT A, B y C seleccionan el canal cuyo dato aparecerá en la salida.

DEMULTIPLEXOR / DECODIFICADOR: Realizar la implementación de un demultiplexor/decodificador y comprobar su funcionamiento, se puede usar cualquier CI disponible en el laboratorio como: 74139, 74138, 74155, 8321 u otro. En esta demostración se muestra un circuito con el multiplexor 74138. Este circuito integrado contiene un demultiplexor 1:8, que también puede funcionar como decodificador 3 a 8. La relación de pines de este integrado es la siguiente: • A, B y C: entradas de selección activas a nivel alto (5V). • E3: entrada de validación o de dato activa a nivel alto (5V). • E2 y E1: entradas de validación activas a nivel bajo (0V). • Y0, Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7: salidas del demultiplexor activas a nivel bajo

(0V). La tabla de verdad y el montaje del demultiplexor es la siguiente:

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Para que el circuito funcione como demultiplexor la entrada E3 tiene que estar a 1 y una de las otras dos (E2 o E1) a 0. Si E2=0 el dato se introduce por E1 y si E1=0 el dato se introduce por E2. En ambos casos el dato es activo a nivel bajo al igual que las salidas. Para realizar la decodificación las variables de validación deben valer E1=0, E2=0 y E3=1. Al estar la salida seleccionada a nivel bajo (0V) para visualizar la demultiplexación o la decodificación colocamos el LED de tal manera que se encienda cuando hay 0V a la salida y se apague con 5V en la salida. FUNDAMENTO TEÓRICO: SISTEMAS DIGITALES. Se denomina sistema digital al sistema que realiza operaciones mediante dígitos, los cuales usualmente se representan como números binarios. Las principales operaciones son: ingreso, procesamiento, transmisión, almacenamiento y despliegue de datos digitales.

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SISTEMAS DIGITALES Los sistemas análogos representan las variables en forma continua, en el tiempo; los digitales en forma discreta. Los sistemas simbólicos emplean letras o iconos como símbolos no numéricos. Los sistemas análogos están siendo reemplazados por sistemas digitales, para esto las cantidades físicas en forma análoga, por ejemplo: sonidos, imágenes, voltajes, distancias, deben ser convertidas a representaciones digitales mediante técnicas de aproximación, empleando dispositivos de conversión análogo-digitales. Primero se toman muestras, luego se convierten las muestras en números. DISEÑO CLÁSICO Y ACTUAL: El permanente cambio que tiene el estudio de sistemas digitales se debe principalmente a tres factores: • La continua evolución de la tecnología digital que en menor tamaño coloca cada

vez mayor número de componentes más rápidos. • El desarrollo de herramientas de ayuda al diseño digital (CAD) que permiten

enfrentar tareas extremadamente complejas • Las nuevas metodologías de desarrollo de software que facilitan el desarrollo de

aplicaciones complejas con interfaces visuales, como las herramientas CAD y los lenguajes de descripción de hardware (HDL).

Las primeras metodologías de diseño digital, que se podrían denominar clásicas, permiten comprender los principios de funcionamiento de los sistemas digitales básicos, y pueden ser desarrolladas empleando papel y lápiz. Emplean los principios teóricos del álgebra de Boole y algoritmos de minimización. Sin embargo los algoritmos son de tipo no polinomial, y no pueden ser aplicados a situaciones de mediana complejidad (redes con más de 5 entradas), debido a su costo exponencial. Sin embargo, al ser posible enfrentar diseños digitales más complejos, debido a la tecnología, debieron desarrollarse nuevas heurísticas para representar sistemas digitales, minimizarlos, y poder implementarlos en base a bloques lógicos determinados. En estos nuevos algoritmos, están basadas las herramientas CAD. Su exposición y estudio corresponde a disciplinas de programación, estructuras de datos y algoritmos.

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SISTEMAS DIGITALES CONCEPTOS BÁSICOS EN SISTEMAS DIGITALES. Comenzaremos nuestro estudio realizando un breve repaso de los conceptos básicos de electrónica digital. LÓGICA DIGITAL: DEFINICIÓN DE LÓGICA DIGITAL. Los circuitos que trabajan con electrónica digital son aquellos que son capaces de obtener decisiones lógicas como salida a partir de unas ciertas condiciones de entrada. En consecuencia, se puede decir que en algunos casos parecen que son inteligentes, aunque esto no es cierto, ya que no tienen capacidad para pensar por sí mismos, sino que están programados por la persona que los diseñó.

La electrónica analógica y la digital son opuestas, ya que la primera trabaja con señales que varían de forma continua, mientras que la segunda trabaja con señales de naturaleza

incremental. En electrónica analógica los parámetros de medida usuales son los voltajes e intensidades, mientras que en electrónica digital se miden los estados lógicos de un circuito.

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SISTEMAS DIGITALES ELEMENTOS DIGITALES DE DECISIÓN Y MEMORIA. Como se ha visto antes, los circuitos digitales tienen ciertos estados lógicos dentro de su funcionamiento, lo que significa que presentan cierta memoria para realizar las tareas para las que se les han programado. El elemento que hace posible que se disponga de esa memoria es la puerta lógica, que será el elemento base de toma de decisiones de nuestros circuitos. Así interconectando varias puertas lógicas se conseguirán codificar los posibles resultados que se deseen obtener de un circuito, codificando la información necesaria en la red de puertas lógicas que se formará en cada caso. La salida de estos elementos es un “si” o un “no”, que dependerá de los estados de sus entradas. Por ello se trabajará con el sistema de numeración binario, en el que solo existirán esos estados. Este sistema es un sistema en base 2, frente al de base 10 que se utiliza normalmente en la vida cotidiana. Para poder trabajar con él se utilizará el álgebra de Boole, que definirá las normas de utilización de este nuevo sistema. SISTEMA BINARIO. Como se dijo anteriormente este sistema es el que se utilizará cuando se trabaje en electrónica digital. Se basa en la utilización de dos números para representar cualquier cantidad, que son el “0” y el “1”. En electrónica estos números representarán los niveles de tensión de cada punto de un circuito, “1” cuando exista tensión alta y “0” cuando la tensión sea nula. El procedimiento de la formación de cualquier número en este sistema sigue el mismo procedimiento que el sistema decimal, pero sustituyendo las potencias de 10 por potencias de dos. Las equivalencias entre los primeros números decimales y los binarios se muestran en la tabla.

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SISTEMAS DIGITALES CONVERSIÓN DE DECIMAL A BINARIO. Existen dos métodos para realizar la conversión de un número decimal a binario. • Teniendo en cuenta las sucesivas potencias de dos y su correspondiente valor

en decimal. Se ajustará la suma total de los números binarios puestos a uno y su correspondiente valor en decimal. La similitud entre ambos sistemas se muestra más abajo.

Potencias de 2 28 27 26 25 24 23 22 21 20

Equivalencia decimal 256 128 64 32 16 8 4 2 1

• Realizando sucesivas divisiones por la

base binaria 2. El resultado se obtiene recogiendo números enteros de la operación, empezando por el último cociente y siguiendo por los restos de cada división, desde abajo hacia arriba.

ARITMÉTICA BINARIA. Las reglas para realizar operaciones en aritmética binaria son similares a las que se utilizan en el sistema decimal, pero mucho más simples, ya que se utilizan solamente dos números. Las reglas para las cuatro operaciones básicas son:

OTROS CÓDIGOS BINARIOS. Hay otros códigos binarios que se utilizan en electrónica digital y que por su importancia se explican a continuación.

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SISTEMAS DIGITALES • Decimal codificado en binario (BCD): Este sistema es una forma particular de emplear el sistema binario, que se utiliza para representar números decimales. Cada dígito decimal se representa con bloques independientes de 4 bits codificados en binario. Se utiliza para representación de números decimales en displays. Su formato se representa en la tabla. De esta forma la representación de números decimales se haría de la siguiente forma:

• Código de paridad de bit: Éste no es en sí un sistema de numeración, sino que más bien es un sistema de seguridad para otro sistema de numeración. Se utiliza en la transmisión de datos entre computadoras y en algunos tipos de memorias, para controlar que el byte recibido es correcto y no ha sufrido modificación de la información en el proceso de transmisión de los datos digitales. Funciona con un solo bit, que representa el tipo de paridad que tiene el byte que lo acompaña junto con el propio bit de paridad, según los siguientes formatos. o Paridad impar: El número de unos del grupo de bits formado por los datos y el

bit de paridad es siempre impar, con lo que el bit de paridad es puesto a uno si el número de unos del dato original era par y se pone a cero en el caso contrario.

o Paridad par: El número de unos del grupo de bits formado por los datos y el bit de paridad es siempre par; con lo que el bit de paridad es puesto a uno si el número de unos del dato original era impar y se pone a cero en el caso contrario.

ÁLGEBRA DE BOOLE. Este tipo de álgebra es el que define todas las operaciones de la lógica digital y la forma con la que se trabajará con las señales digitales. PROPIEDADES DEL ALGEBRA DE BOOLE.

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SISTEMAS DIGITALES A continuación se enumeran las propiedades del álgebra de Boole que se cumplirán en los circuitos digitales. Las utilizaremos para simplificar las funciones lógicas que se verán más adelante. Son las mismas que se utilizan en las matemáticas comunes, pero añadiendo algunas normas más. Propiedad conmutativa: Dadas dos variables booleanas se cumple:

Propiedad distributiva: Dadas tres variables booleanas se cumple:

Propiedad asociativa: Dadas tres variables booleanas se cumple:

Elemento neutro: Para cada operación que se puede realizar en el álgebra de Boole existe un elemento neutro, tal que no modifica el valor de un operando cualquiera, si se aplica dicha operación con el elemento neutro. Es decir:

Elemento simétrico: Es el elemento inverso de un operando. Se representa con una línea superior encima de su símbolo. Siempre se cumple que:

Esto significa que:

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SISTEMAS DIGITALES TEOREMAS DEL ÁLGEBRA DE BOOLE. Los teoremas que se enumeran a continuación son esenciales para reducir de forma eficaz las expresiones lógicas que representarán los circuitos que se diseñarán con puertas lógicas. Ley de dualidad: Toda expresión del álgebra de Boole tiene una expresión dual. Ésta se forma a partir de la original cambiando los “0” por “1” y los “+” por “x” y viceversa. Es decir:

Ley de idempotencia: Para toda variable lógica se cumple:

Ley de absorción: Dadas dos variables lógicas se cumple:

Ley de la doble negación: Para toda variable lógica se cumple:

Leyes de Morgan: Sirve para convertir sumas en productos y viceversa. Son dos leyes muy importantes para la práctica, ya que permiten realizar todas las operaciones lógicas con una sola función.

PUERTAS LÓGICAS. Estos elementos digitales son los que van a permitir realizar las funciones lógicas que se deseen, en función de las salidas que requieran para unos determinados estados lógicos de entrada (las variables).

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SISTEMAS DIGITALES Las puertas trabajarán con estados lógicos de tensión, es decir, el “1” lógico se representará con tensiones altas y el “0” lógico con tensiones bajas. Todas las funciones que deba realizar un circuito lógico estarán controladas por el álgebra de Boole. Cada puerta lógica representará un tipo de operación del álgebra de Boole, con lo que con combinaciones de varias puertas se pueden formar funciones complejas formadas por múltiples variables. TIPOS DE PUERTAS LÓGICAS. A continuación se representarán las puertas lógicas fundamentales junto con su símbolo esquemático y la tabla de verdad que las representa. En la tabla de verdad se representan los estados de la salida de la puerta dependiendo del valor que tomen las variables de entrada. Puerta lógica OR: Representa la suma del álgebra de Boole. Su salida será 1 si hay al menos una entrada puesta a 1.

Puerta lógica AND: Representa el producto en el álgebra de Boole. Su salida será 1 si todas sus entradas son 1.

Puerta lógica NOT: Representa la negación lógica del álgebra de Boole. Su salida será la inversa de su entrada.

Las puertas que se han mostrado hasta ahora son las puertas básicas, pero hay más, que aparecen como combinación de las anteriores y son también muy utilizadas en los circuitos digitales de propósito general.

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SISTEMAS DIGITALES Puerta lógica NOR: Es la suma lógica negada. Se compone de la suma normal seguida de una puerta NOT. Su salida es 1 si son 0 todas sus entradas. Su símbolo esquemático y tabla de verdad son:

En donde el círculo existente en la salida de la puerta quiere decir que su salida está negada. Puerta lógica NAND: Representa el producto lógico negado, con lo que su salida será 0 si sus dos entradas son 1. Su símbolo y tabla de verdad son:

Puerta lógica OR-Exclusiva: Esta puerta es la combinación de varias puertas de las que se han visto anteriormente y la más complicada internamente. Su salida es uno si sus dos entradas son distintas y cero si son iguales. Su símbolo esquemático y tabla de verdad son:

Puerta lógica NOR-Exclusiva: Es la puerta complementaria a la anterior. Su salida será 1 si sus dos entradas son iguales y será cero en el caso contrario. Su símbolo y tabla de verdad son:

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SISTEMAS DIGITALES CARACTERÍSTICAS DE LAS PUERTAS LÓGICAS. Dentro de los posibles circuitos integrados que contienen puertas lógicas existen varios tipos de tecnología. La elección de uno de estos tipos de tecnología para una aplicación concreta se realiza a partir de unas características mínimas requeridas por esa aplicación. Las características más importantes que tiene una puerta lógica son: • Retardo de propagación: Es el retraso de respuesta que presenta una puerta

lógica, desde que se aplica una entrada lógica al circuito y éste da la respuesta correspondiente a esa entrada.

• Potencia de disipación: Es la potencia que consume una puerta lógica en estado estacionario. Se mide en mW.

• Fan out: Indica la cantidad de carga que se puede conectar a la salida de una puerta lógica. Es decir, las puertas que se pueden conectar a la salida de ésta.

• Fan in: Es el máximo número de entradas con el que se ha construido una puerta lógica.

• Inmunidad al ruido: Mide la cantidad máxima de ruido que puede superponerse a la una señal digital para que la puerta que la recibe no pase de un estado lógico a otro. Es la diferencia entre el nivel de tensión desde la salida de una puerta y el umbral de la puerta de entrada que se accionará. Este efecto se observa mejor en la siguiente figura:

FAMILIAS LÓGICAS. Existen varias familias lógicas en el mercado, cada una con unas determinadas características. Así dependiendo de cada aplicación habrá que seleccionar la que mejor se adapte a cada caso, ya sea en velocidad, requisitos de consumo o que sea inmune al ruido que exista en una fábrica.

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SISTEMAS DIGITALES Debido a los requisitos de la industria actual las dos familias lógicas que más han proliferado son la CMOS y la TTL, sobre todo la TTL ya que presenta una mayor combinación de circuitos lógicos en sus integrados. Estas dos familias lógicas son las que se van a estudiar con un mayor detalle en los siguientes párrafos. FAMILIA LÓGICA TTL. Es la familia lógica más extendida del mercado y por ello es la que mayor combinación de circuitos lógicos digitales presenta. Su alimentación es de +5V con una tolerancia de ± 5V, un fan out de 10 y buena inmunidad al ruido. Su nombre viene de Lógica Transistor - Transistor (TTL), que es la tecnología con la que está construida. Dentro de esta familia existen diversas subfamilias que presentan distintas características en cuanto a velocidad y consumo, estas son: • TTL Standard: Se identifica como SN74xx. El consumo por puerta es de 10mW

y funciona hasta frecuencias de 35MHz. El retraso por puerta es de 10nS. • TTL de baja potencia: Se identifica como SN74Lxx. Se caracteriza por lo poco

que consumen. El consumo por puerta es de 1mW y funciona hasta frecuencias de 3Mhz. El retraso por puerta es de 33nS.

• TTL de alta velocidad: Se identifica como SN74Hxx. Se caracteriza por su velocidad. El consumo por puerta es de 22mW y funciona hasta frecuencias de 50MHz. El retraso por puerta es de 6nS.

• TTL Schottky: Se identifica como SN74Sxx. Es el más rápido de la familia TTL. El consumo por puerta es de 19mW y funciona hasta frecuencias de 125MHz. El retraso por puerta es de 3nS.

• TTL Schottky de bajo consumo: Se identifica como SN74LS. Se caracteriza por su combinación de bajo consumo y alta velocidad, que de cómo resultado puertas con las siguientes características: el consumo por puerta es de 2mW, funcionando hasta frecuencias de 35MHz, siendo el retraso por puerta de 10nS.

FAMILIA LÓGICA CMOS. Es la segunda familia lógica más vendida en el mercado. Se caracteriza por el bajo consumo de energía que necesita para funcionar, aunque éste depende de la frecuencia de trabajo del circuito en cuestión. Al igual que en la familia anterior hay varias versiones o subfamilias lógicas dentro de esta tecnología, dependiendo de las aplicaciones en las que se vallan a utilizar. Como características básicas hay que señalar que se pueden alimentar con un rango de tensiones entre 3 y 15V, presentando un fan out mucho mayor que el

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SISTEMAS DIGITALES que presenta la familia TTL, en este caso de 50. También presenta una fabulosa inmunidad al ruido, con lo que no presenta ningún inconveniente de uso en ambientes muy ruidosos, como son las fábricas. Las principales desventajas que presenta esta familia son su baja velocidad y un cuidado mayor en la manipulación de estos componentes, ya que se pueden romper de forma muy fácil en presencia de electricidad estática. Las subfamilias de la familia lógica CMOS son: • CMOS standard: Está formado por la serie de circuitos integrados de la serie

4000. Esta serie tiene un consumo por puerta de 2,5nW y un tiempo de respuesta de 40nS.

• HCMOS: Es la familia CMOS de alta velocidad, identificándose por la serie 74HCxx. Su alimentación debe ser en entre 2 y 6V, tiene un retardo de 9nS y un consumo por puerta de 2,5nW.

• HCMOS compatible con la familia TTL. Pertenece a la serie 74HCTxx. Su tensión de alimentación es de 5V, siendo las demás características similares a las de los casos anteriores.

A continuación se presenta una tabla resumen de las familias lógicas que se han visto junto con sus características.

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SISTEMAS DIGITALES FUNCIONES EN EL ÁLGEBRA DE BOOLE. Una función lógica es una expresión construida a base de variables booleanas unidas mediante operandos lógicos de suma y producto. Se representa por f (c, b, a), para indicar que el resultado de una función depende de tres variables lógicas llamadas a, b y c. Por ejemplo una función lógica común podría ser:

F (c, b, a) = Salida lógica = a + cb + cba

Estas funciones se pueden considerar como una de las formas existentes de expresar el funcionamiento de un circuito electrónico digital, ya que cada término representa uno de los posibles estados de la salida. Posteriormente estas funciones se transformarán en circuitos digitales construidos en base a las puertas lógicas que se han visto. De esta forma los circuitos digitales pueden ser considerados como una caja negra que tiene una serie de entradas (variables) y una serie de salidas, de forma que se cumple/n la/s función/es lógica/s que esta representa. Es decir:

TABLA DE LA VERDAD Es una forma gráfica de representar una función lógica. Es la manera de la que se empiezan a realizar todos los circuitos lógicos combinacionales que han de presentar unos ciertos resultados, que dependen de los estados que presentan las entradas del circuito digital en un instante determinado. En la tabla de la verdad se representan todas las posibles combinaciones de entrada y las correspondientes de salida, en cada estado, de forma que se cumplan los requisitos enunciados en el problema a resolver.

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SISTEMAS DIGITALES A partir de aquí es muy sencillo convertir la tabla de verdad a formato de función, basta con crear una función por medio de sumas de productos de las combinaciones que dan como resultado 1, tomando a si a=1 y ā si a=0, o como producto de sumas de las combinaciones que dan como resultado 0, tomando a si a=0 y ā si a=1. Es decir, la tabla de la verdad anterior se puede representar como:

Otra forma de representar la tabla de la verdad es mediante una expresión que indique para qué combinaciones de entrada la salida debe ser 1. Así para la tabla anterior sería:

RESOLUCIÓN LÓGICA DE PROBLEMAS. Para resolver un problema correctamente y de forma organizada se han de seguir una serie de pasos entre el enunciado del problema y la obtención del circuito final. Como requisitos fundamentales están los de entender de forma clara el problema a resolver y el realizar el circuito de la forma más reducida posible, ya que ello nos llevará a la obtención de un circuito más sencillo de realizar y con un menor costo de desarrollo. Así las fases mínimas que se han de realizar en la resolución de un problema son: 1. Comprender de forma adecuada el problema que se trata de resolver y

determinar en número de entradas y salidas necesarias que debe tener el circuito a diseñar para la solución de éste.

2. Formar la tabla de verdad con todas las entradas y salidas que se han considerado necesarias, con lo que para cada combinación de entrada se obtienen la salida correspondiente, según indique el problema.

3. Obtener las ecuaciones lógicas del circuito a partir de la tabla de la verdad antes obtenida. Se obtendrá una ecuación por cada salida que se necesite.

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SISTEMAS DIGITALES 4. Simplificar al máximo las ecuaciones lógicas obtenidas, para así obtener el

circuito más reducido posible. Más adelante se explicará un método de simplificación muy eficaz, que se realiza gráficamente.

5. Convertir las ecuaciones obtenidas en un circuito lógico que se pueda montar. A continuación se muestra un ejemplo de realización de un circuito práctico. Ejemplo: Se desea controlar dos motores M1 y M2 por medio de tres interruptores A, B y C, de forma que se cumplan las siguientes condiciones: 1) Si A está pulsado y los otros dos no, se activa M1. 2) Si C está pulsado y los otros dos no, se activa M2. 3) Si los tres interruptores están cerrado se activan M1 y M2. 4) En las demás condiciones los dos motores estarán parados. Solución: Siguiendo las fases que se han expuesto anteriormente: Fase 1: Las entradas serán los tres interruptores, puesto que son los que el operario maneja para controlar los motores, y los motores serán las salidas, ya que es lo que se trata de controlar. Fase 2: Se realiza la tabla de la verdad para todas las posibles combinaciones de entrada.

Fase 3: Obtención de las ecuaciones lógicas a partir de la tabla de verdad.

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SISTEMAS DIGITALES Fase 4: Simplificación de las funciones mediante métodos matemáticos conocidos del álgebra de Boole.

Fase 5: Conversión de las funciones lógicas obtenidas en la fase anterior en un circuito lógico combinacional.

Pero si se tiene en cuenta que la operación axb + axb corresponde a la puerta lógica NOR-Exclusiva el circuito anterior se puede representar como:

Como se ve hay dos maneras de simplificar los circuitos lógicos obtenidos, una mediante las leyes del álgebra de Boole y otra mediante puertas lógicas complejas, que se adapten a las funciones lógicas obtenidas. REALIZACIÓN DE FUNCIONES CON PUERTAS NAND Y NOR. El tipo de circuitos que se van a aprender a diseñar aquí es de un formato especial, ya que todo el circuito estará construido por el mismo tipo de puertas. La principal aplicación de esto es el diseño de circuitos que se van a implementar en PAL o dispositivos lógicos programables, en los que todo el circuito debe estar construido en puertas NAND o NOR.

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SISTEMAS DIGITALES Otra posible aplicación es la de aprovechar al máximo las posibles puertas libres que quedan en un circuito lógico que se haya montado, de manera de que se pueda eliminar algún circuito integrado con el fin de abaratar el producto final. El diseño de este tipo de circuitos es el mismo que en los demás casos, salvo que la ecuación obtenida debe ser transformada mediante las leyes de Morgan y la de la doble negación, que ahora se recuerdan.

Así la siguiente función lógica se puede convertir a puertas NOR como:

Para convertirla en puertas NAND se haría como:

La inversión de una variable se consigue con una puerta NAND o NOR, introduciendo la variable a invertir por todas las entradas de esa puerta a la vez. SIMPLIFICACIÓN DE CIRCUITOS LÓGICOS. TIPOS DE CIRCUITOS LÓGICOS Hay dos tipos de circuitos lógicos, combinacionales y secuenciales. Las diferencias entre uno y otro son significativas, estas se explica a continuación. • Circuitos lógicos combinacionales: Son aquellos en los que el estado de las

salidas dependen únicamente y exclusivamente del estado de las entradas del circuito en ese mismo instante.

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SISTEMAS DIGITALES • Circuitos lógicos secuenciales: Son un caso parecido al anterior, pero las

salidas en un instante determinado dependen además de las entradas del circuito en ese instante, del estado en el que se encontraba éste en el estado o estados anteriores. El circuito presenta cierta memoria con respecto a lo que ha ocurrido con anterioridad.

SIMPLIFICACIÓN DE FUNCIONES LÓGICAS. Hay distintos métodos de simplificación de las funciones lógicas que representan a diversos circuitos digitales. El motivo principal de la simplificación de funciones es el de realizar un circuito físico lo más reducido posible, de manera que éste sea lo más económico y simplificado posible. Simplificación matemática. Este método de simplificación consiste en la aplicación directa de las leyes del álgebra de Boole y sus teoremas asociados. El procedimiento a seguir es similar al de la simplificación de las funciones matemáticas comunes, aplicando métodos como son el factor común, eliminación de valores no válidos, etc. Este método tiene la desventaja de que su eficacia final depende mucho de la habilidad del operario, mejorando su efectividad con la experiencia de éste. Con este método no se reduce el circuito al máximo posible, para ello habrá que utilizar otro método que se explicará más adelante. Un ejemplo sencillo de la utilización de éste método se puede observar en las siguientes expresiones:

Simplificación gráfica (Karnaugh). Este es un método de simplificación gráfico y por ello es más sencillo de utilizar que otros. Es el método de simplificación más conocido por los diseñadores, se llama método de simplificación por Karnaugh.

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SISTEMAS DIGITALES Éste es un método muy eficaz puesto que la función resultante está lo más simplificada posible (no se puede reducir más), siendo las demás simplificaciones posibles debidas a combinaciones de hardware que cumplen de manera exacta algunas de las partes obtenidas en las ecuaciones resultantes de la simplificación gráfica. Las puertas lógicas que cumplen este tipo de condición son la NOR-Exclusiva y OR-Exclusiva, cuyas ecuaciones son:

Esta simplificación se realiza mediante tablas que tienen un formato especial, de manera que de una casilla a otra solo cambie el valor de una variable. El aspecto de estas tablas, así como las variables a las que afecta, es:

Estos diagramas se pueden ampliar hasta 6 variables o más pero su manejo se vuelve muy engorroso. Si se van a manejar más variables es conveniente realizar la simplificación por la computadora, que utiliza para ello otro método de simplificación. Si se observan los diagramas anteriores se ve como en la esquina superior izquierda aparecen los nombres de las variables y a su lado los valores que estas pueden tomar. Además para rellenar de forma más cómoda los diagramas se han situado, en cada casilla, los números decimales correspondientes a cada combinación de las variables de entrada, suponiendo que estas están colocadas de mayor a menor. Es decir a la combinación 00101 correspondiente a las entradas EDCBA, correspondiéndole el número decimal 5.

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SISTEMAS DIGITALES Para la correcta simplificación de una función lógica se deben seguir una serie de pasos bien definidos, que se ajusten a una serie de normas concretas. Para ver todo esto se va a realizar un ejemplo práctico: Ejemplo: La función a simplificar será:

Solución: Se seguirán los siguientes pasos: 1. Se dibuja el mapa más adecuado para el número de variables que requiere la función a simplificar. En nuestro caso el de 3 variables.

2. Se escribe un 1 o un 0 en las casillas que correspondan, como si fuera una tabla de la verdad.

3. Se agrupan los unos de la cuadrícula de forma que se cumplan las siguientes normas:

• Cada lazo debe contener el mayor número de 1 posible, agrupando por grupos de 16, 8, 4, 2 o 1.

• Los lazos pueden quedar superpuestos.

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SISTEMAS DIGITALES

• No se pueden formar grupos de unos en formato diagonal, solo en horizontal y vertical.

• Se deben formar el mínimo número de lazos posible y lo más grandes que se pueda.

• La columna de la izquierda es adyacente con la de la derecha y la primera fila con la última, pudiendo formar lazos entre ellas.

En este caso los lazos formados son:

4. La expresión final simplificada se obtiene de los grupos formados según el siguiente criterio: En cada grupo desaparece la variable o variables cuyo valor es cero en la mitad de los cuadros del grupo y uno en la otra mitad. Las variables que permanecen son tomadas como no negadas si su valor es uno en todo el grupo y como negadas si su valor es cero. Así la función simplificada será:

NOTA: En casos en los que halla combinaciones de entrada en las que no nos importe el estado final de la salida, al sustituir estas posiciones en el mapa de simplificación se pondrá una X, que podrá ser incluida o excluida de los lazos que se formen para la simplificación de la función lógica resultante. CIRCUITOS LÓGICOS COMBINACIONALES: Existe una amplia variedad de circuitos lógicos combinacionales construidos para propósitos concretos. Éstos se construyen a partir de combinaciones de las puertas lógicas estudiadas, pero agrupando todo el circuito en un solo chip, de forma que se pueda integrar en un proyecto de forma rápida y sencilla. Los circuitos integrados que se explican son de este tipo y como se verá cumplen una amplia gama de aplicaciones.

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SISTEMAS DIGITALES DECODIFICADORES. Los decodificadores son circuitos lógicos combinacionales que convierten un código de entrada codificado en un sistema numérico binario o no binario, en otro formato que estará sin codificar. Hay dos tipos de decodificadores, los que generan una sola salida para cada combinación de entrada y los que proporcionan distintos formatos de salida, que representan la combinación de entrada, de forma legible para el técnico. Los tipos más comunes de decodificadores se presentan en los siguientes apartados. Decodificadores binarios. Este tipo de decodificadores se encargan de convertir la señal binaria de entrada en varias señales de salida, de forma que por cada código binario de entrada se activa una sola salida. Así un decodificador binario de 2 entradas tendrá 4 salidas, desde la 0 hasta la 3; y uno con 4 entradas tendrá 16, desde la 0 hasta la 15. Es decir tienen tantas salidas como combinaciones de entrada se puedan generar. A estos decodificadores se les conoce como, decodificador 2/4 si tiene dos entradas, decodificador 4/16 si tiene cuatro entradas, etc. El esquema interno de estos circuitos así como su tabla de verdad se pueden ver en la siguiente figura.

Decodificador BCD/decimal. Este decodificador es similar al de la figura de arriba pero en este caso tiene cuatro entradas binarias en formato BCD, con lo que solo se presentan 10 posibles combinaciones de entrada, por lo que solo tendrá 10 salidas. Su tabla de la verdad se muestra en la figura.

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SISTEMAS DIGITALES La mayor parte de los decodificadores BCD/binario comerciales incluyen algún sistema de eliminación de entradas no válidas, debido a que las últimas combinaciones binarias de entrada no son válidas en código BCD, con lo que no se activará ninguna salida. APLICACIÓN DE LOS DECODIFICADORES. Una aplicación práctica de los decodificadores es la de generación de circuitos combinacionales de forma sencilla, con la única ayuda de una puerta OR o AND, dependiendo del tipo de lógica que utilice el decodificador. Para ello bastará con sumar o multiplicar con la puerta lógica, las salidas del decodificador que proporcionen la función lógica que se pretende conseguir. Así para generar la función lógica f (c, b, a) =Σ (0, 1, 3, 5,7) bastará con montar uno de los siguientes circuitos:

El circuito comercial más utilizado es el decodificador BCD-decimal (4028). Este chip funciona con lógica positiva de entrada y positiva de salida. La tabla de la verdad que define su funcionamiento es la siguiente:

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SISTEMAS DIGITALES

ASOCIACIÓN DE DECODIFICADORES. Para conseguir decodificadores mayores a partir de otros más pequeños algunos decodificadores incorporan dos señales de inhibición para que mediante algún circuito lógico se puedan combinar. Esta asociación o combinación se puede realizar de la siguiente manera:

Se puede apreciar cómo se consigue una nueva entrada de código a partir de una señal de inhibición de cada circuito integrado, gracias a una puerta inversora. Con ello se consigue seleccionar un decodificador para las primeras 8 combinaciones de entrada y otro para el resto. Las otras dos entradas de inhibición sirven para una entrada de inhibición general para la asociación conseguida. CODIFICADORES. Realizan una conversión de un cierto número de señales de entrada sin codificar en otras de salida que están codificadas, es decir hacen justo lo contrario que el circuito que hemos visto en el apartado anterior.

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SISTEMAS DIGITALES Se utiliza ampliamente para introducir datos que provienen de un teclado, por ejemplo el de una calculadora, para convertir las señales que se generan en éste en un código binario u otro que pueda entender la máquina que los va a procesar. La mayor parte de ellos funciona con lógica negativa, es decir, el significado del 0 y el 1 están invertidos, de forma que una entrada está activada con cero y desactivada con uno. Un circuito práctico de éste tipo es:

La tabla de la verdad correspondiente es:

En otra combinación que no esté presente en la tabla de la verdad se puede producir cualquier estado en la salida. Los codificadores que más se utilizan son codificadores con prioridad, con lo que se resuelve el problema anterior. Su filosofía de funcionamiento consiste en que la

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SISTEMAS DIGITALES salida presentará el código de la entrada que mayor prioridad tenga, aunque estén seleccionadas varias entradas a la vez. Este tipo de codificadores presentan la siguiente tabla de verdad:

En donde la X puede ser cualquiera de los estados 0 o 1. El símbolo esquemático que representa este codificador es:

En donde I es una entrada de inhibición que permite al técnico controlar el funcionamiento global de chip. Así un 1 hará que el chip no funcione, con lo que todas sus salidas estarán puestas a nivel alto, y un cero hará que el circuito funcione normalmente. Además se le han añadido dos salidas adicionales, que funcionan con lógica negativa, su función es: • P0 indica que ninguna de las entradas está activa.

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SISTEMAS DIGITALES • P1 indica que una o más entradas están activa. Señal muy útil para almacenar

los datos pulsados en un circuito con memoria cuando se activa alguna entrada. El codificador decimal / BCD 40147 integrado de la familia CMOS tiene el patillaje que se muestra en la figura que se presenta a continuación, este chip funciona con lógica negativa de entrada y con lógica negativa de salida. Además tiene prioridad 9-0. Por ello su tabla de la verdad es la que se muestra:

ASOCIACIÓN DE CODIFICADORES. Aprovechando las dos señales adicionales de salida que tienen los codificadores con prioridad se pueden realizar combinaciones de codificadores pequeños para conseguir uno mayor. La asociación de ambos se hará como se muestra en la figura. Se puede observar como si se pulsa una tecla del codificador de la derecha provoca que la salida P0 se ponga a nivel 1 e inhiba al codificador de la izquierda, con lo así se guarda la prioridad. Las puertas AND son las encargadas de unir las salidas de ambos codificadores, y el inversor se encarga de proporcionar una salida adicional de mayor peso que las anteriores

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SISTEMAS DIGITALES indicando que el codificador de mayor peso está activado, es decir que se está dando una combinación de entrada de entre 8 y 15. CONVERTIDORES DE CÓDIGO. Un convertidor de código es un circuito lógico digital que tiene como entrada una información codificada en un código digital y proporciona como salida otra señal codificada pero en un código diferente al de entrada. Los conversores de código se pueden construir manualmente mediante un decodificador y un codificador seguidos, intercambiando las líneas de salida/entrada entre ambos, de forma que se adapten los códigos de la forma deseada. Un convertidor de código muy utilizado es el que convierte de código binario a código de 7 segmentos. Éste es utilizado para visualizar números con displays, de manera que se ve el código binario de entrada en formato de caracteres gráficos. Dentro de estos conversores los hay de ánodo común o de cátodo común, dependiendo de la forma de polarizar a los segmentos luminosos (LED) del visualizador, siendo los conversores de lógica negativa para los visualizadores de ánodo común y de lógica positiva para los de cátodo común. La configuración de estos visualizadores es:

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SISTEMAS DIGITALES Al conectar los LED del visualizador hay que tener en cuenta que cada LED necesita una resistencia de polarización, ya que el voltaje de salida del conversor de código es superior al que soporta cada LED. Hay conversores de código binario a 7 segmentos, que generan las letras A, B, C, D, E y F, pero la gran mayoría son conversores de código BCD a 7 segmentos, con lo que solo generan números. El decodificador BCD / 7 segmentos integrado (4511) es el circuito que sustituye a todo lo que se ha diseñado anteriormente. Su tabla de verdad y patillaje se muestran seguidamente:

La función de cada patilla del circuito integrado se describe a continuación: • Patilla 8: Alimentación negativa (Masa). • Patilla 16: Alimentación positiva. • Patillas 9 a 15: Salidas para el display de 7 segmentos. • Patillas 1, 2, 6 y 7: Entradas de código BCD. • Patilla 3: Entrada LT. Hace que se encienda el display al completo. • Patilla 4: Entrada BL. Hace que no aparezca nada en el display. • Patilla 5: Entrada LE/ST. Activa hace que el circuito funcione normalmente,

pero a partir del número 9 no se visualizará ningún número. Si se desactiva almacena el número que tenía introducido en el momento anterior.

MULTIPLEXORES. Un multiplexor es un circuito que tiene múltiples entradas y una sola salida. El efecto que produce es como el de un conmutador, es decir, en la salida se puede obtener la señal que está presente en una de las entradas. El proceso de selección se consigue mediante unas entradas de selección adicionales que,

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SISTEMAS DIGITALES mediante un código binario, permiten seleccionar la entrada que se desea que aparezca en la salida. La relación entre el número de las señales de selección y el de las señales de entrada viene dado por la siguiente expresión:

Existen dos tipos de multiplexores, los digitales y los analógicos. Los multiplexores digitales permiten seleccionar una señal digital entre varias existentes en la entrada del circuito, mientras que los analógicos lo hacen con señales analógicas, aunque el elemento de selección siempre es digital. Estos circuitos se representan como:

El circuito integrado que hemos escogido para este punto es el 4067. Este chip funciona como multiplexor y demultiplexor. La patilla de control OUT/IN es la entrada/salida común de datos para el circuito integrado.

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También sirve como codificador 4 a 16, todo ello gracias a esa patilla de entrada/salida. Si ponemos un nivel alto como entrada en esa patilla, las patillas 0 a 15 estarán configuradas como salida, siendo seleccionada cada salida con las señales A a D. La señal de inhibición se activa con un nivel alto y provoca que el circuito esté sin funcionar. DEMULTIPLEXORES. Es el circuito que realiza justo lo contrario que el que se ha visto en el apartado anterior. Es decir, es un conmutador que parte de una sola entrada, la cual es dirigida a través de una de las posibles salidas mediante la selección adecuada de un código de entrada. El circuito que se trata es el que se presenta en la siguiente figura:

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Si se observa detenidamente la figura se puede observar como el demultiplexor se parece bastante a un decodificador, excepto por la patilla de entrada de datos. Ésta puede ser sustituida en el decodificador con la patilla de inhibición. Los demultiplexores, al igual que los multiplexores, existen en dos versiones, la analógica y la digital. En la versión analógica hay que tener en cuenta que el sentido de la señal es bidireccional, por lo que éste circuito se puede utilizar en los dos sentidos, es decir el multiplexor también puede funcionar como demultiplexor. COMPARADORES. Un comparador de n bits es un circuito que tiene como entradas dos números binarios de n bits cada uno y como salidas tres indicadores que señalan que número, presente en la entrada, es mayor, menor o igual que el otro. En los circuitos comerciales además se introducen otras tres entradas lógicas adicionales para poder unir varios comparadores, con el fin de poder comparar números mayores (de más bits). La tabla de verdad que indica el funcionamiento de estos circuitos comerciales es:

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SISTEMAS DIGITALES La forma de conexión de varios circuitos integrados de este tipo se realiza de la siguiente manera:

Se observa como el circuito integrado conectado más a la derecha es el que mayor peso lógico obtiene, ya que es el último en tomar la decisión, que dependerá en algunos casos de la decisión de los comparadores anteriores. El integrado utilizado como comparador es el 4063. El patillaje del comparador y la tabla de verdad que describe su funcionamiento son:

Las patillas principales son: • Patillas 5 a 7: Salidas de comparación. • Patillas 2 a 4: Entradas de comparación (salidas del nivel inferior). • Patillas Ax: Entradas del primer número a comparar. • Patillas Bx: Entradas del segundo número a comparar. • Patilla 8: Masa. • Patilla 16: Alimentación positiva. SUMADORES.

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SISTEMAS DIGITALES Los circuitos digitales sumadores realizan la suma aritmética de dos números enteros positivos, normalmente descritos en notación posicional binaria, aunque pueden desarrollarse sumadores para otros formatos de descripción numérica. Los sumadores son un elemento crítico en el desarrollo de circuitos aritméticos por lo que se han desarrollado numerosas estructuras que buscan la mejora de las prestaciones del circuito, balanceando entre su tamaño y su velocidad. Para operandos A y B de un bit ya se han desarrollado en otros temas el sumador completo (“full-adder”) con acarreo de entrada (Ci) y el semi-sumador (“half-adder) sin acarreo de entrada. Los bits de salida serán la salida de suma S y el acarreo de salida (Co).

Para sumadores de N bits un método natural de realizar la suma es situar sumadores completos en modo “ripple” o en serie, de forma que desde el bit menos significativo hacia el más significativo el acarreo de entrada del bit j esté conectado al acarreo de salida del bit j-1. El primer bit se puede construir con un semisumador mientras que los demás bits requieren un sumador completo, en este caso se tiene un semisumador de N bits. Si en el primer bit se utiliza un sumador completo, el circuito dispone además de acarreo de entrada Ci y se tiene un sumador completo de N bits. Tener acarreo de entrada permite un mejor funcionalidad del circuito, como por ejemplo poner en serie dos (o más) sumadores de N bits para formar un sumador de 2N bits. En cualquier caso se tienen N+1 bits de salida: N de suma S y un acarreo de salida Co. El tiempo de propagación de este sumador es proporcional al número N de sumadores en serie.

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El sumador “ripple” es un sumador lento. Para construir sumadores rápidos hay que intentar paralelizar el cálculo de los acarreos. El método “carry look-ahead” genera los acarreos en paralelo obteniendo su expresión lógica de forma recursiva: Para cada bit j se obtiene de Aj y Bj en paralelo el “Carry-Propagate” Pj que indica las condiciones bajo las cuales el acarreo se propaga de la entrada a la salida, y el “Carry-Generate” Gj que indica las condiciones bajo las cuales se genera acarreo de salida independientemente del acarreo de entrada.

Para 4 bits se generan los acarreos en paralelo:

Una vez generados los acarreos se generan las salidas también en paralelo:

El circuito se construye en paralelo a partir de las ecuaciones de T1, T2 y T3.

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Las ecuaciones que definen los acarreos son cada vez más grandes, luego no es rentable continuar aumentando el circuito. Una solución es poner sumadores “carry look-ahead” de 4 bits en serie.

Otra solución es llevar la estructura de “carry look-ahead” a más niveles, la expresión de Co también se puede poner de la forma:

Donde G y P son el “carry-generate” y el “carry-propagate” de una suma de 4 bits. Si se añaden las ecuaciones de G y P a T2 se pueden realizar sumadores de 16 bits con esta estructura, que se puede llevar a más bits utilizando más niveles de T2 (64 bits, 4 grupos de 16 con un nivel más).

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SISTEMAS DIGITALES Otra estructura de suma rápida es el “carry-select” basada en sumadores y multiplexores. Para una suma de M bits en M/N etapas de N bits, en cada etapa de suma, menos la primera, se calcula la suma en paralelo con acarreo de entrada a 0 o a 1, y luego, cuando se obtiene el acarreo real, se seleccionan con los multiplexores las salidas correctas. El tiempo de propagación de este sumador depende del tiempo de propagación de la primera etapa, más el tiempo de propagación de los (M/N-1) multiplexores para propagación del acarreo. A cambio el circuito es bastante más grande que la estructura “ripple”.

Circuitos comerciales: 74’83. Sumador de 4 bits, con estructura interna de carry look-ahead. El circuito opera como sumador suponiendo las entradas y salidas en polaridad positiva o en polaridad negativa.

A partir de un sumador pueden realizarse otras aplicaciones lógicas sencillas. Por ejemplo, un circuito restador o un circuito sumador/ restador. Para realizar estas aplicaciones hay que hacer antes un planteamiento del problema, recurriendo a conocimientos adquiridos. Un restador se realiza con un sumador suponiendo los operandos en complemento-2. De la aplicación del c-a-2 se sabe que (–B) se realiza como (B) c,

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SISTEMAS DIGITALES 2, que se puede formar complementando los bits de B y sumando 1 en el bit menos significativo. Luego: R = A – B = A + B + 1, donde 1 se añade en el acarreo de entrada. En este caso, al estar A y B en 4 bits en c-a-2, el resultado de la resta R tiene tantos bits como las entradas, el acarreo de salida no se utiliza y existe la posibilidad de que se produzca “overflow”.

Un sumador/restador necesita una entrada de control C, que indique si se realiza la operación de suma o de resta. Para hacer la resta se requiere el c-a-2, luego los operandos X e Y, y la salida Z están en esta notación.

Para el operando A del sumador da igual el valor de C, A <= X Para el operando B si C = 0 => B <= Y, si C = 1=> B <= Y, luego B = C Y + C Y = C Å Y Para Cin, si C = 0 => Cin <= 0, si C = 1=> Cin <= 1, luego Cin = C

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EJERCICIOS Y PREGUNTAS DE REPASO E INVESTIGACIÓN

EJERCICIOS:

1. Transforma los siguientes números al sistema binario: a) 21 b) 112 c) 37 d) 529

e) 61 f) 214 g) 232 h) 28

2. Transforma los siguientes números binarios a decimales :

a) 1110001 b) 110001 c) 1010101

d) 100 e) 10111 f) 11001101

3. Obtener la tabla de verdad de la siguiente función:

4. Implementar con puertas lógicas la siguiente función:

5. Implementar con puertas lógicas la siguiente función:

6. Transforma los siguientes cronogramas en tablas de verdad. (E=Entrada, S=Salida).

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7. Realiza las tablas de verdad de los siguientes circuitos eléctricos:

8. Realiza la tabla de verdad de los siguientes circuitos, obteniendo primero la función lógica de salida.

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9. Simplificar la siguiente expresión:

10. Simplificar por Karnaugh la siguiente función:

11. Se pretende gobernar una lámpara con dos interruptores A y B, cumpliéndose

que cada vez que varíe el estado de cualquier interruptor, varíe también el estado de la lámpara. Cuando A y B están a nivel bajo la lámpara está apagada. Representar la tabla de verdad, la función lógica simplificada y la implementación de la misma con puertas lógicas.

12. En una casa hay dos puertas, una trasera y una delantera. En ella se ha montado un sistema de alarma que funciona, cuando se conecta la alarma, de modo que cuando se abre cualquiera de las dos puertas la alarma se activa. Escribe la tabla de verdad y el circuito lógico.

13. Diseñar un sistema en el que dado en binario un número del 0 al 7, nos indique

si dicho número se encuentra entre el 0 y el 5, ambos incluidos (salida X1); y si dicho número está entre el 3 y el 7 ambos incluidos (salida X2).

14. Diseñar un circuito con puertas lógicas que nos indique si un número inferior a

10, codificado en binario, es primo (1) o no (0).

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SISTEMAS DIGITALES 15. Un sistema de alarma está constituido por cuatro detectores denominados A,

B, C y D. El sistema debe activarse cuando se activen 3 ó 4 detectores. Si sólo lo hacen 2 detectores es indiferente la activación o no del sistema. Por último el sistema no deberá activarse si se dispara un único detector o ninguno. Por razones de seguridad el sistema se deberá activar si A=0, B=0, C=0 y D=1. Diseñar el circuito con puertas lógicas.

16. Un motor es controlado mediante 3 pulsadores A, B y C. Diseñar un circuito de

control por medio de puertas lógicas que cumpla las siguientes condiciones de funcionamiento: • Si se pulsan los 3 pulsadores a la vez el motor se activa. • Si se pulsan 2 pulsadores cualesquiera el motor se activa, pero se enciende

una lámpara adicional. • Si se pulsa un solo pulsador, sólo se enciende la lámpara. • Si no se pulsa ningún pulsador, ni el motor ni la lámpara se activan.

17. Tenemos un ascensor para un edificio de 9 plantas que envía información del

piso en el que se encuentra la cabina por medio de un número binario codificado. Queremos realizar un circuito que nos avise cuando dicha cabina esté en las plantas baja, 3ª, 4ª, 5ª y 9ª. Obtener la tabla de verdad, la función lógica simplificada e implementar con puertas lógicas.

18. Una habitación dispone para encender una lámpara de 5 interruptores La lámpara debe estar encendida si el número de interruptores accionados es impar. En caso contrario debe estar apagada.

19. Un proceso químico tiene tres indicadores de temperatura digitales. Cada

indicador dará salida “1” Si la temperatura está por encima del valor tarado. Diseñar un circuito digital para que detecte cuando la temperatura del proceso esté comprendida entre T1 y T2 o también sea superior a T3 (T1<T2<T3). Obtener la tabla de verdad del circuito, la función lógica de salida, simplificar dicha función e implementar el circuito con puertas lógicas.

20. En un coche en el que se indican la posición de los

pulsadores de luz interior de las dos puertas (puntos A y B), al abrir una o las dos puertas se activa el correspondiente pulsador y se enciende la luz interior. Escribe la tabla de la verdad para controlar el funcionamiento de la bombilla, el circuito lógico y la puerta

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lógica que se necesita. 21. Para el aprovisionamiento de un pueblo, se dispone de un depósito que se

llena con el agua que se bombea desde una presa. La bomba es accionada cuando se cumplen las dos condiciones siguientes : • Cuando el nivel del depósito ha descendido hasta un nivel mínimo por lo

que es necesario suministrarle agua. • El nivel de la presa es superior a un nivel máximo predeterminado.

Escribe la tabla de verdad para el sistema de control de la bomba y el circuito lógico de control.

22. Diseñar un codificador que teniendo por entrada los números del 0 al 7 en el

sistema binario se vean en un display digital.

23. Diseñar un circuito lógico de manera que teniendo por entrada un nº binario de 4 bits (valores decimales del 0 al 15), se obtengan 5 salidas, una que nos exprese las decenas (1 bit), y otras 4 que nos expresen las unidades. Ejemplos:

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24. Diseñar un circuito lógico con el cual se consigan comparar dos números

A(A1,A2) y B(B1,B2) de 2bits en 3 categorías: • A>B • A=B • A<B

25. Diseñar un circuito lógico que controle dos

motobombas que extraen agua, la primera de un pozo P y lo lleva a un depósito D1, la segunda extrae agua de D1 y la lleva a otro depósito D2. Las condiciones de funcionamiento son las siguientes: • Funcionaran las bombas siempre que

esté lleno el lugar de donde se extrae el agua y esté vacío el depósito a llenar.

• Que no funcionen las dos bombas a la vez.

• Los niveles los indican unos sensores que marcan 0 si el depósito o el pozo está vacío, y 1 si están llenos.

26. Diseñar una calculadora que reste dos números de 2 bits A y B. (Debe haber una salida que indique si el resultado es positivo o negativo).

27. Necesitamos seleccionar candidatos para un puesto de trabajo que cumplan los siguientes requisitos: • Ingenieros Técnicos que vivan en la localidad o tengan coche. • No titulados con más de 5 años de experiencia que vivan en la localidad o

tengan coche. • Recomendados

Se pide:

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• Variables de entrada de la función lógica. • Variables de salida. • Función por la que obtenemos la variable de salida en función de las

variables de entrada.

Diseñar un circuito que sume o reste dos entradas A y B, según el valor de una tercera C. Si C=0, aparecerá en la salida el valor de A+B. Si C=1 se realizará la operación A‐B. Asimismo el circuito contará con una salida adicional en la que aparecerá el posible acarreo en la suma binaria o el préstamo en la resta. PREGUNTAS DE REPASO E INVESTIGACIÓN: 1. ¿Qué valor lógico debe faltar en la entrada de la puerta mostrada?

a) 1 b) 0 c) indistintamente 0 o 1

2. ¿Qué valor lógico debe faltar en la entrada de la puerta mostrada?

a) 1 b) 0 c) indistintamente 0 o 1

3. ¿Qué tipo de señal sólo puede adquirir valores discretos entre dos extremos

cualesquiera?

4. ¿Qué valor lógico entrega en la salida la puerta mostrada? a) 01 b) 1 c) 0 d) 10

5. ¿Con qué puerta lógica identificarías la tabla de verdad mostrada?

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SISTEMAS DIGITALES

a) AND b) NOT c) NAND d) NOR e) OR

6. Una dirección IP es una etiqueta numérica que identifica, de manera lógica y

jerárquica, al elemento de comunicación/conexión de un dispositivo (habitualmente una computadora) dentro de una red. La dirección IP de una computadora consta de cuatro series de números de la forma _ _ _·_ _ _·_ _ _·_ _ _; donde cada serie va del 0 al 255. ¿Cuántos bits necesitaremos para codificar en binario la dirección IP completa de una computadora? a) 32 b) 8 c) 24

d) 28 e) 36

7. ¿Cuántos números diferentes se puede obtener con 3 bits?

a) 3 b) 6

c) 8 d) 7

8. ¿Cuántos bits necesitamos para representar el número 327?

a) 7 b) 6 c) 10

d) 9 e) 8

9. ¿Qué puerta de las estudiadas identificarías con la función lógica de la suma?

a) NOT b) AND c) NOR

d) NAND e) OR

10. ¿Qué valor lógico entrega en la salida la puerta mostrada?

a) 1 b) 10 c) 0 d) 11

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SISTEMAS DIGITALES 11. ¿A qué puertas lógicas equivale el circuito de la

figura? a) NOR b) NAND c) AND d) NOT e) OR

12. ¿Qué valor lógico debe faltar en la entrada de la puerta

mostrada? a) 0 b) 1 c) indistintamente 0 o 1 a) NOR

13. ¿Qué nombre recibe la puerta mostrada? a) NAND b) OR c) NOT d) AND e) NOR

14. ¿Con qué puerta lógica identificarías la tabla de verdad mostrada?

a) NOR b) NAND c) AND

d) NOT e) OR

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SISTEMAS DIGITALES 15. ¿Qué valor lógico entrega en la salida la puerta

mostrada? a) 01 b) 0 c) 10 d) 1

16. ¿Cuál será la función lógica de salida

del circuito de la figura? a) F = (a·b)·(b+c) b) F = (a·b)+(b+c) c) F = (a+b)+(b·c) d) F = (a+b)·(b·c)

17. ¿Con qué puerta lógica identificarías la tabla de verdad mostrada?

a) NAND b) NOT

c) AND d) OR

18. Una dirección IP es una etiqueta numérica que identifica, de manera lógica y

jerárquica, al elemento de comunicación/conexión de un dispositivo (habitualmente una computadora) dentro de una red. La dirección IP de una computadora consta de cuatro series de números de la forma _ _ _·_ _ _·_ _ _·_ _ _; donde cada serie va del 0 al 255. ¿Cuántas direcciones IP diferentes se pueden lograr con este sistema? a) 2 147 483 648 b) 1 073 741 824

c) 4 294 967 296 d) 8 589 934 592

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SISTEMAS DIGITALES 19. ¿Cuál será la función lógica de salida del circuito de la figura?

a) F = (a·b·c)+(a+c) b) F = (a+b+c)+(a+c) c) F = (a+b+c)·(a+c) d) F = (a·b·c)·(a·c) e) F = (a·b·c)·(a+c)

20. ¿Cuál de los siguientes números en binario representa el número 21?

a) 10110 b) 10101

c) 110101 d) 11011

21. ¿Cuántos números diferentes se pueden obtener con 4 bits?

a) 32 b) 16

c) 4 d) 8

22. ¿Qué valor lógico debe faltar en la entrada de la puerta

mostrada? a) indistintamente 0 o 1 b) 0 c) 1

23. Indica cuál(es) de las siguientes igualdades son falsas:

24. ¿Cuál será la función lógica de salida del circuito de la figura?

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SISTEMAS DIGITALES 25. Indica cuáles de las siguientes afirmaciones son ciertas:

a) En una puerta NOR la función toma valor lógico 1 cuando alguna de las entradas valen 1.

b) En una puerta NAND cuando todas las entradas valen 0 la función toma valor lógico 1.

c) En una puerta NOR la función toma valor lógico 1 cuando todas las entradas valen 0.

d) Una puerta NOT cambia un nivel lógico al nivel opuesto. e) En una puerta NAND la señal de salida será un 1 sólo en el caso de que

todas las entradas sean 1. f) En una puerta NOR la función toma valor lógico 1 cuando alguna de las

entradas valen 0. g) En una puerta AND la señal de salida será un 1 sólo en el caso de que

todas las entradas sean 1. h) En una puerta OR la señal de salida será un 1 cuando alguna de las

señales de entrada sea un 1.

26. ¿Qué valor lógico entrega en la salida la puerta mostrada? a) 01 b) 0 c) 10 d) 1

27. Indica cuál(es) de las siguientes igualdades son ciertas:

28. ¿A qué puertas lógicas equivale el circuito de la figura? a) OR b) NAND c) NOR d) NOT e) AND

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SISTEMAS DIGITALES 29. ¿Cuál será la función lógica de salida

del circuito de la figura? a) F = (a+b+c)+(a+c) b) F = (a·b·c)+(a+c) c) F = (a·b·c)·(a+c) d) F = (a+b+c)·(a·c) e) F = (a·b·c)·(a·c)

30. ¿Qué valor lógico debe faltar en la entrada de la puerta

mostrada? a) 0 b) indistintamente 0 o 1 c) 1

31. ¿Qué valor lógico entrega en la salida la puerta mostrada?

a) 0 b) No se puede saber c) 1

32. ¿A qué puertas lógicas equivale el circuito de la

figura? a) NAND b) AND c) NOT d) NOR

33. ¿Cuál es el número más alto que se puede representar con 10 bits?

a) 1023 b) 20

c) 1025 d) 1024

34. ¿Cómo se escribe el número 35 en sistema binario?

a) 111001 b) 100011

c) 110001 d) 100001

35. Una dirección IP es una etiqueta numérica que identifica, de manera lógica y

jerárquica, al elemento de comunicación/conexión de un dispositivo

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SISTEMAS DIGITALES

(habitualmente una computadora) dentro de una red. La dirección IP de una computadora consta de cuatro series de números de la forma _ _ _·_ _ _·_ _ _·_ _ _; donde cada serie va del 0 al 255. ¿Cuántos bits necesitaremos para codificar en binario una única serie? a) 11 b) 9 c) 10

d) 8 e) 7

36. ¿Qué número en sistema decimal corresponde al 10110?

a) 26 b) 13 c) 3

d) 44 e) 22

37. ¿Qué valor lógico debe faltar en la entrada de la puerta mostrada?

a) 1 b) 0 c) indistintamente 0 o 1

38. ¿Qué valor lógico entrega en la salida la puerta mostrada?

a) 0 b) 1 c) No se puede saber

39. ¿Qué valor lógico debe faltar en la entrada de la puerta mostrada?

a) 1 b) indistintamente 0 o 1 c) 0

40. Una dirección IP es una etiqueta numérica que identifica, de manera lógica y

jerárquica, al elemento de comunicación/conexión de un dispositivo (habitualmente una computadora) dentro de una red. La dirección IP de una computadora consta de cuatro series de números de la forma _ _ _·_ _ _·_ _ _·_ _ _; donde cada serie va del 0 al 255. ¿Cuántas direcciones IP diferentes se pueden lograr con este sistema? a) 2 147 483 648 b) 1 073 741 824

c) 4 294 967 296 d) 8 589 934 592

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SISTEMAS DIGITALES 41. ¿Qué valor lógico debe faltar en la entrada de la puerta mostrada?

a) indistintamente 0 o 1 b) 0 c) 1

42. Indica cuál(es) de las siguientes igualdades son falsas:

43. ¿A qué puertas lógicas equivale el circuito de la figura?

a) NAND b) OR c) NOR d) NOT e) AND

44. ¿Cuántos números diferentes se pueden obtener con 10 bits?

a) 20 b) 100 c) 1023

d) 1024 e) 1025

45. ¿Con qué puerta lógica identificarías la tabla de verdad mostrada?

a) NOT b) NOR c) OR

d) AND e) NAND

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SISTEMAS DIGITALES 46. ¿Cuántos bits necesitamos para representar el número 327?

a) 8 b) 7 c) 10

d) 9 e) 6

47. ¿Cuál de los siguientes números en binario representa el número 21?

a) 10101 b) 10110

c) 110101 d) 11011

48. ¿Qué tipo de señal puede adquirir infinitos valores entre dos extremos

cualesquiera variando de forma continua?

49. ¿Qué valor lógico entrega en la salida la puerta mostrada? a) 1 b) 0

c) 10 d) 01

50. ¿A qué puertas lógicas equivale el circuito de la figura?

a) NOR b) NOT c) NAND

d) OR e) AND

51. ¿Cuál será la función lógica de salida del circuito de la figura?

52. ¿Qué nombre recibe la puerta mostrada? a) NAND b) AND c) OR

d) NOR e) NOT

53. ¿Qué nombre recibe la puerta mostrada?

a) OR b) NAND c) NOR

d) NOT e) AND

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SISTEMAS DIGITALES 54. ¿Qué valor lógico entrega en la salida la puerta mostrada?

a) 1 b) 0

c) 11 d) 10

55. ¿Qué tipo de señal sólo puede adquirir valores discretos entre dos extremos cualesquiera?

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SISTEMAS DIGITALES TAREA 2: IMPLEMENTA CIRCUITOS DIGITALES SECUENCIALES. En esta tarea el estudiante implementa circuitos digitales secuenciales, interactúa para este fin con circuitos integrados de funciones específicas como los contadores y registros. La operación a realizar en esta tarea es: Entiende e implementa circuitos digitales secuenciales.

Equipos y Materiales: • Manual del curso. • Apuntes de clase. • Fuente de alimentación regulada

de 5V (puede reemplazarse con porta pila, pila de 9V, regulador de voltaje 7805).

• Diodos emisores de luz. • Resistencias varias de 1/4W

(330Ω, 100Ω, etc.). • Potenciómetro 1KΩ.

• Cables de conexión. • Display de 7 segmentos. • Circuitos integrados (7400, 7404,

7432, etc.). • Dip switch. • Push bottons. • Computadora con microprocesador

Core I3 o superior. • Sistema operativo Windows. • Software de simulación electrónica.

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SISTEMAS DIGITALES 2.1. OPERACIÓN: ENTIENDE E IMPLEMENTA CIRCUITOS DIGITALES

SECUENCIALES. • TIMER 555 - MULTIVIBRADOR ASTABLE: Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con forma de onda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido por el diseñador del circuito. Implementar el circuito que se muestra a continuación, que será usado como entrada de reloj en los circuitos secuenciales posteriores.

• CONTADOR DIGITAL DE 0 - 99 CON DISPLAY DE 7 SEGMENTOS ÁNODO COMÚN:

Nota: Se puede desarrollar un sistema digital alternativo de acuerdo a la disponibilidad de materiales. PRESENTACIÓN DEL PROYECTO: Se va a realizar un contador digital de 0 a 99 con display de 7 segmentos ánodo común el cual es alimentado por una fuente de voltaje de 5 V, los pulsos son generados por medio de un circuito LM555 configurado en modo astable. TÉRMINOS CLAVE: Display 7 segmentos ánodo común, circuito integrado LM555 Astable, circuito integrado SN74LS47, circuito integrado HD74LS90P. MATERIALES: se especifican en la tabla que se muestra en la página siguiente:

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SISTEMAS DIGITALES

PRODUCTO DESCRIPCIÓN

Circuito Integrado LM555 En este caso utilizado como temporizador versátil.

Circuito integrado HD74LS90P Contador de décadas (Binary Code Decodification).

Circuito integrado SN74LS47 Decodificador (Binary Code Decodification) a 7 segmentos ánodo común.

Adaptador voltaje a 5 V Fuente de alimentación del circuito. Resistencias 220 Ω Todas se utilizan a ¼ de Vatio.

Condensador Electrolítico Condensador para carga y descarga del circuito.

Cable UTP Cable para conexión del circuito. Potenciómetro 1 KΩ Resistencia variable para la frecuencia de reloj. Display 7 Segmentos HS-5161BS

Display 7 Segmentos ánodo común.

Protoboard Protoboard para conexión del circuito.

Led Led ánodo común.

DESARROLLO DEL PROYECTO: Inicialmente se procede a realizar un generador de pulsos con un circuito LM555 (véase documentación circuito integrado LM555 multivibrador monoestable y astable), para esto se conecta la entrada Pin No. 2, está conectada a la entrada de disparo Pin No. 6. Los componentes externos R1, R2 y C1 conforman la red de temporización que determina la frecuencia de oscilación. El condensador C2 de 0.01 uF conectado a la entrada de control Pin No. 5 sirve únicamente para desacoplar y no afecta en absoluto al funcionamiento del resto del circuito. Si se desea se puede omitir.

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SISTEMAS DIGITALES Para realizar el cálculo de la frecuencia de oscilación se establece mediante la siguiente fórmula:

f = 1.44 / [(R1 + 2*R2) * C1]

El ciclo de trabajo depende de los valores de R1 y R2 y puede ser ajustado seleccionando diferentes resistencias, dado que C1 se carga a través de R1 + R2 y se descarga únicamente a través de R2, se puede conseguir ciclos de trabajo de un mínimo del 50% aproximadamente, si R2>>R1, de forma que los tiempos de carga y descarga sean aproximadamente iguales. A continuación mostramos la frecuencia mínima y máxima de nuestro circuito calculando los valores con la ecuación antes explicada: • Resistencia fija (R1) = 220 ohmios. • Resistencia variable (R2): para la mínima se toma como 0 ohmios y para la

máxima como 1000 ohmios. • Capacitor (C1)= 0.0001 faradios. • fmin = 1.44/[(220+2*0)*0.000001] = 72000/11 Hz • fmax = 1.44/[(220+2*1000)*0.000001] = 24000/37 Hz Con la etapa de generador de pulsos completa proceder a realizar la conexión de los circuitos integrados SN74LS47 y HD74LS90P entre ellos para que posteriormente se realice la conexión a los display de 7 segmentos ánodo común; el integrado HD74LS90P es un contador de décadas (BCD) que está construido a base de flip flops, este circuito tiene la característica de poseer dos entradas MR (Máster Reset) y otras dos MS (Máster Set), además de dos entradas de reloj (Que se activan mediante flanco de subida). Los 4 bits de salida, irán al SN74LS47 que es un decodificador BCD a 7 segmentos los cuales se conectaran respectivamente a las terminales de nuestro display de 7 segmentos ánodo común. Ya que el contador indicado anteriormente solo genera los números decimales del 0 al 9 es necesario realizar una configuración similar del mismo circuito para el otro display de 7 segmentos ánodo común y conectar ambos circuitos para generar los números del 0 al 99.

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CIRCUITO COMPLETO CONTADOR 0-99 CON DISPLAY DE 7 SEGMENTOS ÁNODO COMÚN.

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SOPORTE FOTOGRÁFICO.

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SISTEMAS DIGITALES

FUNDAMENTO TEÓRICO: SISTEMAS SECUENCIALES. En los circuitos combinacionales la salida en un determinado momento depende únicamente de los valores de las señales de entrada en el mismo instante. Sin embargo, en el mundo real la mayor parte de los sistemas con los que nos enfrentamos tienen una dimensión adicional: el funcionamiento de los mismos depende no únicamente de sus entradas actuales, sino también de la historia por la que han pasado. Así, los circuitos secuenciales surgen para solucionar las limitaciones intrínsecas de los combinacionales. Los circuitos secuenciales son sistemas que, además de entradas y salidas, también tienen estados que recuerdan la historia pasada por el circuito. Utilizan la información del estado conjuntamente con una combinación lógica de sus entradas de datos para determinar el futuro estado del sistema y sus salidas. Por tanto, una de sus características es que las mismas entradas en estados diferentes dan lugar a salidas distintas, ya que estas dependen también del estado.

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SISTEMAS DIGITALES

Muchos de los sistemas digitales prácticos se realizan siguiendo la filosofía de los circuitos secuenciales (circuitos de control, sistemas de alarma y seguridad, relojes, etc.). Podemos considerar como ejemplo una máquina expendedora (simplificada), que representaríamos como se muestra en la figura.

En la figura pueden verse varios estados, en los que el sistema espera monedas o la selección de productos, o entrega el producto. Estos estados memorizan la última acción del usuario, de forma que el sistema puede responder a las nuevas acciones de forma diferente dependiendo de la historia pasada: si seleccionamos producto, la salida no será la misma si ya le hemos entregado el dinero o todavía no. Este puede ser un ejemplo sencillo de máquina secuencial, y a partir de ahora formalizaremos el concepto y estudiaremos la forma de analizar y diseñar este tipo de circuitos. Los circuitos secuenciales son aquellos cuya salida en cualquier momento no depende solo de la entrada al circuito sino también de la secuencia de entradas a

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SISTEMAS DIGITALES las que estuvo sometido anteriormente. Destacan, pues, por su capacidad de “memorizar” información. TIPOS DE CIRCUITOS SECUENCIALES. Pueden clasificarse en dos grandes grupos: Asíncronos: Los cambios de estado se producen cuando están presentes las entradas adecuadas. Síncronos: Los cambios de estado se producen cuando además de estar presentes las entradas adecuadas se produce la transición de una señal compartida por los elementos del sistema y que sincroniza su funcionamiento. A esta señal se le llama señal de reloj o de clock. Los dispositivos secuenciales más simples y elementales son los biestables. La unión de biestables da lugar a otros circuitos secuenciales más complejos, como son los contadores y los registros de desplazamiento. EL TIMER 555. Este excepcional Circuito Integrado muy difundido en nuestros días nació al inicio de la década de los 70 continúa utilizándose actualmente, veamos una muy breve reseña histórica de este C.I. Jack Kilby ingeniero de Texas Instrument en el año de 1950 se las ingenió para darle vida al primer circuito integrado, una compuerta lógica, desde entonces y hasta nuestros tiempos han aparecido innumerables circuitos integrados, en Julio de 1972, apareció en la fábrica de circuitos integrados SIGNETICS CORP., un microcircuito de tiempo el NE555V, inventado por el grupo que dirigió el Jefe de Producción en ese tiempo, Gene Hanateck. Este integrado se puede aplicar a diversas aplicaciones, tales como: • Control de sistemas secuenciales, • Generación de tiempos de retraso, • Divisor de frecuencias, • Modulación por anchura de pulsos, • Repetición de pulsos, • Generación de pulsos controlados por tensión, etc. Además de ser tan versátil contiene una precisión aceptable para la mayoría de los circuitos que requieren controlar el tiempo, su funcionamiento depende

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SISTEMAS DIGITALES únicamente de los componentes pasivos externos que se le interconectan al microcircuito 555.

DESCRIPCIÓN DEL TIMER 555: Se alimenta de una fuente externa conectada entre sus terminales (8) positiva y (1) tierra; el valor de la fuente de alimentación se extiende desde 4.5 Volts hasta 18.0 Volts de corriente continua, la misma fuente exterior se conecta a un circuito pasivo RC exterior, que proporciona por medio de la descarga de su Capacitor una señal de voltaje que está en función del tiempo, esta señal de tensión es de 1/3 de Vcc y se compara contra el voltaje aplicado externamente sobre la terminal (2) que es la entrada de un comparador como se puede apreciar en la gráfica anterior. La terminal (6) se ofrece como la entrada de otro comparador, en la cual se compara a 2/3 de la Vcc contra la amplitud de señal externa que le sirve de disparo. La terminal (5) se dispone para producir (PAM) modulación por anchura de pulsos, la descarga del condensador exterior se hace por medio de la terminal (7), se descarga cuando el transistor (NPN) T1, se encuentra en saturación, se puede descargar prematuramente el Capacitor por medio de la polarización del transistor (PNP) T2. Se dispone de la base de T2 en la terminal (4) del circuito integrado 555, si no se desea descargar antes de que se termine el periodo, esta terminal debe conectarse directamente a Vcc, con esto se logra mantener cortado al transistor T2 de otro modo se puede poner a cero la salida involuntariamente, aun cuando no se desee.

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SISTEMAS DIGITALES La salida está provista en la terminal (3) del microcircuito y es además la salida de un amplificador de corriente (buffer), este hecho le da más versatilidad al circuito de tiempo 555, ya que la corriente máxima que se puede obtener cuando la terminal (3) sea conecta directamente al nivel de tierra es de 200 mA. La salida del comparador "A" y la salida del comparador "B" están conectadas al Reset y Set del FF tipo SR respectivamente, la salida del FF-SR actúa como señal de entrada para el amplificador de corriente (Buffer), mientras que en la terminal (6) el nivel de tensión sea más pequeño que el nivel de voltaje contra el que se compara la entrada reset del FF-SR no se activará, por otra parte mientras que el nivel de tensión presente en la terminal 2 sea más grande que el nivel de tensión contra el que se compara la entrada Set del FF-SR no se activará. El microcircuito 555 es un circuito de tiempo que tiene las siguientes características: • La corriente máxima de salida es de 200 mA cuando la terminal (3) de salida se

encuentra conectada directamente a tierra. • Los retardos de tiempo de ascenso y descenso son idénticos y tienen un valor

de 100 nseg. • La fuente de alimentación puede tener un rango que va desde 4.5 Volts hasta

16 Volts de CD. • Los valores de las resistencias R1 y R2 conectadas exteriormente van desde

1ohm hasta 100 kohms para obtener una corrimiento de temperatura de 0.5% a 1% de error en la precisión, el valor máximo a utilizarse en la suma de las dos resistencias es de 20 MΩ.

• El valor del Capacitor externo contiene únicamente las limitaciones proporcionadas por su fabricante.

• La temperatura máxima que soporta cuando se están soldando sus terminales es de 330 centígrados durante 19 segundos.

• La disipación de potencia o transferencia de energía que se pierde en la terminal de salida por medio de calor es de 600 mW.

El dispositivo 555 es un circuito integrado muy estable cuya función primordial es la de producir pulsos de temporización con una gran precisión y que, además, puede funcionar como oscilador. Sus características más destacables son: • Temporización desde microsegundos hasta horas. • Modos de funcionamiento:

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SISTEMAS DIGITALES o Monoestable. o Astable.

• Aplicaciones: o Temporizador. o Oscilador. o Divisor de frecuencia. o Modulador de frecuencia. o Generador de señales triangulares.

Las aplicaciones del 555 son tan numerosas que prácticamente no existe un sistema electrónico que no lo utilice de alguna forma. Su versatilidad, bajo costo y sencillez de uso lo hacen imprescindible en muchos casos. Además sobre él se ha escrito mucha literatura y existen cientos de libros, artículos y documentos sobre sus aplicaciones reales y potenciales. El circuito integrado 555 en su presentación usual de cápsula plástica dispone de 8 pines. Puede estar etiquetado bajo distintos nombres o referencias dependiendo del fabricante (NE555, μA555, LM555, SN72555, XR-555, CA555, HA1755, NC1455, TA7555P, ECG955, etc.). También se consigue en otras presentaciones incluyendo cápsulas metálicas para aplicaciones de montaje superficial (SMT). El 555 convencional consta internamente de 23 transistores, 2 diodos y 12 resistencias de las cuales 3 son de 5 Kohms por eso tiene el nombre de 555. Este circuito tiene una capacidad suficiente para impulsar directamente leds, zumbadores, bobinas de relé, parlantes, piezoeléctricos y otros componentes, además, es directamente compatible con circuitos integrados digitales estándares, que es otra de sus grandes ventajas. a) Configuración de pines. Se puede ver de la figura que independientemente del tipo de encapsulado la numeración de las pines es la misma. El 556 es un C.I. con 2 temporizadores tipo 555 en una sola unidad de 14 pines y el 558 es un C.I. con 4 temporizadores tipo 555 en una sola unidad de 14 pines

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SISTEMAS DIGITALES

Descripción de las pines del 555. 1 Tierra o masa: (Ground) Conexión a tierra del circuito en general. 2 Disparo: (Trigger) Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 555 es configurado como monostable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin va por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez. 3 Salida: (Output) Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que esté conectado como monostable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de aplicación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla # 4 (reset). 4 Reset: Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida # 3 a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar que el 555 se "resetee". 5 Control de voltaje: (Control) Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la práctica como Vcc -1 voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos en que la patilla # 3 está en alto o en bajo independiente del diseño (establecido por las resistencias y condensadores conectados externamente al 555). El voltaje aplicado a la patilla # 5 puede variar entre un 45 y un 90 % de Vcc en la configuración monostable. Cuando se utiliza la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1.7 voltios hasta Vcc. Modificando el voltaje en esta patilla en la configuración astable

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SISTEMAS DIGITALES causará la frecuencia original del astable sea modulada en frecuencia (FM). Si esta patilla no se utiliza, se recomienda ponerle un capacitor de 0.01uF para evitar las interferencias. 6 Umbral: (Threshold) Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la salida (Pin # 3) a nivel bajo. 7 Descarga: (Discharge) Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento. 8 V+: También llamado Vcc, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que va de 4.5 voltios hasta 16 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que llegan hasta 18 Voltios.

b) El temporizador 555 se puede conectar para que funcione de diferentes maneras, entre los más importantes están: como multivibrador astable y como multivibrador monoestable. Multivibrador astable: Este tipo de funcionamiento se caracteriza por una salida con forma de onda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido por el diseñador del circuito. El esquema de conexión e s el que se muestra. La señal, de salida tiene un nivel alto por un tiempo T1 y en un nivel bajo un tiempo T2. Los tiempos de duración dependen de los valores de R1 y R2.

T1 = 0.693(R1+R2) C1 (seg) y T2 = 0.693 x R2 x C1 (seg)

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SISTEMAS DIGITALES La frecuencia con que la señal de salida oscila está dada por la fórmula:

f = 1/ (0.693 x C1 x (R1 + 2 x R2)) f = 1 / (T1 + T2)

y el período es simplemente T = 1 / f El ciclo de trabajo está dado por CT=100 x R2 / (R1+ 2 x R2)

Cuando la señal de disparo está a nivel alto (ej. 5V con Vcc 5V) la salida se mantiene a nivel bajo (0V), que es el estado de reposo. Una vez se produce el flanco descendente de la señal de disparo y se pasa por el valor de disparo, la salida se mantiene a nivel alto (Vcc) hasta transcurrido el tiempo determinado por la ecuación:

T = 1.1 x R1 x C (seg)

Es recomendable, para no tener problemas de sincronización que el flanco de bajada de la señal de disparo sea de una pendiente elevada, pasando lo más rápidamente posible a un nivel bajo (idealmente 0V). NOTA: en el modo monoestable, el disparo debería ser puesto nuevamente a nivel alto antes que termine la temporización. Multivibrador Monostable: En este caso el circuito entrega a su salida un sólo pulso de un ancho establecido por el diseñador (tiempo de duración). El esquema de conexión es el que se muestra. La Fórmula para calcular el tiempo de duración (tiempo que la salida está en nivel alto) es: T = 1.1 x R1 x C1 (en segundos).

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SISTEMAS DIGITALES Observa que es necesario que la señal de disparo, sea de nivel bajo y de muy corta duración en el PIN # 2 del C.I. para iniciar la señal de salida.

ELEMENTOS BÁSICOS DE MEMORIA. Los elementos que se van a explicar a continuación son los elementos base de la memoria con la que están construidos las computadoras actuales y todos los circuitos que siguen una secuencia lógica de estados para conseguir realizar una tarea final. EL BIESTABLE. Los biestables son circuitos lógicos que presentan una salida que puede estar en uno de los dos estados posibles (0 o 1), aún después de desaparecer la señal de entrada, de modo que almacenan la información binaria de un bit. Los hay de varios tipos pero su esquema general es el siguiente:

Los biestables se construyen con dos salidas, Q y Q’, una es la inversa de la otra. Q define el estado del biestable, mientras que la otra es utilizada para otros propósitos en los circuitos combinacionales y es la inversa de la primera. Los biestables pueden clasificarse de dos formas: • Por su entrada, con lo que tendremos biestables tipo R-S, J-K, D y T.

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SISTEMAS DIGITALES • Por el sincronismo de disparo, con lo que tendremos biestables síncronos y

asíncronos. FLIP/FLOP R-S CON PUERTAS NOR. Este biestable está construido con dos puertas lógicas montadas en una configuración especial, en la que las salidas son realimentadas hacia las entradas. Su esquema básico es:

A este circuito se le llama biestable R-S, ya que esas letras son los nombres de sus entradas, que sirven para poner a uno (set) o a cero (reset) la señal de salida Q. Para comprender el funcionamiento del circuito hay que tener en cuenta el retardo que se produce en las puertas, ya que el circuito funciona de forma asíncrona, es decir, las salidas de éste no tienen que cambiar cuando una señal de control lo diga. El funcionamiento del circuito se puede describir de la siguiente manera. Si en la entrada R ponemos un uno, manteniendo un cero en la entrada S, la salida Q se pondrá a 0, ya que la salida de una puerta NOR solo se pone a cero si alguna de sus entradas está puesta a uno, señal que se realimenta a la puerta lógica 2 provocando que la salida Q’ se ponga a uno, ya que la entrada R estaba a cero. Si ahora ponemos un cero en la entrada S, como la salida Q’ está a nivel alto, la salida Q seguirá a nivel bajo. Activando la señal R, con un nivel uno, la salida Q’ pasa a tener un valor cero, valor que se realimenta a la puerta 1, lo que hará que la salida Q tome un valor 1. Si volvemos a situar la entrada R a un valor lógico bajo el estado de las salidas no variará.

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SISTEMAS DIGITALES Hay que considerar una última condición, en el caso en que ambas entradas estén a nivel alto. En este caso ambas salidas quedarán a nivel bajo. Este estado en un estado que hay que evitar en las básculas R-S, ya que se crea un estado de indeterminación al estar dos señales de salida, que deberían ser inversas, con el mismo valor. Una vez que ambas entradas vuelven a nivel bajo la condición de indeterminación desaparece, ya que ambas puertas intentan conseguir un estado de salida alto, pero al mismo tiempo. Debido a los tiempos de retardo una de ellas lo conseguirá antes que la otra, quedando entonces el circuito en un estado estacionario y determinado, el problema es en que no se sabe en qué estado quedará. Esto dependerá de cada biestable y no puede ser determinado a priori. Como se ve en el funcionamiento del biestable influye el estado anterior en el que se encontraba. La tabla que se muestra refleja el modo de funcionamiento en el que se puede encontrar un biestable R-S en todo instante. En la siguiente figura se muestra el diagrama de tiempos de un biestable R-S, en el que se indican los estados de las salidas Q y Q al variar las entradas R y S.

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SISTEMAS DIGITALES FLIP/FLOP R-S CON PUERTAS NAND. El circuito que se obtiene en este caso es similar al del apartado anterior, solo que al estar construido en base a puertas NAND, la lógica de control cambia, pero la base de funcionamiento es la misma. El circuito básico de este biestable es el que se muestra en la siguiente figura:

Al igual que con el biestable R-S construido con puertas NOR, en este biestable se da también la condición de indeterminación, que en este caso como se trabaja con lógica negativa, se dará cuando las dos entradas estén a nivel bajo. La siguiente tabla de verdad muestra el funcionamiento de este biestable.

BIESTABLE R-S SÍNCRONO. Los biestables R-S vistos hasta ahora son raramente utilizados en la práctica, ya que presentan problemas en al almacenamiento de la información binaria, debido a que también almacenan la información errónea de ruido que se puede producir

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SISTEMAS DIGITALES en los circuitos digitales, de forma que almacena el último valor existente en sus entradas, sin saber si es el correcto. Para evitar esto se añaden al circuito dos puertas de control para dejar que la información solo pase a nuestro biestable cuando esas puertas lo permitan. De este modo ahora podremos introducir una señal de control que gobierne el estado de esas puertas, de manera que los datos se guarden cuando esa señal lo indique. A esta señal normalmente se la llama señal de reloj, que será la encargada de introducir los datos al biestable en intervalos periódicos de tiempo. Esta señal se utiliza mucho en los circuitos digitales, y es común para todos los circuitos integrados que lo componen, de manera que mantiene a todas las señales del circuito organizadas en intervalos de tiempo, de forma que el circuito funciona de forma síncrona. Esto quiere decir que ningún elemento del circuito puede tomar decisiones en cualquier momento, sino que tendrá que esperar hasta que la señal de reloj se lo indique. El esquema del nuevo biestable, que en este caso será síncrono, es:

Las nuevas señales que aparecen en este circuito son: • Clock: Señal de reloj. Cuando esté a nivel alto el biestable tomará la decisión

que deba y si está a nivel bajo el estado de las entradas R y S no se tendrá en cuenta.

• R y S: Señales de entrada al circuito, como las de los biestables asíncronos (los básicos).

• Preset: Es una señal de puesta a uno del biestable, que funciona de forma asíncrona, independientemente de la señal de reloj.

• Clear: Es una señal de puesta a cero del biestable, que funciona de forma asíncrona, independientemente de la señal de reloj.

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SISTEMAS DIGITALES Si observamos el siguiente diagrama de tiempos veremos el efecto que produce la señal de reloj en el circuito.

Si observamos el diagrama anterior se ve que los cambios solo se producen cuando la señal de reloj tiene un valor alto. Aun así si se producen cambios mientras la señal de reloj está a nivel alto estos cambios se reflejan en la salida, con lo que no se tiene el control total del circuito que se pensaba. Hay otros biestables más avanzados que cambian su estado de salida justo en el cambio de estado alto a bajo en la señal de reloj. En este caso se dice que el biestable cambia su estado en el flanco de bajada. De esta manera el estado de las entradas solo se toma en un instante de tiempo muy corto, con lo que no se da tiempo a que este pueda cambiar. Otra forma de disparo del biestable es en la transición de bajo a alto en la señal de reloj, con lo que se dice que el biestable se dispara por flanco de subida. En resumen las formas síncronas de disparar a un biestable son: • Por nivel alto de la señal de reloj. • Por nivel bajo de la señal de reloj. • Por flanco de subida de la señal de reloj. • Por flanco de bajada de la señal de reloj.

En cada uno de esos casos la entrada de la señal de reloj del biestable se dibuja de una manera distinta en su símbolo esquemático. Las formas de dibujarla son las que se muestran a continuación:

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EL BIESTABLE TIPO D. El biestable tipo D es un derivado del biestable R-S convencional. En este caso concreto el biestable derivado solo tiene una entrada lógica. Este biestable siempre tiene señal de reloj, con lo que estamos hablando de un biestable síncrono. El tipo de la señal de reloj puede ser cualquiera de los que se han visto, tanto disparado por nivel como por flanco. El esquema básico del biestable tipo D (derivado de un R-S) se muestra en la siguiente figura. Además se presenta también su símbolo eléctrico, del circuito integrado comercial.

Si observamos el funcionamiento de este circuito veremos que lo único que hace es almacenar una copia del valor de entrada en la salida, es decir, si introducimos un nivel alto en la entrada S sería uno y R sería cero, con lo que la salida tomaría un valor alto. En el caso contrario la salida tomaría un nivel bajo. Otro factor a tener en cuenta es que en esta configuración no se puede producir la condición de indeterminación que se producía en el biestable R-S, ya que la

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SISTEMAS DIGITALES puerta inversora siempre proporciona en una de las entradas un valor distinto que la de la otra. La utilidad práctica que tiene este circuito es su función como latch, palabra que se utiliza como sustituta de circuito memorizador de datos. La función que realiza en un circuito es como la de una memoria que almacena los datos de varios bits. Un ejemplo de utilización de este tipo de biestables sería la de almacenar los dígitos que va pulsando un operario en un teclado numérico, de forma que cuando el operario deja de pulsar los datos quedan almacenados en el biestable D y el circuito digital los pueda procesar durante más tiempo. EL BIESTABLE J - K Con el biestable J-K se crea para solucionar el problema de indeterminación que tiene el biestable R-S. Par ello se modifica éste último con dos puertas más, de manera que si se da la condición de indeterminación el biestable cambia al estado contrario al que estaba. La modificación que se lleva a cabo se muestra en las siguientes figuras. Hay que tener en cuenta que sirve tanto para los biestables R-S síncronos y asíncronos, independientemente del tipo de señal de reloj que utilicen.

Si observamos la figura anterior e introducimos un nivel alto por las señales de entrada J y K vemos que la condición de indeterminación nunca se puede dar, ya que en las entradas R y S del biestable original no tienen nunca el mismo estado, además como la conexión de entrada - salida se hace de forma invertida, el estado final de las salidas será también invertido. La tabla de verdad que definiría el estado del biestable es:

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El biestable J – K integrado se presenta en la pastilla 4027 de la familia CMOS. Este circuito integrado contiene dos biestables de este tipo integrados. Su patillaje se puede observar en la siguiente figura:

EL BIESTABLE TIPO T. Este biestable nace a partir del biestable J-K, aprovechando las nuevas características que este presenta. La función que se trata de conseguir es que en un caso su salida varíe entre los estados cero y uno, y en el otro esa salida permanezca fija. El diagrama eléctrico que crea un biestable tipo T a partir de un J-K es el que se presenta en la siguiente figura. Además también se puede observar el diagrama eléctrico de un biestable tipo T.

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La tabla de verdad que indica los posibles estados en los que se puede encontrar este biestable es:

Si observamos la tabla de verdad veremos que si la entrada T está a nivel alto el estado de la salida estará cambiando con cada impulso de reloj, mientras que si ésta está en bajo nivel la salida permanecerá siempre con el mismo estado lógico. Este tipo de biestables no existen en el mercado, ya que se obtienen directamente del biestable J-K, aunque si podremos tratarlo como tal al dibujar un esquema eléctrico. La principal aplicación de este tipo de biestables es la de dividir frecuencias digitales. Esto se consigue poniendo a uno la entrada, con lo que por cada ciclo completo de reloj se conseguirá un solo cambio de nivel en la salida. Así en la salida se obtendrá la señal de reloj dividida por dos. El efecto comentado se puede observar en la siguiente figura.

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BASCULAS MONOESTABLES. Este tipo de básculas se diferencian de todas las que hemos visto hasta ahora en que las anteriores tenían dos estados estables bien definidos, en los que podían permanecer durante un tiempo indefinido y éstas solo tienen un estado estable, en el que permanecerán todo el tiempo. Además hay otro estado, el complementario al primero, que será activado por una señal externa y provocará que el monoestable permanezca en un estado inestable durante un periodo de tiempo determinado generalmente por un circuito RC. Este tipo de básculas generalmente son activadas por flanco, ya sea ascendente o descendente. El efecto que se produce en la salida se puede observar en las siguientes figuras:

Un ejemplo de un circuito monoestable con dos puertas NAND se puede observar en la siguiente figura. Se utiliza para generar pulsos de nivel bajo de corta duración (inferior a un segundo) y funciona con lógica negativa de entrada.

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SISTEMAS DIGITALES El estado estable está definido como un nivel alto tanto para la entrada de impulsos exteriores como para la salida. Cuando por la entrada se recibe un impulso negativo el circuito se dispara por flanco de bajada y la salida toma un nivel bajo durante un periodo que depende de la constante RC, volviendo más tarde a tener un nivel alto. Al introducir un valor bajo por la entrada de la puerta se produce un nivel alto en la salida de la primera puerta, al estar el condensador descargado en ese instante, el nivel alto pasa a la entrada de la segunda puerta NAND, de manera que su salida pasa a tener un nivel bajo. Una vez que el condensador se carga a través de la resistencia en la entrada de la segunda puerta vuelve a haber un nivel bajo, provocando que la salida vuelva a nivel alto, dando por finalizado el estado inestable. Se puede observar que, debido al modo de funcionamiento del circuito RC, si se mantiene un nivel bajo en la entrada del circuito, el monoestable funcionará de manera normal, ya que el condensador una vez cargado no dejará al circuito que genere otro impulso negativo de salida. Esta condición se mantendrá hasta que el condensador se descargue como efecto de que la señal de entrada vuelva a su nivel original. La principal aplicación de estos circuitos es su uso conjunto con pulsadores mecánicos. Con esta configuración se evitan los rebotes mecánicos que se producen en el pulsador, generando una señal estable como consecuencia de esa pulsación. BASCULAS ASTABLES. Este tipo de básculas es una de los que más se va utilizar en electrónica digital debido a que es capaz de generar una señal cuadrada periódica, señal que se puede utilizar como reloj para sincronizar todos los circuitos que compondrán nuestros montajes. Este circuito biestable se diferencia de los anteriores en que no tiene ningún estado estable, es decir, los dos estados que tiene son estados inestables, con lo que el circuito estará cambiando de un estado a otro continuamente. Al igual que en el circuito monoestable el tiempo que dura cada estado inestable estará definido por una red RC. Ejemplos de estos circuitos pueden ser: Osciladores con inversores:

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Oscilador condicional, si E=0 no oscila y si E=1 oscila:

Todos estos circuitos oscilan gracias a la carga y descarga del condensador a través de las resistencias del circuito. Si existe más de una resistencia es que el condensador tiene los caminos de carga y descarga por distinto lugares. Así la frecuencia de salida de los circuitos dependerá de la constante RC. Para ver la forma de funcionamiento de los circuitos habrá que suponer un estado lógico inicial y ver por donde se carga el condensador, lo que provocará que ese estado lógico cambie. Así el condensador iniciará la descarga repitiéndose el proceso anterior. La puerta que tiene un símbolo en su interior indica que tiene los niveles de cambio de estados mejor definidos, con lo que es más inmune al ruido. El efecto que tiene en estos circuitos es que la señal cuadrada que generan tiene el mismo ancho en el semiperiodo positivo que en el negativo. Son puertas trigger Smith. Oscilador con cristal de cuarzo:

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SISTEMAS DIGITALES Este circuito funciona de distinta manera que los anteriores, ya que como se ve no contiene condensadores. El componente electrónico que regula la forma y frecuencia de la señal de salida es un cristal de cuarzo. Este componente destaca por la gran exactitud de la frecuencia de salida y provoca una única oscilación a una frecuencia determinada, que depende del tamaño del cristal que lleva internamente. REGISTROS DE DESPLAZAMIENTO Y CONTADORES. Este capítulo describirá como crear registros de desplazamientos y contadores a partir de los biestables que se han visto en el capítulo anterior. Se verá cómo se adaptan a los distintos códigos binarios y cómo hacer circuitos secuenciales que sigan una secuencia lógica de pasos que nosotros definiremos. REGISTROS DE DESPLAZAMIENTO Y LATCH. Estos dos tipos de circuitos están constituidos en base a los biestables que se han visto en el capítulo anterior. Su esquema eléctrico es muy parecido, pero existen pequeñas diferencias que provocan que su funcionalidad sea muy distinta. El circuito que recibe el nombre de latch se comentó en el capítulo anterior pero aquí se explicará más detenidamente. Se utiliza para almacenar información binaria de varios bits a la vez cuando una señal lo indique, generalmente la señal de reloj. El esquema de estos circuitos es el siguiente. En él se ve que solo pueden almacenar cuatro bits, pero es fácilmente ampliable, ya que solo hay que añadir más biestables al circuito siguiendo la manera de interconexión que utilizan.

Las líneas discontinuas indican que todo lo que hay en su interior estaría integrado en un circuito comercial, siendo sus entradas exteriores: • Clock: Indica en qué momento se guardan los datos de entrada. Activo por

flanco de subida

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SISTEMAS DIGITALES • Clear: Señal asíncrona que pone a cero todos los biestables del latch. • D1 a D4: Señales de entrada. Se toma muestra de ellas cuando lo indica la

señal de reloj. • Q1 a Q4: Señales de salida. Siempre contienen una copia de los últimos datos

de entrada. Una de sus aplicaciones más directas es el almacenamiento de datos que se presentan durante un pequeño periodo de tiempo, pero que se tienen que utilizar para un tiempo de procesamiento mayor. Los datos se almacenarán en un latch para su posterior uso. En este caso los datos pueden provenir de un teclado o un sensor electrónico. El caso de los registros de desplazamiento es distinto. Su utilización práctica depende de la configuración que estos presenten, y se pueden utilizar para convertir los datos de una forma de transmisión de datos serie a paralelo o viceversa, o incluso para actuar de retardador de datos. La forma de funcionamiento de estos circuitos depende de la configuración de éstos y se verán uno por uno. Sus configuraciones básicas son: • Serie / Serie. • Serie / Paralelo. • Paralelo / Serie. • Universales. La mayoría de ellos se basan en que los datos que entran al registro sufren un desplazamiento lateral antes de que salgan al exterior, de ahí viene su nombre. Registro de desplazamiento Serie-Serie. Es el un registro de desplazamiento que tiene la entrada de datos serie y la salida de datos serie. Su esquema básico para cuatro bits es el que se muestra en la siguiente figura:

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SISTEMAS DIGITALES En este circuito los datos que entran por los registros de la izquierda se van desplazando hacia la derecha según se lo indica la señal de reloj, de forma que transcurridos 4 ciclos de reloj comienzan a salir por la derecha. Entonces se dice que la información entra en forma de datos serie y sale del mismo modo, pero con cierto retraso. Esto se utiliza para crear ciertos retardos que son necesarios a veces en la transmisión o procesado de datos. Si se introdujera un nivel alto por la entrada serie durante el primer ciclo de reloj la salida del primer biestable pasaría a nivel alto, en el segundo ciclo de reloj el nivel alto pasaría al segundo biestable, en el tercero al tercer biestable y en el siguiente, el nivel alto aparecería en la salida del registro de desplazamiento. En este mismo procedimiento se basan las memorias FIFO (First In First Out), solo que los datos de entrada son de varios bits. En este tipo de memorias el primer dato que entra es el primero en salir, de ahí su nombre. Registro de desplazamiento Serie-Paralelo. Es el mismo circuito que el anterior, solo que tiene la salida de datos en paralelo, es decir, en este circuito introduciríamos los datos en serie y esperaríamos a que el registro de desplazamiento esté lleno, 4 ciclos de reloj, que es cuando se podrían recoger los datos en la salida. Su principal aplicación es la conversión de datos que proceden de una transmisión serie o formato paralelo, para poderlos procesar de la forma en que se tratan normalmente los datos. Se utilizaría por ejemplo en el puerto serie de la computadora, de manera que éste recibe los datos en serie y los manda al procesador convertidos en paralelo. Su esquema es el siguiente:

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SISTEMAS DIGITALES Registro de desplazamiento Paralelo-Serie. En este caso la información binaria se introduce en el registro en formato paralelo en un solo ciclo de reloj, pero para obtener los datos en la salida hay que hacerlo con pasos de la señal de reloj, de manera que la información habrá salido por completo cuando hayan transcurrido 4 ciclos de reloj completos. El circuito que representa este tipo de registros de desplazamiento es:

Estos registros de desplazamiento se utilizan para convertir los datos de formato paralelo a formato serie. En una computadora se utiliza en el puerto de salida serie para convertir los datos que provienen del procesador de paralelo a serie, adaptándolos así al protocolo de transmisión serie. Como se puede observar se ha necesitado utilizar las entradas de puesta a uno que tienen los biestables para conseguir el objetivo buscado. Registros de desplazamiento Universales. En los circuitos que hemos visto anteriormente se puede observar cómo se ha cambiado de configuración con solo tomar las entradas o salidas de distintas maneras, con lo que con los mismos biestables se han conseguido distintos propósitos. Así pues los circuitos que vamos a ver ahora se podrán adaptar a cualquiera de las configuraciones vistas, ya que ponen a nuestra disposición todas las señales necesarias para ello. El primer circuito y más sencillo es el que se muestra en la siguiente figura.

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En este circuito se puede elegir la configuración que se desee, teniendo siempre la precaución de elegir un solo tipo de entrada de datos y solo otro de salida. Otros circuitos tienen las entradas y salidas colocadas de manera que los datos en de entrada paralelo se introducen de manera asíncrona, lo que nos permite admitir los datos cuando se presenten, sin contar con que hay que esperar a que la señal de reloj nos lo permita. Un circuito como este podría ser:

USO DEL TEMPORIZADOR 555 El circuito integrado LM555 es un circuito temporizador compuesto internamente por un divisor resistivo, dos amplificadores operacionales y un flip-flop RS, de manera que con las conexiones externas que presenta se pueden crear circuitos muy variados para una amplia gama de aplicaciones. El diagrama interno se puede observar en la siguiente figura:

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Como se indicó antes el patillaje de este circuito integrado se muestra en la siguiente figura:

Si nos fijamos en la figura que muestra el diagrama interno del temporizador podremos deducir fácilmente su funcionamiento. Los amplificadores operacionales del esquema están funcionando como comparadores, con las tensiones de referencia que marca el divisor de tensión que está conectado a Vcc. De esta forma en el operacional que está conectado a la patilla R del biestable tenemos una tensión de referencia de 1/3 de Vcc, que se puede variar con la tensión de disparo, y en el que está conectado a la patilla S del biestable tenemos 2/3 de Vcc, que si se modifica con la tensión de control tendrá ½ de Vcontrol. Para cambiar el estado de la salida del biestable es necesario activar alguna de sus entradas, reset o set. Así para activar la señal de reset habrá que introducir una tensión por la patilla de disparo menor que 1/3 de Vcc, con lo que la salida del operacional subirá a nivel alto, activando con ello la señal de reset, pasando la salida a tomar un nivel alto. Para activar la señal de set bastará con introducir por la patilla no inversora del primer operacional una tensión superior a 2/3 de Vcc y la salida de éste se pondrá a nivel alto, activando la señal de set y poniendo a nivel bajo la salida del temporizador.

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SISTEMAS DIGITALES Para tener un mayor control del temporizador hay otras patillas de entrada que nos ayudarán a crear una mayor colección de circuitos temporizadores a partir de este circuito integrado. Estas patillas son restablecer, y descarga. La patilla restablecer es el reset del biestable RS, en lógica negativa, con lo que si lo activamos la salida siempre tendrá un nivel alto. La patilla de descarga, que está conectada a un transistor, sirve para descargar de manera brusca a cualquier condensador que forme parte de la red RC externa que hace falta para la temporización. El transistor conduce cuando en la salida Q hay un nivel alto, descargando el condensador correspondiente, y está en corte en caso contrario. Si la patilla de control no se utiliza, el fabricante indica que hay que conectar un condensador de 10nF en esta patilla, con el fin de eliminar ruidos parásitos del circuito. El circuito se alimenta con una tensión de entre 4,5V y 18V. Uso del 555 como monoestable. Este circuito es uno de los más típicos que vamos a montar con el temporizador 555. Se trata de generar un pulso de salida de una duración determinada. Este pulso aparecerá cuando se introduzca por la señal de disparo una señal, y desaparecerá cuando transcurra el tiempo de duración para el que ha sido configurado, permaneciendo la salida en nivel bajo hasta que se vuelva a introducir una nueva señal de disparo. El esquema eléctrico que configura al temporizador como circuito monoestable es:

Para comprobar que el circuito es un monoestable hay que suponer un estado inicial y comprobar el funcionamiento del circuito en ese estado. Para más

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SISTEMAS DIGITALES sencillez vamos a analizar primero el estado estable, que es cuando la salida está a nivel bajo. Estado estable: Si la salida está a nivel bajo, la patilla de descarga estará conectada a tierra a través del transistor interno y la tensión del umbral será cero voltios, con lo que no se supera la tensión de 2/3 de Vcc y la salida permanece como está. Por lo tanto estamos en un estado estable en el que el condensador permanece descargado. Estado inestable: Si partimos del estado estable y aplicamos una tensión a la entrada de disparo que sea inferior a 1/3 de Vcc forzaremos a que la señal interna de puesta a cero del biestable se active y con ello la tensión de salida toma un nivel alto de tensión. Debido a ello la patilla de descarga del condensador estará desactivada, permitiendo que éste se cargue, de modo que cuando alcanza una tensión de 2/3 de Vcc se activa la señal interna de set y el temporizador vuelve a su estado estable. Las formas de onda de las señales se pueden ver en la siguiente figura:

El tiempo del estado inestable viene dado por la expresión: T = 1.1RC Uso del 555 como astable. En este caso el temporizador estará configurado como astable, de manera que tendrá dos estados inestables entre los que estará variando la salida. De esta manera la señal de salida del circuito será una señal cuadrada que tendrá una frecuencia dependiente de las constantes de tiempo que determinan los circuitos de carga y descarga RC. De esta manera se podrán crear señales cuadradas con ciclos de trabajo variables, es decir el tiempo de carga distinto que la descarga, con lo que la señal cuadrada no será simétrica. El esquema que configura al temporizador como circuito astable es:

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Para ver el funcionamiento del circuito hay que suponer un estado inicial y ver cómo evolucionan las señales en él. Al conectar el circuito el condensador está descargado, con lo que su tensión es menor que 1/3 de Vcc, activándose por lo tanto la señal R del biestable, con lo que la salida del temporizador pasa a nivel alto. En estas condiciones el condensador se carga a través de Ra y Rb, puesto que la señal de descarga está desactivada, hasta que su tensión supera el valor de 2/3 de Vcc, activándose la señal S del biestable, momento en el que la patilla de descarga se activa, descargando al condensador a través de Rb. Cuando la tensión de éste disminuye hasta un valor inferior a 1/3 de Vcc la salida del temporizador vuelve a ser alta, repitiéndose el proceso completo una y otra vez, mientras el circuito esté alimentado. Las señales que se pueden observar en el condensador y en la salida del temporizador se muestran en la siguiente figura:

W y T son los tiempos de carga y descarga del condensador a través de Ra + Rb o Rb respectivamente. Se ha de tener en cuenta que el tiempo de carga siempre

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SISTEMAS DIGITALES es mayor que el de descarga, ya que el circuito resistivo es mayor en la carga que en la descarga. La frecuencia de trabajo del circuito viene dado por la expresión:

El ciclo de trabajo especifica la relación asimetría de una señal cuadrada que tiene distintos tiempos de estado en alta y en baja. A partir de la señal cuadrada de la figura anterior el ciclo de trabajo se define como:

Por ejemplo si W = 2ms y T = 2.5ms el ciclo de trabajo será:

CONTADORES. Un "contador" puede ser considerado como un circuito que cuenta el número de impulsos que se le aplican a través de una entrada externa de reloj. Consta normalmente de una cadena de biestables en cuyas salidas se lee un número binario puro que indica la cuenta realizada hasta el momento. Por tanto, para conseguir un contador que cuente m números distintos, necesitamos una cantidad "n" de biestables tal que se cumpla la siguiente expresión:

Los contadores pueden clasificase de diversas formas: Según la señal de reloj:

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SISTEMAS DIGITALES • Síncronos: Todos los biestables conmutan a la vez, con una señal de reloj

común. • Asíncronos: La señal de reloj no es común, y los biestables conmutan uno tras

otro. Según como cuenten: • Ascendentes: El contador cuenta desde números pequeños a otros mayores. • Descendentes: El contador cuenta desde números grandes a otros menores. • Up/Down: El contador será ascendente o descendente, en función de una

entrada de control. Según los números que puedan contar: • Binarios de n bits: Cuentan todos los números posible de "n" bits, desde el 0

hasta el 2n-1. • De Décadas "BCD": Cuentan desde el 0 hasta el 9, y son ampliables de década

en década. • De módulo N: Cuentan N números diferentes, desde el 0 hasta el N-1. Todos los contadores cuentan de forma cíclica, es decir, una vez alcanzado el número máximo de cuenta, vuelven a contar desde 0 en el siguiente impulso de reloj. En muchas aplicaciones, los contadores son utilizados como temporizadores, cuentan unos determinados pulsos de reloj, de manera que el tiempo total de cuenta es de un tiempo determinado. CONTADORES ASÍNCRONOS. Son los contadores de construcción más sencilla, y se caracterizan porque los impulsos de reloj de los biestables no actúan simultáneamente, sino de forma secuencial, uno después de otro. Se basan en una cadena de biestables conectados de forma que con cada pulso de reloj conmuten al estado contrario al que tenían. La cadena se establece conectando la salida de un biestable con la entrada de reloj del siguiente. Como ejemplo se muestra un contador asíncrono ascendente de 4 bits, construido mediante biestables JK activos por flanco de bajada, y con ambas entradas fijadas a 1.

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Este circuito cuenta en binario puro de forma ascendente, desde el número 0 hasta el 15. Un cronograma del circuito, supuestos inicialmente puestos a 0 los biestables, es el siguiente:

Este cronograma ilustra el hecho de que todos los circuitos contadores pueden ser usados como divisores de frecuencia, ya que en sus salidas obtenemos señales cuyas frecuencias mantienen una relación fija con respecto a la frecuencia de la señal de reloj. La principal desventaja de estos contadores es su lentitud, ya que los biestables conmutan en serie y se suman los retardos de propagación, con lo que se ha de esperar un poco más hasta obtener el resultado final de la cuenta. Observar que la lentitud es mayor cuanto más grande es el contador. Otro problema de los contadores asíncronos es que, durante y el tiempo de conmutación de los biestables, aparecen momentáneamente valores de salida que no son válidos dentro de la cuenta que se lleva. Para construir un contador asíncrono descendente bastará con tomar las salidas de cuenta en las salidas negadas de cada biestable, con lo que la cuenta

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SISTEMAS DIGITALES empezaría por 1111 y terminaría por 0000. Otro modo es utilizar biestables JK activos por flanco ascendente. Observar como en este último caso la cuenta se realiza al revés, que es lo contrario de lo que puede parecer en un principio. El esquema eléctrico del contador descendente es como el del ascendente pero tomando las salidas de cuenta de las salidas negadas de los biestables, su cronograma es como el del contador ascendente pero con las señales de salida invertidas. CONTADORES SÍNCRONOS. Los contadores síncronos están formados por una cadena de biestables de cualquier tipo, a los que se aplica una misma señal de reloj, por lo que todos conmutan a la vez, que es la entrada externa de impulsos a contar y cuyas entradas síncronas son activadas por un conjunto de circuitos combinacionales (puertas lógicas) configurados de tal manera que hacen que el contador vaya pasando por los estados de cuenta deseados. Por ejemplo, el diagrama de bloques de un contador síncrono de 4 bits realizado mediante biestables tipo D es el siguiente:

Según sea el circuito combinacional, podemos obtener un contador ascendente o descendente, binario (O a 15) o de Décadas, etc. El problema principal consiste en diseñar dicho circuito combinacional para que active correctamente las entradas de los biestables para el próximo estado, en función de las salidas actuales de estos. Para ello el primer paso es construir la llamada tabla de transición del contador, en la que establecemos el orden de cuenta deseado y en la que se reflejarán todos los posibles estados en los que han de funcionar los biestables.

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SISTEMAS DIGITALES Por ejemplo, si queremos diseñar un contador ascendente binario de 4 bits, su tabla de transición será la siguiente:

Sin embargo, para construir el circuito combinacional necesitamos una tabla de verdad cuyas funciones de salida no sean el próximo estado de salida deseado en los biestables, sino el valor de las entradas que harán conmutar a los biestables a dicho próximo estado cuando llegue el siguiente pulso de reloj. Para obtener dicha tabla de verdad, es necesario saber qué tipo de biestables se van a utilizar en la construcción del contador y cuál es la tabla de excitación de ese tipo de biestable. Esa tabla de excitación indica cómo activar las entradas de un determinado tipo de biestable para que conmute del estado actual a cualquier otro que se quiera obtener en el próximo estado. Las tablas de excitación para los cuatro tipos principales de biestables son las siguientes:

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SISTEMAS DIGITALES Con estas tablas junto con la tabla de transición del contador podemos construir ya la tabla de verdad del circuito combinacional a diseñar, llamada normalmente tabla de excitación del contador. Esta tabla tendrá como variables de entrada el estado actual de salida de los biestables, y como funciones de salida las próximas entradas síncronas que han de tener dichos biestables para que conmuten en el siguiente ciclo de reloj al estado que nosotros hemos definido anteriormente como próximo estado. El valor de estas funciones para cada combinación de entrada se obtiene observando en la tabla de transición qué conmutación se debe producir en cada biestable, y anotando los valores que deben tener sus entradas para que dicha conmutación se produzca, según indique la correspondiente tabla de excitación del biestable con el que se va a construir el contador. Para el contador binario de 4 bits del ejemplo inicial, construido con biestables D, la tabla de verdad coincide exactamente con la de transición, ya que en un biestable tipo D se cumple que Qt+1=Dt. Sin embargo, si construimos el contador con biestables JK, la tabla de verdad será la siguiente:

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SISTEMAS DIGITALES El paso final consiste en simplificar cada una de las funciones de esta tabla lo máximo posible y dibujar el circuito contador completo, incluyendo los biestables y las puertas lógicas necesarias impuestas por el circuito combinacional. Simplificando por Karnaugh en biestables JK, resulta:

Simplificando en biestables tipo D, quedaría así:

El circuito diseñado con biestables JK quedaría de la siguiente manera:

En resumen, como características generales de los contadores síncronos caben destacar las siguientes: a) Todos los biestables están gobernados por la misma señal de reloj y conmutan

simultáneamente. b) La frecuencia máxima de funcionamiento del contador viene determinada por el

retardo de un solo biestable, más el de una o dos puertas lógicas, independientemente del número de biestables del contador. Son, por lo tanto, contadores más rápidos que los asíncronos.

c) Las funciones obtenidas para las entradas síncronas de los biestables van siendo cada vez más complejas a medida que aumenta el peso binario del

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biestable. Esto hace que, para contadores con un mayor número de bits, aparezcan problemas de fan out en las salidas de los biestables de peso binario bajo.

Ejemplo de diseño de un contador síncrono. Diseñar un contador síncrono ascendente que cuente décadas de números, es decir, del cero al nueve. Diseñarlo en base a biestables RS. En la primera fase se tratará de diseñar la tabla de transición del contador y junto con la de excitación del biestable RS, calcular las entradas necesarias para que los biestables cambien al siguiente estado de manera correcta. Así la tabla de transición que quedará es:

Simplificando por Karnaugh las entradas de cada biestable nos quedan las siguientes ecuaciones lógicas para cada una de las entradas de los biestables.

Dibujando finalmente el circuito completo incluyendo los biestables RS y las puertas correspondientes a las expresiones que hemos calculado, nos quedará:

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CIRCUITOS SECUENCIALES ASÍNCRONOS CON PUERTAS. Este tipo de circuitos estará constituido solamente por puertas, pero con la peculiaridad de que permanecen las características de secuencia que se presentaban en los biestables. Esto es posible gracias a la realimentación de las salidas hacia las entradas, que se va realizar de modo que el estado siguiente al actual dependa, tanto del nuevo valor que se aplique a las entradas, como del valor anterior de las salidas. El diagrama de bloques de este tipo de circuitos es:

Para diseñar un circuito de estas características es necesario representar en una tabla el estado actual y el próximo estado, incluyendo en las propias entradas, las salidas realimentadas. Para verlo con mayor claridad lo representaremos con un mapa de Karnaugh, en donde se podrán observar, el número de estados estables e inestables, las combinaciones actuales de entrada y el próximo estado estable que se alcanzará cuando se cambie la combinación de las variables de entrada. Esto se verá de una manera más clara si se realiza un ejemplo práctico, a la vez que se explica en qué consiste el método de diseño.

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SISTEMAS DIGITALES El número de estados inestables sumados con los estables tiene que ser inferior al número de combinaciones posibles de entrada, incluyendo como entradas las variables de salida realimentadas, con lo que un posible caso es:

En donde A y B son las variables de entrada, y M y N son las salidas realimentadas. Los números del 1 al 8 que están dentro de un círculo son los estados estables, ya que para esa combinación concreta la salida actual y la del siguiente estado permanecen iguales, con lo que el circuito permanece estable. Los números del 1 al 8 que no tienen círculo son estados inestables, ya que la salida actual es distinta que la del próximo estado, en esta situación el circuito tiende a cambiar los valores de salida y con ello el de las entradas del circuito. Así se conmutará a otro estado estable, mediante el paso por el inestable anterior. Según el criterio anterior si estamos en un estado estable, para pasar a otro estable distinto tendremos que pasar primero por uno inestable mediante el cambio de una de las variables de entrada que son independientes. Dibujando en el mapa de Karnaugh, en vez del número de estados, el valor de las salidas para cada estado, tendremos:

Para dibujar esto nos hemos basado en que los estados estables han de tener el mismo valor de salida para el próximo estado que para el estado actual, con lo que

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SISTEMAS DIGITALES el valor de M y N tiene que ser el mismo en las entradas actuales, que para la próxima salida, que es el valor representado en el mapa de Karnaugh. Para los estados inestables se ha colocado un valor para la próxima salida distinta que para la actual, para provocar ese estado inestable que se buscaba, con el que pasaremos a otro estado estable que tenga distinto valor de salida que el anterior. Por ello el valor de la próxima salida deberá ser el de la salida que deberá tener en el siguiente estado estable. Lo único que queda por hacer ahora es reducir la expresión de salida del circuito mediante uno de los métodos conocidos, teniendo en cuenta que en este caso, al tratarse de un circuito con realimentación, la variable de salida dependerá también de ella misma, pero en su estado anterior. La simplificación será:

Las expresiones finalmente reducidas quedarán:

Así el circuito combinacional resultante será:

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NOTA: A veces para que la transición entre unos estados y otros sea correcta habrá que añadir a la salida una resistencia en paralelo con un condensador. Esto provocará que la transición entre un estado y otro sea más lenta, evitando falsos estados provocados por los distintos retardos que hay en el circuito, debidos al tiempo de propagación de las puertas. CIRCUITOS SECUENCIALES SÍNCRONOS CON BIESTABLES. Se trata de realizar lo mismo que en el apartado anterior pero sin utilizar tantas puertas como utilizábamos antes, mediante la ayuda de los biestables que ya conocemos. De esta manera ya tendremos realizada parte de la realimentación de las salidas hacia las entradas, de manera que el circuito completo constará de tan solo unas pocas puertas lógicas y varios biestables, siendo el esquema final más reducido. En este caso partiremos de la tabla de estados del ejercicio anterior, con lo que no es necesario explicar nada nuevo sobre ella. Esta era:

Como se ve la tabla que indica los valores actuales de las entradas, las salidas actuales y las próximas salidas, tampoco ha variado. Lo que diferencia el método de diseño anterior del que ahora tratamos es el siguiente paso, ya que habrá que calcular las entradas de los biestables para el próximo estado, de manera que

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SISTEMAS DIGITALES cuando llegue un nuevo pulso de reloj, la salida cambie al estado que indican las tablas anteriores. Como en la práctica tenemos biestables J – K tendremos que realizar el diseño para este tipo de biestables. Así pues veamos las fases en que hay que diseñar el circuito, siempre partiendo de la tabla de transición del biestable J – K que se muestra más abajo.

Dibujando los estados por los que tiene que pasar cada salida de forma independiente, para tener representados de forma más clara los estados por los que tiene que pasar la salida de cada biestable, tendremos:

En la siguiente fase se tendrán que dibujar las entradas del biestable que controla cada salida, de manera que ésta pase al siguiente estado de manera correcta. Para ello habrá que mirar la tabla de transición del biestable J – K junto con el estado actual y siguiente estado que se requiere para cada salida en cada combinación existente en las entradas del circuito. Esto es:

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En este punto de diseño se puede decir que lo más complicado está hecho. Ahora solo queda simplificar las entradas de los biestables mediante los métodos que ya conocemos y sustituir los resultados por puertas. Tratando las entradas J y K de cada biestable por separado, tendremos cuatro tablas de salida, dos por cada biestable. Incluyendo la simplificación de Karnaugh, estas son:

De esta forma las ecuaciones reducidas quedarán como:

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MEMORIAS. En este tema se explicarán los distintos de memoria que existen en el mercado, o al menos la gran mayoría de ellas. Para cada tipo de memoria se explicarán los modos de funcionamiento, aplicaciones para las que son útiles y las ventajas que presentan con respecto a los otros tipos. Las memorias proveen de un medio de almacenamiento a los sistemas digitales, para que se pueda realizar un procesamiento más rápido y eficaz de los datos que éstas contienen. Existe una gran variedad de memorias en el mercado, aunque en este tema solo trataremos las memorias con semiconductores, ya que este utiliza una gran variedad de sistemas de almacenamiento de datos. La clasificación más general que se puede hacer de las memorias es:

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SISTEMAS DIGITALES Memorias volátiles (RAM). • Estáticas. • Dinámicas. Contenidos Permanentes. • ROM • PROM • EPROM • EEPROM • Memorias CAM Los tipos de memorias más significativos indican lo siguiente: • Memorias de acceso aleatorio (Direccionables): Son memorias de acceso

directo, esto es, cada una de sus células de almacenamiento pueden ser leídas o escritas de forma directa, sin más que presentar en las entradas correspondientes (de dirección) el código equivalente a la posición que ocupan.

• Memorias de acceso secuencial (desplazamiento): En este tipo de memorias el acceso de una posición se consigue por desplazamiento hacia la salida de todas las informaciones almacenadas en las posiciones anteriores a la deseada.

• Memorias CAM (Content Addressable Memory): Estas memorias son direccionables por su contenido. Esto significa que la operación de lectura no se realiza indicando una dirección y observando su contenido, si no que se suministra un dato y la memoria responde si dicho dato está almacenado o no. En caso afirmativo la memoria indica en qué dirección se encuentra.

CARACTERÍSTICAS DE LAS MEMORIAS. En el siguiente apartado se van a enumerar algunos de los parámetros más significativos de las memorias. Dependiendo de si estas características son mejores o peores, tendremos memorias más caras o baratas en el mercado. • Capacidad: Es la cantidad de información expresada en número de bits que la

memoria puede almacenar, aunque generalmente los datos están organizados en bytes. La capacidad se expresa como el número de palabras por el número de bits de cada palabra, es decir:

Capacidad = palabras x bits/palabra

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Por ejemplo una memoria que puede almacenar 2048 palabras de 8 bits cada una, vendrá representada por:

16384 = 2048 x 8

• Volatilidad: Se dice que una memoria es volátil cuando la información almacenada en ella se pierde en ausencia de tensión de alimentación.

• Tiempo de lectura o tiempo de acceso: Es el tiempo que transcurre desde que se da la orden de leer el contenido de una determinada posición de memoria hasta que esos datos aparecen en los terminales de salida.

• Tiempo de ciclo de escritura: Es el tiempo que ha de transcurrir desde que se inicia una operación de escritura y el instante en que la información queda almacenada.

MEMORIAS RAM ESTÁTICAS. El nombre de estas memorias viene determinado por su modo de funcionamiento. RAM significa Random Memory Access, o memoria de acceso aleatorio, indicando que la lectura de un dato en estas memorias se hace directamente sobre el dato a leer, sin necesidad de leer los datos anteriores, como en las memorias de acceso secuencial (disquetes, cintas). Este tipo de memorias se caracterizan porque, mientras están alimentadas, la información permanece almacenada en ellas sin modificación, a no ser que se realiza una operación de escritura sobre ellas. El inconveniente que presentan es que si la alimentación desaparece por un fallo eléctrico, la información que había almacenada en ella desaparece. Desde el punto de vista externo, salvo raras excepciones, el chip de memoria presenta el aspecto que se muestra en la siguiente figura.

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Los dos terminales de alimentación son fundamentales para el correcto funcionamiento de la memoria. En memorias RAM bipolares a estos terminales se les suele denominar como Vcc y masa. Normalmente Vcc es de 5V pero según evolucionan las memorias y sobre todo cuanto mayor es su tamaño y velocidad, el valor de Vcc se reduce hasta alrededor de 3V o menos. Los terminales de dirección (A0 ··· AN) sirven para indicar la posición de memoria sobre la que se desea hacer una operación de lectura o escritura. El número de posiciones de memoria del chip está relacionado directamente con el número de terminales de dirección de la memoria, de manera que si hay n bits de direcciones podremos direccionar 2n posiciones de memoria distintas. La entrada o salida de datos se realiza por los terminales que están marcados como datos (I/O) en el diagrama anterior. Estos terminales se comportan como salidas si se está realizando una operación de lectura y como terminales de entrada si se está realizando una operación de escritura. Además cuando el chip está inhibido (no está seleccionado) las patillas de salida están en estado de alta impedancia (como si no estuvieran conectadas a ningún sitio). El número de terminales de datos depende del ancho en bits que tenga la palabra que se va a guardar. Esto depende mucho del tipo de arquitectura en donde se vayan a emplear este tipo de memoria, así habrá memorias de 4, 8, 16 o 32 bits de ancho para el bus de datos. El terminal de selección de lectura escritura (R/W o WE), que indica a la memoria la operación que debe hacer en cada momento, es decir, si debe guardar los datos o sacarlos al exterior. Un nivel alto en esta patilla significa que se va a realizar una operación de lectura y un nivel bajo que será una operación de escritura.

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SISTEMAS DIGITALES El terminal marcado como CS o CE es el terminal de selección o activación de chip, y actúa principalmente sobre los terminales de datos (E/S), con lo que si el chip no está activado no se podrán realizar operaciones de lectura o escritura. Existe otro terminal adicional de control para las patillas de datos de estos chips. Es la patilla de control de salida de datos (OE), que permite alternar el estado de las salidas entre un estado activado o un estado de alta impedancia. Esto permite conectar varios de estos chips a un mismo bus, ya que aunque tengamos varias salidas conectadas a un mismo punto, solo estarán activas las del chip que esté seleccionado (solo uno a la vez). Diagrama interno de una RAM estática. Para ver con mayor claridad el funcionamiento interno de una memoria RAM estática, y en general de la mayoría de memorias, el fabricante proporciona el diagrama interno de sus memorias. En este diagrama de bloques se puede apreciar la función de cada una de las patillas asociadas con la memoria. Para ello observar la siguiente figura.

Como se puede observar algunas entradas de dirección determinan la selección de filas de la matriz de memoria y las otras la selección de columnas. Una vez seleccionada una posición de memoria y mediante la utilización de las señales de control, se podrá escribir o leer un dato de la memoria. Con la señal de control CS podemos bloquear las lecturas y escrituras de memoria, mientras que con la señal WE se selecciona el tipo de operación a realizar.

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SISTEMAS DIGITALES Modos de funcionamiento de las RAM estáticas. Por los modos de funcionamiento, entendemos los distintos ciclos de operaciones que se pueden realizar con este tipo de memorias, así tendremos dos fundamentales: Ciclo de lectura y Ciclo de escritura. Cuando se realiza un ciclo de lectura, lo que se está haciendo es extraer los datos existentes en la matriz de memoria que hay dentro del circuito integrado. Para ello es necesario que el chip esté seleccionado mediante la activación de la entrada de control CS y que indiquemos que se va a realizar una operación de lectura, desactivando la señal WE. Bajo estas condiciones, si ponemos en las entradas de dirección una dirección válida, a la salida del circuito integrado se obtendrá el dato que hay en esa posición de memoria. En la siguiente figura se puede observar un cronograma, en el que se puede observar con más detalle todo el proceso que se ha explicado anteriormente.

Cuando se va a realizar un ciclo de escritura el proceso se complica un poco más. Esto es debido a que si se quiere que los datos se graben de una forma correcta, habrá que manejar las señales con un orden correcto y lógico. Lo primero que hay que hacer es colocar sobre el bus de direcciones la dirección sobre la que se quiere grabar el dato, después seleccionar el modo de la memoria en modo escritura y colocar el dato sobre el bus de datos. Hay que tener en cuenta que el dato ya se ha grabado, con lo que para que no se borre habrá que deshabitar el modo de escritura antes de modificar el dato del bus de datos o el de direcciones. Si esto no se hiciera así lo que ocurriría es que o el dato no se grabaría de modo correcto o se grabaría en varias direcciones distintas. El modo correcto de hacerlo es como se ilustra en la siguiente figura.

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Expansión de memoria. La expansión de memoria se realiza cuando se necesitan utilizar un mayor número de datos o un tipo de datos mayor, es decir, cuando se necesitan un mayor número de posiciones de memoria o cuando lo que se necesita es almacenar datos de más bits de ancho. La expansión de la longitud de la palabra o ancho de palabra se consigue mediante la unión de varios chips, que comparten todas las señales de control pero que tienen los buses de datos separados, de manera que se utilizan a la vez para ampliar el ancho de bus. Esto se puede observar en la siguiente figura:

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SISTEMAS DIGITALES El otro tipo de expansión comparte los buses de datos y de direcciones, y mediante la combinación correcta de las señales de control se generan más líneas de direcciones, lo que significa que se obtendrán más posiciones de memoria para almacenar datos. La forma más sencilla de hacerlo es controlando las señales de CS con la ayuda de un decodificador, de manera que se pueda controlar que chip está seleccionado en cada momento. En este caso y debido a la configuración obtenida se han de utilizar integrados que utilicen el tipo de salida triestado, que se utilizará cuando el chip en cuestión no esté seleccionado. Este tipo de ampliación se puede observar en la siguiente figura:

Hay otro tipo de ampliación que se obtiene como resultado de las dos que se han visto anteriormente. Con ella se consigue una ampliación tanto del número de posiciones de memoria como del ancho del bus de datos. En este caso será necesaria la utilización de más chip de memoria que en los casos anteriores. La asociación obtenida en este caso será:

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Memorias RAM serie. Estas memorias tienen una forma muy peculiar de realizar los ciclos de lectura y escritura. Por lo general son memorias de pequeña capacidad, del orden de 256 x 8 bits. El aspecto exterior de este tipo de memorias es como el que se muestra en la siguiente figura, en donde se puede ver que solo tiene una patilla para la entrada de datos, otra para la salida de estos, una para la señal de reloj y la última para seleccionar o deseleccionar el chip.

El modo de funcionamiento de estos chips es muy sencillo. Para realizar una operación de lectura bastará con seleccionar el chip e introducir los bits de dirección de página de forma ordenada por la entrada de datos, de manera que entre un bit por cada pulso de reloj, inhibiendo de nuevo el chip, con lo que la página indicada quedará seleccionada. El siguiente paso será una nueva selección de chip con la que introduciremos los datos de dirección dentro de la página seleccionada, con lo que ya se tendrá seleccionada una posición de

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SISTEMAS DIGITALES memoria concreta dentro de la página que se había seleccionado. Si la operación es de lectura, en los siguientes 8 impulsos de reloj se obtendrán en la salida los datos leídos, pero si es de escritura tendremos que introducir los datos a almacenar después de los bits de dirección por la línea de entrada. Memorias RAM dinámicas. Estos tipos de memorias son exactamente igual que las memorias RAM estáticas en cuanto a modo de conexión y de ampliación, la diferencia que existe entre ambas memorias es la forma en que están construidas. Cada célula de memoria de las memorias RAM dinámicas está compuesta por un solo transistor que tiene asociado un condensador en donde se almacena la carga por un pequeño periodo de tiempo. La estructura real de cada celda de memoria se representa en la figura. Este tipo de memorias permite alcanzar una elevada cantidad de almacenamiento a bajo costo, debido principalmente a que cada célula de memoria es mucho más sencilla que la de las memorias RAM estáticas, que estaban compuestas de biestables construidos con varios transistores, con lo que en menos espacio físico se consiguen integrar un mayor número de celdas de memoria. Su principal inconveniente radica en la necesidad de actualizar la información de forma periódica mediante ciclos de escritura especiales que se conocen como ciclos de refresco de memoria. Esto trae como inconveniente adicional el que se tengan que construir circuitos especiales de control para estas memorias, para poder realizar de manera adecuada esos ciclos de refresco. La principal aplicación de estas memorias está en la informática, en donde debido a las elevadas cantidades de datos que se procesan se necesitan también grandes cantidades de memoria para almacenar esos datos que están siendo procesados. Estas memorias se construyen a partir de transistores MOS, que presentan grandes impedancias de entrada y comportamiento capacitivo, con lo que los condensadores son también transistores MOS. Debido a que estas memorias almacenan una gran cantidad de datos, y con el propósito de eliminar líneas de dirección, se han añadido dos señales de control

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SISTEMAS DIGITALES adicionales, para diferenciar si la dirección de entrada pertenece a las filas o a las columnas de la matriz de memoria de datos. De esta manera la dirección se indica con dos bloques de direcciones, uno para las filas y otro para las columnas. Las señales que se han añadido son CAS y RAS: • CAS: Column Addres Strobe, o almacenamiento de la dirección de columnas. • RAS: Row Addres Strobe, o almacenamiento de la dirección de filas. Memorias RAM dual-port. Estas memorias están caracterizas por tener dos juegos de señales de dirección, datos y lectura/escritura, cada uno de los cuales puede acceder sobre las mismas células de memoria. Su principal aplicación es en sistemas de procesamiento en los que hay más de un procesador, y para que el sistema funcione de manera más rápida se permite el acceso de ambos procesadores a la misma memoria y al mismo tiempo, según se indica en la figura: En estos casos si ambos procesadores leen y escriben en la matriz de memoria a la vez se consigue un mayor rendimiento de la máquina. Solo hay un caso especial que hay que tener en cuenta, cuando ambos procesadores intentan acceder a la misma posición de memoria. En este caso se pueden dar dos situaciones, dependiendo de la operación que se vaya a realizar: - Lectura: No hay ningún inconveniente, los dos leen el mismo dato y obtienen lo

mismo en los buses de direcciones. - Escritura: Los dos están escribiendo sobre las mismas celdas de memoria y

entran en conflicto si quieren escribir distintos datos, con lo que habrá que utilizar un sistema de arbitrariación que regule el acceso en estos casos.

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SISTEMAS DIGITALES Hay varios sistemas de arbitrariación para evitar estas situaciones, que en la mayoría de los casos están integrados en la propia memoria. Uno de los más sencillos es dejar que acceda el que primero lo solicite, y en caso de indeterminación dejar que siempre actúe el mismo. Memorias ROM. El nombre de este tipo de memorias viene de Read Only Memory, que como su nombre indica son memorias en las que solo se pueden realizar ciclos de lectura. Aparecen en la industria para eliminar el inconveniente que presentan las memorias RAM de que cuando se les quita la alimentación los datos que tenían almacenados desaparecen. El almacenamiento de los datos en las memorias ROM se realiza en el diseño del propio circuito integrado, de manera que cuando este se construye es cuando se graban los datos, incluidos estos en el propio diseño. Este tipo de memorias se utiliza en elementos electrónicos de gran difusión, que siempre realizan la misma tarea o para almacenar un pequeño programa software que ha de realizar un sistema computarizado. Este último caso es lo que se conoce en muchas computadoras como la BIOS, que almacena un programa que testea el equipo completo en el proceso de arranque e inicia el sistema operativo. El diseño de estas memorias es muy caro, ya que para cada grupo de datos a almacenar hay que realizar un nuevo diseño, con lo que solo sale rentable cuando se necesitan grandes cantidades de memorias que tengan almacenados los mismos datos, por ejemplo 100.000, ya que una vez realizado el diseño, la fabricación es muy barata y sencilla. Memorias PROM. El nombre de estas memorias viene de Programable Read Only Memory, y como su propio nombre indica son memorias ROM programables. Este tipo de memorias aparece como una alternativa más económica para pequeñas aplicaciones a las memorias ROM. Ahora estas memorias son programables, con lo que o bien el fabricante o bien el propio usuario puede programarlas a su antojo, siendo el diseño del circuito integrado común para todas las aplicaciones.

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SISTEMAS DIGITALES El proceso de programación consiste en romper fusibles o transistores internos del circuito integrado mediante la aplicación de una tensión de programación suficientemente alta para fundir los fusibles de los datos que tienen que estar a cero. Con este tipo de memorias podemos obtener memorias programadas a medida con un relativo bajo coste, al que hay que añadir el programador de memorias. El inconveniente de estas memorias es que solo se pueden programar una vez, con lo que si nos equivocamos en la programación tendremos que tirar la memoria completa y comprar otra. Otras memorias programables. Para solucionar los problemas que presentan las memorias que hemos visto hasta ahora, se fueron creando muevas memorias según fueron aumentando las necesidades y exigencia de los sistemas digitales. Dentro de las nuevas memorias desarrolladas hasta ahora podemos destacar dos de ellas por las ventajas que presentan para la electrónica digital. Las memorias EPROM que añaden una nueva característica a las memorias PROM. Su nombre viene de Erasable Programable Read Only Memory, y como su nombre indica se pueden borrar. El proceso de grabación de estas memorias es similar al de las memorias PROM, y el de borrado se realiza por medio de rayos ultravioletas, que por medios químicos regeneran las uniones que se han destruido en el proceso de grabación (son uniones creadas mediante cargas eléctricas). Estas memorias se pueden grabar y borrar cientos de veces, e incorporan patillas de configuración para chequear la memoria y obtener datos del fabricante y del propio chip. El proceso de borrado se realiza a través de una ventana de cristal que lleva en la parte superior, por la que entraran los rayos ultravioletas para proceder al borrado de la memoria. Durante el uso normal de la memoria se ha de poner una protección óptica a la ventana que no deje que entre ningún tipo de luz, ya que la mayor parte de ellas tienen partes de luz ultravioleta que harían que los datos de la memoria se fueran eliminando.

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SISTEMAS DIGITALES Para hacernos una idea una memoria se puede borra por completo con un tiempo de exposición de 10 minutos con luz ultravioleta, con 10 horas a la luz del sol y con 1000 a la luz de un fluorescente. Para eliminar los inconvenientes de borrado imprevisto de las memorias EPROM y el tener que quitarlas del circuito en el que funcionan para su borrado, aparece otro tipo de memorias que se llaman EEPROM o E2PROM, que son borrables eléctricamente sobre el circuito en el que están montadas. Su nombre viene de Electrically Erasable Read Only Memory y se borran con un voltaje eléctrico determinado. Una de las principales aplicaciones de estas memorias es el de almacenar el estado actual de programación de los aparatos eléctricos que son programados por el usuario final, como pueden ser los televisores digitales. Cuando éstos se desconectan de la red eléctrica se procede a la reprogramación de la memoria de datos de manera que se guardan las emisoras sintonizadas y los ajustes de imagen como el brillo y color. CONVERTIDORES DIGITAL-ANALÓGICO (D/A) Y ANALÓGICO-DIGITAL (A/D). Los convertidores digital-analógicos (D/A) y analógico-digital (A/D) son el interfaz entre el mundo real o analógico, y el mundo de la computación o digital. Una señal analógica transmite información en función de su nivel de tensión o de intensidad, frecuencia u otras variables continuas. Una señal digital almacena la información mediante una serie de bits que están fijados a unos rangos de tensión alto o bajo, que se consideran como 1 o 0 lógico. Los convertidores D/A y A/D son necesarios, ya que la mayoría de los sistemas de control convierten fenómenos físicos como la temperatura, presión, peso, etc. a señales eléctricas o viceversa. Por tanto, las entradas y salidas del sistema deberán ser analógicas. Por otro lado, los sistemas electrónicos digitales son menos sensibles al ruido que los sistemas analógicos y permiten procesar los datos mediante circuitos digitales más rápidos y más precisos que los circuitos analógicos. Según esto, en un sistema electrónico se requerirá un convertidor A/D que transforme las entradas analógicas en señales digitales, un circuito digital que procese los datos, generando unas salidas digitales, y un convertidor D/A, que transforme las señales digitales en analógicas. Seguidamente se estudian algunas estructuras típicas para realizar conversiones D/A y A/D, comenzando por las primeras, ya que muchas estructuras de convertidores A/D utilizan convertidores D/A. En este estudio no se detallan en

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SISTEMAS DIGITALES profundidad los problemas de diseño electrónico de los dispositivos, sino que se estudian estas estructuras desde un punto de vista general. CONVERTIDORES D/A. Los convertidores A/D están formados por tres partes como se muestra en la siguiente figura: un sistema de interruptores controlado por entradas digitales que están en estado abierto o cerrado, un circuito divisor que genera un valor analógico en función de los interruptores abiertos y cerrados, y una fuente de tensión de alta precisión. Este circuito puede mejorarse mediante la amplificación de la señal en el circuito divisor que le haga insensible a las cargas conectadas en la salida.

Un ejemplo de convertidor D/A de cuatro bits se muestra en la siguiente figura, que corresponde a un convertidor A/D de resistencias ponderadas, donde las resistencias que aparecen se dividen por dos sucesivamente desde el bit menos significativo hasta el bit más significativo. La entrada del circuito es un señal digital formada por una palabra de cuatro bits (A3, A2, A1, A0), que activa a unos interruptores, de forma que si el bit Ai es 1 el interruptor está cerrado, y si es 0 está abierto; la salida es una señal analógica Vo. En esta figura se utilizan interruptores ideales, en los circuitos reales estos interruptores se realizan mediante circuitos electrónicos, ya estén formados por diodos, por transistores bipolares o por transistores FET. Estos interruptores influyen en las prestaciones del convertidor, ya que debido al diseño electrónico en las salidas del interruptor no se tendrán los valores Vr o GND, sino que modificarán ligeramente estos valores, además esa modificación puede ser distinta para cada interruptor ya que no son electrónicamente idénticos, presentado ligeras variaciones entre cada uno de ellos. Estudiamos el circuito divisor en función de la tensión Vr aplicada al circuito y del valor lógico Ai que será 1 si el interruptor está cerrado y 0 si el interruptor abierto (se aplica los conocimientos de teoría de circuitos utilizando el teorema de superposición y divisores de tensión). Resolviendo el circuito de resistencias se obtiene que Vout =Vr (8/15 A3 + 4/15 A2 + 2/15 A1 + 1/15 A0) = Vr/15 (8 A3 + 4 A2 + 2 A1 + A0).

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SISTEMAS DIGITALES Obsérvese que si Vr = 15V, Vout toma el valor de tensión en voltios correspondiente al número codificado en binario en voltios.

El convertidor D/A de la siguiente figura es un convertidor D/A basado en resistencias ponderadas con amplificador en la salida.

El cálculo de la tensión analógica Vo, se realiza teniendo en cuenta que en este circuito V- ≈ 0 (V- ≈ V+) y que la intensidad que circula por la entrada I- del amplificador es aproximadamente 0 (suponiendo el amplificador operacional ideal). Según esto, igualando intensidades, planteamos que -Vo/Rn = (Vr/Ro) • A3 + (Vr/2Ro) • A2 + (Vr/4Ro) • A1 + (Vr/8Ro) • A0, donde Ai toma los valores lógicos 0 o 1. Despejando Vo = -Vr • (Rn/8Ro) • (8A3 + 4A2 + 2A1 + A0). Según esta expresión si consideramos Rn = Ro/2, y Vr = -16V, si A = 0000 entonces, Vo = 0; Vo = 1V si A = 0001, Vo = 2V si A=0010,…, V0 = 15V si A = 1111. Un problema de un convertidor D/A de este tipo, es que cuando se utiliza para un número de bits de entrada alto, doblar continuamente el valor de la resistencia lleva a valores de resistencia muy altos que ocupan mucho espacio en un circuito integrado.

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SISTEMAS DIGITALES Además, un circuito de este tipo es muy sensible a variaciones en los valores de las resistencias debido a los procesos de fabricación. Estas desventajas pueden evitarse utilizando un circuito del tipo de la siguiente figura, para una entrada digital de cuatro bits, en el que ya se ha incluido un amplificador para la salida del circuito divisor (V-). Este convertidor D/A se denomina convertidor en escalera R-2R.

Estudiando el circuito, calculando V- mediante la sucesiva aplicación del teorema de Thevenin, comenzando desde el bit menos significativo A0 y siguiendo hasta el más significativo A3 se obtiene el circuito equivalente de la siguiente figura. Suponiendo un amplificador ideal V- ≈ 0 e I- ≈ 0, lo que implica que las intensidades IR e IRn son iguales, se obtiene que Vo = -VrRn/16R • (8A3 + 4A2 + 2A1 + A0), con lo que Vo es una tensión analógica dependiente del valor de la palabra binaria.

Los métodos vistos hasta ahora están basados en división del voltaje. El siguiente método utiliza la intensidad como elemento a dividir. Este método tiene la ventaja de ser más rápido que el basado en voltaje debido a los interruptores. En el caso de divisores de voltaje los interruptores se realizan con transistores bipolares en dos estados: corte o saturación, en divisores de intensidad los interruptores estarán en dos estados: corte o zona activa directa. En el tema III se estudió que

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SISTEMAS DIGITALES sacar a un transistor de saturación es relativamente lento, por lo que es mayor el tiempo de conmutación del interruptor en divisores de voltaje que de corriente. El siguiente circuito es un convertidor D/A con divisor de corriente basado en la escalera R-2R. Para estudiar este circuito se debe aplicar el teorema de Norton desde el bit menos significativo A0 hacia el bit más significativo A3. Al hacerlo se obtiene una expresión para Vo = I Rn/8 (8A3 + 4A2 + 2A1 + A0)

Los componentes de un convertidor D/A no son ideales, las resistencias no tienen un valor exacto, los interruptores y los amplificadores no se comportan idealmente, etc. Se debe medir la calidad de un convertidor D/A mediante una serie de parámetros como son: • Resolución: número de bits de entrada N que admite el convertidor, en función

de este número se calcula el número de tensiones analógicas posibles como 1/2N.

• Linealidad: la tensión analógica medida en la salida debe ser una función lineal del valor digital aplicado en las entradas, es decir los incrementos de tensión analógica para cada incremento del valor digital deben ser iguales; la linealidad es la medida de esta propiedad.

• Precisión: diferencia entre la tensión analógica medida en la salida, y la tensión esperada para el caso ideal.

• Tiempo de establecimiento: intervalo que transcurre desde un cambio en las entradas hasta que la salida se aproxima suficientemente a su valor final.

• Sensibilidad a la temperatura: variación del valor de tensión en la salida en función de la temperatura.

CONVERTIDORES A/D. Seguidamente, estudiamos algunas estructuras básicas de convertidores analógico digital (A/D). La primera estructura que estudiamos es el método paralelo, basado en la utilización de comparadores analógicos y circuitos digitales

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SISTEMAS DIGITALES como los codificadores con prioridad. Un ejemplo de este método, para un convertidor de 2 bits se muestra en la siguiente figura.

El comparador genera en su salida un valor de tensión alto (1 lógico) cuando la tensión en la entrada V+ es mayor que en la entrada V-, en caso contrario genera un valor de tensión bajo (0 lógico). Cuando Vi pertenece al intervalo (0, Vr/6) ninguna de las salidas del comparador estará a 1, y por tanto ninguna de las entradas Ii del codificador estará a ese valor lógico, luego la salida del codificador será O1O0 = (00). Si Vi está en el intervalo (Vr/6, 3Vr/6), la salida del comparador inferior de la figura 4 está a 1 permaneciendo los demás a 0, la salida del codificador con prioridad será ahora O1O0 = (01), y así cuando Vi esté en el intervalo (3Vr/6, 5Vr/6) I2 e I1 tomarán el valor 1, y las salidas tomarán el valor 10, y cuando Vi esté en el intervalo (5Vr/6, Vr) los tres comparadores estarán a 1, y la salida será 11. En este método de convertidor A/D para codificar el valor digital en N bits se requieren 2N - 1 comparadores y registros (para almacenar las salidas de los comparadores como valores lógicos) y un codificador con prioridad para convertir los valores almacenados en los registros. Este circuito realiza la conversión en un único ciclo de reloj, pero requiere un elevado número de elementos en cuanto N es alto: para N = 10 se necesitan 1023 comparadores y registros y un codificador con prioridad de 1023 a 10; por ello, esta estructura de convertidor es irrealizable. Otros métodos realizan la conversión A/D en varios ciclos de reloj. Existen muchos métodos de este tipo de convertidores, en los que se utiliza un convertidor D/A para aproximar la solución digital que se genera en cada ciclo a la solución final. El método de convertidor contador se basa en el esquema similar al de la figura

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SISTEMAS DIGITALES siguiente, para un convertidor A/D de 3 bits (puede aumentarse la estructura para más bits). Inicialmente el contador debe almacenar el valor 0, por lo que debe disponer de un sistema de Reset que le lleve a ese valor de cuenta. El valor digital del contador se convierte a un valor analógico mediante un convertidor A/D, y a este valor se le añade mediante un circuito sumador analógico una tensión offset que permita centrar los intervalos de valores analógicos que corresponden a un valor digital. Este elemento debe sumar Vmax/ (2N-1)/2, donde el rango de la tensión de entrada está entre 0 y Vmax, y N es el número de bits de salida. Para tres bits se obtienen los intervalos (0, Vmax/14), (Vmax/14, 3Vmax/14), (3Vmax/14, 5Vmax/14),…, (13Vmax/14Vmax, Vmax), ocho intervalos en total.

La señal de entrada Vi se compara con la señal de salida del sumador Vo que inicialmente es Vmax/14 ya que el contador está a 0. Cuando la tensión en Vi es mayor que en Vo, la salida del comparador está a 1, y si es menor se fija a 0. Mientras que la salida del comparador esté a 1 el reloj llega hasta el contador, con lo que se realiza una cuenta hacia arriba. Al contar también aumenta el valor de Vo. El contador cuenta hasta que Vo > Vi, con lo que la salida del comparador está a cero, el reloj no llega hasta el contador, el valor de cuenta se mantiene y se obtiene el resultado digital de la conversión como la cuenta almacenada en el contador. Esta misma función se puede realizar conectando directamente la salida del comparador a una entrada de habilitación de cuenta (Count Enable), si el contador dispone de ella, y conectando directamente la señal Clk al reloj del contador. En este caso se requieren al menos ocho ciclos para determinar el valor digital, siete ciclos de cálculo del valor digital, para el cálculo del valor digital más alto en el peor caso, más un ciclo en el que se realiza la lectura de los datos de salida y se inicializa el contador para la siguiente lectura. Para un convertidor A/D de N bits se necesitan al menos 2N ciclos bajo esta estructura. Otra estructura capaz de hacer la conversión en menor tiempo es el convertidor A/D por aproximaciones sucesivas. Este método se basa en comparar

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SISTEMAS DIGITALES sucesivamente si la medida está en el semi-intervalo superior o en el inferior del rango de medidas posibles para así ir aproximándose al valor digital final en N ciclos, donde N es el número de bits de salida. Se necesita al menos un ciclo más para realizar la operación de inicialización y de lectura del valor digital (o dos si se realizan estas operaciones por separado). Esta estructura requiere de un convertidor D/A de N bits junto con el sumador analógico como en la estructura anterior, un registro de N elementos (de 0 a N-1) con pesos binarios (de 20 a 2N-1), un comparador analógico y puertas lógicas para realizar el decodificador de siguiente estado de los registros. El proceso de cálculo del valor digital sigue estos pasos: 1. X = N-1. Inicialización del registro N-1 a 1 lógico, el resto de registros con índice

menor que X se fija a 0 lógico. 2. Conversión del contenido de los registros en un valor analógico con el

convertidor D/A. 3. Comparar el valor de la salida del convertidor D/A con el valor de entrada Vi. Si

Vi es menor se fija a 0 el registro X, en caso contrario se mantiene a 1. 4. X = X-1 (siguiente registro de mayor a menor peso). Mientras que queden

registros por estudiar (X >= 0), fijar el registro X a 1 y volver al paso 2. 5. Finalizado el proceso los registros contienen la codificación binaria del valor

analógico Vi. Para un convertidor A/D de tres bits, la evolución del contenido de los registros es el indicado en la siguiente figura, donde C es la salida del comparador analógico. Como se observa en la figura se requieren cuatro ciclos, los tres primeros o superiores corresponden a los valores por los que pasa el registro durante el cálculo del valor digital, y cuya evolución depende del valor en la salida del comparador analógico. El cuarto ciclo corresponde a la lectura del resultado final, y al recomienzo del proceso de conversión.

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SISTEMAS DIGITALES Un convertidor A/D de N bits para esta estructura se muestra en la figura. Como hecho relevante se usa un convertidor de ciclo N + 1 (por ejemplo un contador en anillo) para determinar el ciclo de operación y realizar la operación de inicialización y lectura de datos. El decodificador del siguiente estado debe realizarse sabiendo que en el ciclo N+1 (indicado por el contador) el registro debe cargarse al valor inicial (bit N-1 a 1, y el resto de los bits a 0), en caso contrario la evolución dependerá del valor de la salida del comparador.

Un convertidor A/D será descrito por un conjunto de especificaciones como son: • Tensión analógica de entrada: máximo margen permisible de tensión a la

entrada. • Precisión: margen de error en la entrada debido a todas las posibles fuentes de

error. • Impedancia de entrada. • Tiempo de conversión. • Formato: tipo de codificación binaria del resultado. Como se ha visto la conversión A/D se realiza en varios ciclos en los que debe mantenerse constante el valor en la entrada analógica Vi del convertidor. Para evitar fluctuaciones en la señal de entrada los convertidores A/D necesitan además circuitos analógicos de muestreo y mantenimiento (sample and hold). El proceso de toma de medidas en un sistema debe realizarse a una frecuencia de muestreo determinada dada por el teorema de muestreo (1/s fm, donde fm es la frecuencia mayor de la señal en su componente espectral). La señal analógica muestreada se convierte a una señal digital, que es procesada mediante un circuito digital y vuelta a convertir a un valor analógico.

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EJERCICIOS Y PREGUNTAS DE REPASO E INVESTIGACIÓN • DIAGRAMAS DE CIRCUITOS CON EL CI 555:

1) Luces con velocidad variable: El siguiente circuito cuenta con dos diodos led

que se iluminaran alternadamente uno durante el estado alto y el otro durante el estado bajo, la velocidad de estos destellos está determinado por el potenciómetro R5 y cómo se puede deducir el integrado está conectado en modo astable. Los diodos leds se pueden sustituir por otros componentes para realizar una interface y conectar elementos de potencia.

2) Temporizador ajustable: En este circuito se mantiene encendido el diodo led D1 por un tiempo determinado y el cual se controla con el potenciómetro R4. En la parte inferior del diagrama aparece una interface para poder controlar elementos de mayor potencia.

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SISTEMAS DIGITALES 3) Control de velocidad de un motor de corriente continua: Este circuito ajusta

la duración del pulso a un valor mínimo haciendo que en la velocidad menor la tensión aplicada al motor sea máxima y por tanto la corriente también manteniendo el torque. La velocidad aumenta conforme aumenta el ancho del pulso. Una de las principales características es la facilidad con que vence la inercia del motor ya que el potenciómetro P1 posee dos secciones y mientras una baja la resistencia la otra aumenta y la resistencia total se mantiene muy constante. El transistor Q1 se encarga de controlar la corriente aplicada al motor, la alimentación puede ser de 6V a 12V, el capacitor C1 determina la duración mínima de los pulsos y la banda media de frecuencia no se recomiendan valores muy bajo ni muy altos se debe experimentar con capacitores en la banda de 470nF a 2,2µF.

4) Generador de efectos especiales: Este circuito simula una baliza de luces en vaivén como las del auto fantástico, consta de dos integrados el 555 y el 4017 los dos de uso muy común. La configuración del 555 hará que funcione como generador de pulsos los cuales determinan la velocidad del efecto, su velocidad puede ser variada por medio del potenciómetro P1 de 1MΩ, el 4017 funciona como una matriz de diodos y se encarga de programar el efecto. Los transistores de Q1 a Q5 permiten la excitación directa de lámparas de 12V y 40W por lo que se les debe colocar disipadores de calor.

Los materiales son: R1 y R2=10KΩ P1=1MΩ R3 a R7=100Ω C1=1µF x 50V electrolítico C2=0.1µF cerámico

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D1 a D6= diodos 1N4148 CI1= Circuito integrado NE555 CI2= Circuito integrado CD4017 La= Lámparas 12V x 40W Tr1 a Tr5= Transistor 2N3055 NPN de potencia

5) Vúmetro programable: Consiste en un efecto de luces que encienden al ritmo de la música, la velocidad de encendido de las luces y la velocidad de corrimiento se puede controlar por medio de potenciómetros. Q1 y Q2 se encargan de amplificar la señal de audio que luego pasa por una serie de diodos que fija diferentes umbrales para el disparo de los transistores Q3 a Q7. El 555 es utilizado como un temporizador que produce un tren de pulsos que se aplica a un contador (CD4017) para ofrecer el potencial necesario para cada fila de leds de acuerdo a los pulsos del 555 y la potencia del sonido aplicado al potenciómetro P1. Materiales: Q1= BD139 Transistor NPN de potencia. Q2= TIP29C Transistor NPN de potencia. Q3 a Q15= BC548 Transistor NPN de uso general. L1 a L48= Leds de 5mm color rojo. D1 a D6= 1N4148 diodos de uso general. P1= Pre-set de 2,2KΩ P2= Pre-set de 1MΩ R1= 1KΩ R1 a R6= 12KΩ

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R7= 220Ω R8 a R21= 470Ω R22 a R29= 1KΩ R30= 1,5KΩ R31= 4,7KΩ C1= 22µF capacitor electrolítico x 16V. C1= 100nF capacitor cerámico. C1= 10nF capacitor cerámico. CI1= CA555 CI2= CD4017 contador CMOS Interruptor simple

6) Generador de diente de sierra: Cuando el temporizador 555 monoestable inicia un disparo, la fuente de corriente PNP fuerza una corriente de carga constante en el capacitor, por lo tanto el voltaje en el mismo es una rampa lineal.

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7) Detector de humedad: Este circuito se encarga de censar la cantidad de

humedad que existe alrededor de la planta, entre mayor sea la humedad más rápido será el destello del diodo led, si no existe humedad este no destella. Las puntas del circuito deben estar en el suelo cerca de la planta y deben ser de un material conductor.

8) Detector de luz: Este circuito detecta la luz que incide sobre la foto resistencia LDR, cuando el circuito integrado 555 se enciende produce un sonido audible a través de un parlante (altavoz). La patilla número 4 debe mantenerse por debajo de 0.7V para que no se active el circuito, la sensibilidad del circuito se puede ajustar con el potenciómetro de 100KΩ pues a mayor resistencia menor deberá ser la luz que necesite para activarse.

9) Temporizador en serie: Si se conectan 3 temporizadores 555 en cascada cada uno con salida a un diodo led se produce un destello secuencial en donde la duración se puede ajustar individualmente. El tiempo se puede variar por medio de los condensadores C1, C3 y C5; también, se puede sustituir R1, R3 y R5 por

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potenciómetros esto en el caso de que se utilicen condensadores con el mismo valor para los tres temporizadores.

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SISTEMAS DIGITALES TAREA 3: IMPLEMENTA CIRCUITOS DIGITALES PROGRAMABLES. En esta tarea se realiza una introducción a la implementación de sistemas digitales basados en microcontroladores, de modo que el estudiante obtenga nociones del funcionamiento de un sistema digital programable. Además se realiza la implementación de diversos proyectos electrónicos que permitirán desarrollar la habilidad de construir sistemas electrónicos útiles. En esta tarea se realiza la operación: Entiende e implementa circuitos digitales programables. EQUIPOS Y MATERIALES: • Dispositivos y componentes propios de cada proyecto. • Fuente de alimentación regulada de 5V (puede reemplazarse con porta pila, pila

de 9V, regulador de voltaje 7805). • Computadora con microprocesador Core I3 o superior. • Sistema operativo Windows. • Software de simulación electrónica. 3.1. OPERACIÓN: ENTIENDE E IMPLEMENTA CIRCUITOS DIGITALES

PROGRAMABLES. • PROYECTOS CON MICROCONTROLADORES: Se indica como ejemplo

demostrativo dos sistemas digitales con el microcontrolador PIC 16FX84, en clase se puede emplear cualquier otro sistema con este microcontrolador u otro microcontrolador. Proyecto N° 1: Conexión de LED y dipswitch:

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SISTEMAS DIGITALES Como un ejercicio práctico que introduzca de manera rápida y sencilla en el manejo de los microcontroladores PIC, se va a realizar un montaje simple, el cual consiste en conectar cuatro interruptores (dipswitch) como entradas del microcontrolador y cuatro LED como salidas. El programa que se escriba se debe encargar de verificar el estado de los dipswitch y de acuerdo a este, encender los LED. Este ejemplo aunque es muy simple, es fundamental para ejercitar el manejo de los puertos. La figura siguiente muestra el diagrama esquemático del circuito. Debe notarse que los interruptores tienen resistencias conectadas a la fuente de alimentación, estas sirven para fijar un nivel alto cuando el dipswitch no está haciendo contacto. En este caso, cuando no se encuentra cerrado ningún interruptor el microcontrolador lee “unos” y cuando alguno se encuentre cerrado se leerá un “cero”. Por otra parte, para encender los LED se utiliza un circuito integrado ULN2803, el cual tiene un conjunto de transistores que invierten el pulso y amplifican la corriente. Por lo tanto, el pulso para encender un LED debe ser positivo. Dado lo anterior, cuando se lee el estado de los dipswitch se debe invertir el valor leído, para asegurarse que el interruptor que esté cerrado se convierta en una señal positiva para encender el LED correspondiente. En la figura se muestra el diagrama de flujo correspondiente al ejercicio, en la página siguiente se muestra el programa respectivo.

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Proyecto N° 2: Manejo de un display de siete segmentos. Los displays de siete segmentos son un elemento muy útil en el diseño de aparatos electrónicos, por ejemplo, cuando se requiere visualizar el dato proveniente de un conteo, de una temporización, el estado de una máquina, etc. El ejercicio que se va a realizar consiste en hacer un contador decimal (de 0 a 9), el cual lleva el conteo del número de veces que se oprime una tecla (pulsador). Para manejar el display se utiliza un decodificador 9368, que es compatible con el tradicional 7448, pero decodifica de binario a hexadecimal, es decir que puede mostrar los caracteres de la A hasta F. En el ejercicio el microcontrolador debe

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SISTEMAS DIGITALES encargarse de verificar cuando el conteo llega a 9 para empezar nuevamente en 0.

El display utilizado es de cátodo común, para aumentar su visibilidad se conecta un transistor NPN que le entrega una buena corriente. En la figura anterior se muestra el diagrama correspondiente, en la figura siguiente el diagrama de flujo y en la figura de la página siguiente el programa que realiza el control de las funciones. Nota: Si se usa el decodificador 7448 en lugar del 9368, el pin 3 se debe dejar al aire.

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• PROYECTOS ELECTRÓNICOS: Se implementaran proyectos electrónicos diversos, el estudiante puede elegir uno o más proyectos de manera personal (el instructor determinara los que considere sean necesarios de acuerdo a su complejidad). A continuación se colocan como referencia algunos proyectos que se pueden tomar en cuenta.

• 1. PROYECTO 1: VUMETRO CON LEDS.

Para este proyecto estudiaremos los circuitos integrados LM3914 y el LM3915 que aunque las conexiones son iguales, el comportamiento no, debido a que la escala de LM3914 es lineal y la escala del LM3915 es logarítmica. Con una escala lineal podemos hacer que los leds se enciendan cada voltio, con la logarítmica no, ya que está diseñada para audio, en decibeles. Utilizando alguno de estos integrados en la conexión más básica obtenemos estas diferencias: Voltaje necesario en la entrada para encender cada led: Se muestra en la siguiente tabla.

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LED LM 3914 LM 3915

1 125 mV 60 mV

2 250 mV 80 mV

3 375 mV 110 mV

4 500 mV 160 mV

5 625 mV 220 mV

6 750 mV 320 mV

7 875 mV 440 mV

8 1 V 630 mV

9 1.125 V 890 mV

10 1.25 V 1.25 V

Conexión básica del LM3914 y el LM3915:

Si es para equipo de medición es mejor el LM3914, pero si es como "Vúmetro" se ve mejor el LM3915 aunque los dos funcionan. El pin 9 es el que determina el modo, conectado al positivo trabaja en el modo tradicional o "Barra", si el pin 9 se conecta al pin 11 se activa el modo "Punto", o sea led por led. Estos circuitos integrados pueden operar de 3 a 20 voltios. Para ayudar a la estabilidad se puede

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SISTEMAS DIGITALES colocar un capacitor electrolítico entre positivo y negativo, cerca del circuito integrado, según el fabricante con 2.2 microfaradios es suficiente, puede ser mayor (en el ejemplo 10 microfaradios 25 Voltios). Para aplicaciones electrónicas prácticas, donde se debe ajustar podemos agregar una resistencia variable o potenciómetro en la entrada y si es con audio mejor colocar un capacitor de 1 microfaradio o un poco más. Conexiones del potenciómetro o resistencia variable: Cada salida de estos circuitos integrados controla la corriente, por ello no es necesario colocar alguna resistencia limitando la corriente, además se pueden conectar leds en serie en cada salida para lograr un efecto de mejor presencia. El LM3914 es equivalente al NTE1508 y el LM3915 al NTE1509. Estos circuitos integrados son muy rápidos para responder al sonido por ello en modo punto puede ser que parezca que no funciona como debiera, para que el efecto sea más agradable hay que rectificar el audio, y si lo usamos con audio puro hay que amplificarlo con algún amplificador operacional. Ejemplo de amplificador y rectificador de audio:

Los diodos (D1 y D2) son mejor de germanio (bigote de gato), pero se puede usar 1n4148.

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SISTEMAS DIGITALES 2. PROYECTO 2: INDICADOR DEL NIVEL DE SONIDO CON 5 LEDS. (VU

METER). En este proyecto veremos cómo hacer indicadores de leds para conectar a nuestros equipos de audio, computadora, o a un micrófono para que se iluminen los leds con el sonido de nuestra habitación. Primero para estos proyectos se muestran los circuitos integrados más comunes y como conectarlos. Algunos circuitos integrados son bastante comunes como BA6124, KA2284, que son equivalentes al NTE1561. Diagrama de conexiones del BA6124 o equivalente:

Este circuito integrado puede funcionar desde algo menos de 4 voltios hasta 16 voltios. R1 puede ser de 10K a 20K, C1 de 2 a 10 MicroFaradios. R2 es una resistencia variable de 20K, puede usarse de 10K a 50K. El Led que se ilumina primero es el conectado al pin 1. Los leds se conectan sin resistencia porque el circuito integrado tiene un limitador de corriente en cada salida (aproximadamente 15 mA). Dibujo de conexiones del BA6124 o similar:

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Si es para adornar se pueden utilizar 2 leds por cada salida o más, se ve igual que los de 10 leds que son menos comunes. Los led se conectan en serie:

Además se puede agregar un preamplificador y micrófono para que se iluminen con el sonido ambiente. Diagrama del preamplificador con un micrófono eléctrico:

R1 puede ser de 3.3k en 6 voltios a 6.8k en 12 voltios. C1 puede ser de 0.1 microFaradio o más. Mic es un micrófono electrónico (Electret Mic). Q1 es un transistor de audio, puede ser un C945, C458 o equivalente. C3 es de .001 microfaradios, si desea dar énfasis a los bajos puede ser más alto.

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SISTEMAS DIGITALES R3 puede ser de 330K en 6 voltios, hasta 1M en 12 Voltios. R4 es de 10k, puede ser menor en 6 voltios. R5 es de 1000 ohmios (1K). C2 y R2 pertenecen al circuito del control de luces BA6124. Con R2 ajustamos el nivel donde se muevan mejor los led con el sonido. Con los valores del ejemplo en el dibujo siguiente puede funcionar bien desde los 6 a 12 voltios:

Este circuito integrado es muy sencillo y no tiene pines de ajuste, de una forma normal no se pueden conectar en serie y está diseñado para medir audio, y por eso es logarítmico. El primer led se ilumina en -10dB, el segundo en -5dB, el tercero en 0dB (50mv), el cuarto led en 3db y el quinto led en 6dB. Para equipos de medición (indicador voltio a voltio, etc.) se utilizan los circuitos integrados Lineales. También existen circuitos integrados a los que se les puede ajustar el voltaje de referencia y con ello conectar varios en serie. 3. PROYECTO 3: PROYECTO: AMPLIFICADORES DE AUDIO DE BAJA

POTENCIA. Existen multitud de amplificadores de baja potencia utilizando circuitos integrados, se va a mostrar algunos bastante comunes, fáciles de hacer y generalmente de bajo costo. La mayoría de estos amplificadores son utilizados por televisores,

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SISTEMAS DIGITALES equipos de prueba y medición, modem viejos, etc. En la actualidad se habla de equipos de sonido de "10000 Watts PMPO" o más. Entonces alguien puede pensar que un amplificador de 20 vatios por canal es de baja potencia cuando en realidad no es así, porque aquí hablamos de potencia real o RMS. Y deben saber que PMPO no es una medida electrónica real. Los proyectos de amplificadores de baja potencia son de 1W, 2W o bien menos de 10 vatios. • Amplificador LM380N 2,5W. Muy utilizado en televisores, radios de comunicación, equipos de medición, modem, etc. Diagrama del amplificador con LM380N:

Este circuito integrado es muy flexible para el voltaje, según el fabricante funciona bien de 10 a 22 voltios, entregando una potencia de hasta 2.5 vatios. Yo lo utilizo en proyectos para 12 voltios. Dibujo de conexiones del LM380:

Amplificador LM386 <1W Este amplificador es similar al LM380 pero es de mucha menos potencia, llegando a 1 vatio el LM386N-4, el voltaje de operación va de 4 a 12 voltios (LM386N-1, LM386N-3, LM386M-1, LM386MM-1) o de 5 a 18 voltios el LM386N-4.

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SISTEMAS DIGITALES Diagrama del amplificador con LM386:

La ganancia de este amplificador se ajusta entre los pines 1 y 8 desconectados aproximadamente 26dB, y con un capacitor electrolítico entre las puntas hasta 46dB. (10uF, positivo pin1). Dibujo de conexiones del LM386:

La mayoría de las versiones del LM386 son del orden de 125 mW. Usado bastante como amplificador para audífono o como salida en indicadores de error, tonos de alerta y "buzzer". Circuito integrado TDA7235 de 1,25 a 4W. El TDA7235 es bastante utilizado en televisores, con disipador de calor puede usarse como amplificador de 4 vatios. El voltaje es sorprendentemente flexible, puede usarse desde 1.8 voltios a 24. Dibujo de conexiones del TDA7235:

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Circuito integrado TDA7267 de 2W. El TDA7267 es diseñado especialmente para televisores, con ganancia preajustada a 32dB. Aunque el voltaje no es tan flexible como el anterior, puede trabajar desde 4.5V hasta los 18V. Con el pin 3 (SVR) a tierra el circuito integrado queda en reposo (stand-by) Dibujo de conexiones del TDA7267:

Circuito integrado TDA2822M Estereo de 8 Pines. Este circuito integrado además de lo versátil con la alimentación (1.8V a 15V), es doble (estéreo). Siendo el ideal para proyectos o aplicaciones portables, tratando de no superar 1 vatio por canal.

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SISTEMAS DIGITALES Dibujo de conexiones del TDA2822M:

El amplificador UTC2822H y El TDA2822M son exactamente iguales en conexiones y la única diferencia encontrada es que el UTC2822H puede trabajar de 1.8V a 6V, y soporta máximo 9 voltios. También está el TDA2822 que es de 16 pines. Circuito integrado TDA2822 de 16 pines. Este circuito integrado puede utilizarse de 3 a 15 Voltios, puede manejar un máximo de 4 vatios (2W x 2) con disipador de calor. Las características electrónicas son similares al amplificador TDA2822M de 8 pines, pero utilizado desde 3 voltios. Dibujo de conexiones del TDA2822 de 16 pines:

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Tanto para este amplificador TDA2822 como para todos los demás debemos tomar en cuenta una buena conexión de tierras para evitar oscilaciones que puedan dañarlos o producir ruidos indeseados. También utilizar una fuente de alimentación con el filtraje adecuado para evitar zumbidos, inestabilidad o distorsión. Amplificador TDA7052. 1W BTL. Lo especial de este amplificador es que prácticamente no lleva componentes externos, puede utilizarse de 3 a 18 Voltios y puede manejar un máximo de 1.2 vatios. La ganancia de amplificación es de 39dB. La salida es en puente (BTL) lo que puede lograr desarrollar su potencia con bajos voltajes. La alimentación recomendada es 6V con altavoces de 8 ohmios. Algunos televisores que lo utilizan con 12 voltios utilizan altavoces de 32 ohmios. Dibujo de conexiones del TDA7052:

Los pines 4 y 7 no están conectados internamente, por ello en algunos diseños se conecta a tierra (negativo). Aunque son amplificadores de baja potencia, no hay que olvidar utilizar una fuente de alimentación con el filtraje adecuado, para evitar ruidos no deseados, además de la correcta conexión de tierras.

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SISTEMAS DIGITALES FUNDAMENTO TEÓRICO: SISTEMAS MICRO PROGRAMABLES. Un sistema micro programable es un sistema electrónico digital formado por uno o varios chips integrados capaces de interpretar y ejecutar secuencialmente las órdenes contenidas en un programa y a una velocidad muy elevada. Entre las aplicaciones más importantes podemos destacar: • Realizar cálculos matemáticos o aplicaciones informáticas, como podemos

observar en las computadoras, que son sistemas micro programables basados en los microprocesadores.

• Controlar procesos industriales de seguridad o producción, como en el caso de autómatas programables que controlan robots y cadenas de montaje que poseen microcontroladores.

• Controlar el funcionamiento de aparatos domésticos, como: microondas, lavadoras, que se encuentran controladas por microprocesadores y o microcontroladores.

Hardware y software. Todos los conocimientos y conceptos relacionados con el sistema micro programable se agrupan en tres, que son los siguientes: • Hardware: Son todos los circuitos y componentes electrónicos que componen

el sistema. • Software: Conjunto de instrucciones y rutinas con que se programa el sistema,

así como todo lo referente a los lenguajes empleados. • Firmware: Es un término intermedio y se define como el conjunto de programas

de un sistema micro programable grabados sobre un hardware pero inalterables por el usuario. El ejemplo más sencillo es la memoria ROM-BIOS en las computadoras.

CLASIFICACIÓN: COMPUTADORAS PERSONALES: Son sistemas micro programable que utilizan un chip microprocesador. Están destinados a los procesos informáticos, aunque añadiéndoles los sistemas de control externo adecuados, son capaces de controlar procesos o máquina industrial.

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SISTEMAS DIGITALES AUTÓMATAS PROGRAMABLES: Son sistemas micro programables basados en un microcontrolador al que se le añaden sistemas de control de potencia tales como contactores o relés. Están destinados al control de maquinaria industrial y automatización. PEQUEÑOS AUTOMATISMOS Y ELECTRODOMÉSTICOS: Son sistemas gobernados por microprocesadores, microcontroladores o dispositivos lógicos programables (PLD), destinados a controlar electrodomésticos, rótulos luminosos, calculadoras programables, pequeños sistemas de alarmas y cualquier otro sistema que se pueda asociar a estos elementos.

Unidad Central de Proceso: Su estructura es la de un circuito integrado LSI que posee en su interior entre otros elementos: • Unidad de decodificación e interpretación. • Unidad aritmética lógica. • Un contador de programa. • Registros de almacenamiento. La CPU controla por medio de instrucciones que decodifica e interpreta a las memorias, a la unidad de entrada y salida I/O y a través de esta última a los periféricos y sistemas de control externo. Reloj: La CPU genera los impulsos de control de los bloques restantes, partiendo de las señales de onda cuadradas suministradas por un generador de funciones

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SISTEMAS DIGITALES llamado reloj. La frecuencia del reloj determina la velocidad de operación y funcionamiento de la CPU y de todo en general. Buses: Se definen como el conjunto de grupos de hilos que transportan información del mismo tipio y que sirven para realizar la comunicación entre los diferentes bloques del sistema. Existen tres tipos de buses, en dos de los cuales el número de hilos está en función del número de bits de la palabra binaria con la que trabaja el sistema. • Bus de datos (Data Bus): Es el destinado a transportar los datos entre los

diferentes bloques. Su número de hilos es igual a la longitud de la palabra. • Bus de direcciones (Address Bus): Su misión es transmitir al bloque

correspondiente la dirección con la que va a trabajar la CPU. El número de líneas determina la capacidad de la memoria. El número de direcciones de memoria que es capaz de controlar un microprocesador mediante su bus de direcciones, se obtiene: Nº de direcciones de memorias o palabras = a la base binaria 2, elevada al número de líneas del bus de direcciones. Así por ejemplo, un micro de 8 bits posee 16 líneas luego = a 65.536 posiciones o bits = 64 Kb.

• Bus de control (Control Bus): El micro utiliza un número de líneas para enviar o recibir órdenes que realizan fines diversos, como R/W*, RESET, líneas de interrupción, Entrada de programación, etc.

Circuitos de selección de Chips: Es un conjunto de elementos decodificadores y multiplexores que tienen la finalidad de obtener las señales de autorización de cada bloque del sistema, evitando que el bloque de bus de direcciones tenga que llegar a todo el sistema Unidad de entrada y salida (I/O): Todo sistema de desarrollo de microprocesador necesita comunicarse con el exterior, ya sea para recibir o llevar información. Estos dispositivos constituyen la frontera (interface) entre los circuitos internos y los externos. La necesidad de emplear circuitos específicos viene impuesta por la diferencia de las señales empleadas en el interior y exterior del sistema:

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SISTEMAS DIGITALES Diferente frecuencia de trabajo: El microprocesador y las memorias trabajan a frecuencias muy superiores al megahercio, mientras que los periféricos y receptores rara vez superan los kilohercios. Diferencias en los códigos binarios de trabajo: Esto hace que tengamos que trabajar con convertidores de códigos. En algunos casos, las interfaces o unidades de entrada y salida son circuitos cuya complejidad puede llevar a superar la de algunos microprocesadores. Independientemente de su complejidad interna, además posee como mínimo estos elementos: Registros de entrada y registro de salida. El primero es un registro cuyo número de bits es igual al de la palabra utilizada y cuya carga está controlada por un conjunto de interruptores electrónicos gobernados por la CPU. Se le denomina puerto de entrada. La información que se envía desde los periféricos al puerto sólo se almacena cuando la CPU lo autorice. El segundo, el registro de salida, es un registro de almacenamiento de información de longitud igual al de la palabra utilizada. Lo llamaremos puerto de salida. Periféricos. Podemos distinguir dos tipos de funciones: Periféricos de comunicación entre el sistema y el usuario y periféricos de almacenamiento masivo de la información. Periféricos de comunicación: Teclado (Keyboard) Periférico de entrada, sirve para introducir datos mediante teclas y están adaptadas en función del tipo de lenguaje empleado en la programación: • Teclados hexadecimales para programar en lenguaje máquina. • Teclados alfanuméricos, para programación en alto nivel. • Teclados especiales, con teclas de funciones específicas. Pantallas y displays. Son los periféricos de salida más usuales, junto con las impresoras, por ejemplo:

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SISTEMAS DIGITALES Monitores de televisión (CTR), Cristal líquido (LCD), Visualizadores de tipo matricial de 7 segmentos, etc. Impresora. Periférico de salida básico, especializado en la producción de informes en formato papel, los más importantes los de inyección de tinta y láser. Interfaces de comunicación de E/S. son dispositivos periféricos que no deben confundirse con las unidades (I/O) que sirve para intercomunicar sistemas micro programable separado y serían: • Interface RS-232 para comunicación serie. • Interface Centronics para comunicación paralelo. • Interface USB de comunicación universal. Conviene citar en este apartado uno de los elementos utilizados en la comunicación E/S y sería la puerta triestado. Corresponde a un circuito como el que se cita a continuación, en el que si a la entrada de control le aplicamos un uno la información pasa, independientemente si la niega o no. En el caso de que esa información de control sea un cero no existe comunicación ya que se crea un estado de alta impedancia, equivalente a un interruptor abierto.

CS =0 las puertas AND aplican señal baja a las bases de los transistores => alta impedancia, equivale a una desconexión real.

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SISTEMAS DIGITALES CS=1 Es lógico comprobar que las puertas transmiten señales opuestas a los transistores con lo cual, en un caso obtendremos un “1” y en otro caso obtendremos un “0”. Módem. Es un interface que permite la comunicación serie a distancia, por medio de redes telefónicas o redes inalámbricas. Periféricos de almacenamiento. Unidades de disco magnético. Esta clase de periférico emplea un soporte plano y circular recubierto de un material magnético donde se almacena la información: Disco duro (hard disk), Disco flexible (floppy disk). Unidades de disco óptico. Soporte plano circular de policarbonato, donde se almacena la información) recubierto de una capa de aluminio que actúa como espejo: CD-ROM y DVD. Unidades de memoria flexible. Están fabricadas con memoria tipo Flash y SD (variedad de memoria RAM) que posee un conector USB. Pendrive y Tarjeta. Sistemas de control externo. Constituyen un conjunto de circuitos que sirven para realizar la comunicación entre el sistema micro programable y los procesos industriales o máquinas por él controlado. • Transductores y sensores. • Convertidores A/D, D/A, V/I, etc. • Componentes de conmutación y potencia: relés, tiristores, contactores, etc. • Circuitos de amplificación. Módem. Es un interface que permite la comunicación serie a distancia, por medio de redes telefónicas o redes inalámbricas. Periféricos de almacenamiento. Unidades de disco magnético. Esta clase de periférico emplea un soporte plano y circular recubierto de un material magnético donde se almacena la información - Disco duro (hard disk).

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SISTEMAS DIGITALES Unidades de disco óptico. Soporte plano circular de policarbonato, donde se almacena la información) recubierto de una capa de aluminio que actúa como espejo: CD-ROM y DVD Unidades de memoria flexible. Están fabricadas con memoria tipo Flash y SD (variedad de memoria RAM) que posee un conector USB. Pendrive y Tarjeta. Sistemas de control externo. Constituyen un conjunto de circuitos que sirven para realizar la comunicación entre el sistema micro programable y los procesos industriales o máquinas por él controlado. • Transductores y sensores. • Convertidores A/D, D/A, V/I, etc. • Componentes de conmutación y potencia: relés, tiristores, contactores, etc. • Circuitos de amplificación.

MEMORIAS. Antes de entrar a analizar las distintas memorias, volvemos a citar cierta clasificación de ellas. Memorias centrales: Son las que se encuentran en el interior de los sistemas micros programables y están directamente regidas por la CPU. En ellas se almacenan los sistemas operativos, las tablas de datos, el programa de usuario que se encuentra en ejecución y los datos de la pila de memoria, según su principio de funcionamiento existen los siguientes tipos: • Memorias de núcleo de ferrita. Fue el primer tipo de memoria empleado, hoy en

desuso. Formadas por núcleos toroidales de algunas décimas de milímetro de diámetro recorridos por tres hilos, dos de selección y uno de lectura.

• Memorias integradas. Son las únicas empleadas actualmente. Se clasifican en: - Memorias de lectura y escritura, o memorias RAM. - Memorias de sólo lectura o memorias ROM.

Memorias masa: Son las unidades de memoria de más alta capacidad que existen y están situadas en los periféricos. Su función es almacenar grandes cantidades de datos, así como los programas de usuario y el sistema operativo cuando no están en ejecución. Las memorias más importantes hoy día son: • Memorias en disco duro.

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SISTEMAS DIGITALES • Memorias en disco óptico: CD-ROM, DVD, Blue ray. • Memorias integradas extraíbles: Pen Drive y SD. CLASIFICACIÓN DE LAS MEMORIAS INTEGRADAS. Memorias RAM: Las siglas RAM significan memoria de acceso aleatorio (Random Acces Memory). Son memorias volátiles, en las que se puede leer y escribir Tipos: RAM estáticas o SRAM: Las celdas de memoria o de almacenamiento están formadas por flip-flops, que permanecen indefinidamente en su estado mientras no se elimine la alimentación o se haga bascular. RAM dinámicas o DRAM: Las celdas de almacenamiento están formadas por pequeños condensadores que almacenan la información (Tecnología CMOS). Tienen el defecto de que por inevitables corrientes de fuga pierden la información. Por tal motivo se requiere de un circuito de refresco (proceso de reescritura periódico) que restablezca la información. El tiempo típico de refresco de 2 milisegundos. Este proceso requiere un tiempo y una mayor complejidad de hardware, es decir la memoria dinámica no está disponible en todo momento para ser leída o escrita, ya que el proceso de recarga no es instantáneo. Por el contrario la DRAM ofrece la ventaja de un mayor número de bits por chip, lo que redunda en un precio más bajo y en unas dimensiones de montaje más pequeñas, sin olvidar que el circuito de refresco encarece un poco el conjunto. RAM con pila. Este tipo de memorias es no volátil, es decir no pierden la información al ser desconectadas, se trata de una memoria RAM CMOS que lleva incorporada en su encapsulado una pequeña batería de litio que asegura una estabilidad de los datos durante diez años, con el chip extraído del circuito, en lugar de ellas hoy se utilizan las EEPROM, que estudiaremos a continuación. Memorias ROM. Las siglas ROM significan, memorias de sólo lectura (Read Only Memory) Son memorias no volátiles, en las que sólo se puede leer, ya que su proceso de grabado es más complejo y se realiza normalmente fuera del sistema. Según la forma en que se procede a grabar los datos, se dividen a su vez en los tipos siguientes:

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SISTEMAS DIGITALES • ROM (programable por máscara). Los datos se graban en la memoria durante

su proceso de fabricación. Proceso fotolitográfico. Evidentemente estos datos son indelebles y nunca se podrán borrar o cambiar.

• PROM. (Rom programable) Grabadas o programadas por el usuario una sola vez. El fabricante las suministra en estado virgen, con tos sus bits puestos a “0” o a “1”, según los tipos. El proceso de grabación se hace mediante un equipo programador de PROM que produce fusiones de carácter irreversible de acuerdo con los datos que se pretende grabar.

• EPROM (ROM borrable y programable) Son similares a las PROM, pero el proceso de grabación no es destructivo. Los datos se almacenan induciendo cargas en electrodos de silicio poli cristalino completamente aislados en el seno de una capa de óxido de silicio. La grabación se realiza mediante un programador de EPROM y a partir de ese momento los datos permanecen inalterables. Cuando se requiera borrar los datos, la devolvemos a su estado original mediante la acción de rayos ultravioletas a través de una ventana dispuesta a tal fin. El número de ciclos de borrado-grabado es limitado ya que el proceso produce una cierta degradación de los datos.

• EEPROM (ROM, borrables eléctricamente). Son las memorias que logran el ideal de alcanzar una memoria de lectura-escritura que no pierde su contenido al cortar la alimentación. Estas memorias pueden alterar su contenido sobre el montaje definitivo sin necesidad de extraer el chip y sin utilizar una instrumentación específica.

Tener en cuenta los siguientes términos: EAROM (ROM (alterable eléctricamente) y EEPROM ((ROM borrable eléctricamente) Resumen de las características DRAM. • La capacidad de almacenamiento de los chips de memoria DRAM es, a

igualdad de tamaño, superior a la de los chips de memoria SRAM. • El consumo de las memorias DRAM es considerablemente superior al de las

RAM. • La adaptación de las memorias DRAM a los sistemas basados en

microprocesadores es más complicada que la adaptación de memorias SRAM, dado que las primeras obligan a la incorporación de la adecuada lógica de refresco.

Evolución de las memorias DRAM.

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SISTEMAS DIGITALES • Memoria FPM RAM (Fast Page Mode RAM) Memoria DRAM diseñada para

trabajar en modo página, es decir, para accesos a bloques de memoria consecutivo.

• Memorias EDO RAM (Extended Data Out RAM) Son una variante de las anteriores que mediante la utilización de un búfer en su salida le permite estar finalizando la lectura de un dato de la matriz y simultáneamente, decodificar la dirección del siguiente dato que se va a leer.

• Memorias SDRAM (Synchronous DRAM). Su estructura consta de dos o más matrices, cuyo funcionamiento se organiza de forma que mientras se está realizando el acceso a una matriz, otra se está preparando el siguiente acceso.

• Memorias DDR SDRAM (Double Date Rate SDRAM). La más moderna de la familia de memorias DRAM soporta dos operaciones de memoria por ciclo de reloj, así que proporciona el doble de velocidad.

Módulos de memorias. Módulos SIMM (Single In- Line Memory Module) hoy en desuso. • SIMM de 30 contactos (4 MB y 16 MB). • SIMM de 72 contactos (16 MB y 32 MB). • SIMM de 168 contactos (16 MB, 32 MB y 64 MB). Módulos DIMM de memoria DRAM (Dual In-Line Memory Module). Este tipo está prácticamente en desuso. Consta como los anteriores de un conjunto de zócalo y tarjeta de circuito impreso que contiene los chips de memoria, actualmente del tipo SDRAM o DDRAM, pero en éstos los conectores están en ambas caras y contienen información diferente. Estos módulos trabajan con palabras de 64 bits. • DIMM de 72 contactos. Fueron los primeros en aparecer en el mercado. • DIMM de 144 contactos. Con memoria DDRAM t capacidad de 1024 MB por

módulo. • DIMM de 168 contactos. • DIMM de 184 contactos con memoria SDRAM y capacidad de 512 MB por

módulo. • DIMM de 200 contactos, para portátiles con memoria DDRAM y capacidad de

1024 MB por módulo. • DIMM de 240 contactos, con memoria DDRAM2 y DDRAM3 y capacidad de

2048 MB por módulo.

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SISTEMAS DIGITALES Modo de acceso. Se entiende por modo de acceso, el método que la memoria emplea para acceder a una información almacena en ella. • Acceso aleatorio. Se puede ir a cualquier posición directamente. El sistema

asigna a cada posición de memoria un código y por él la identifica. El tiempo de acceso es independiente de la posición de la memoria. Un ejemplo de este tipo de memorias son las integradas RAM y ROM.

• Acceso secuencial. Las memorias de este tipo de acceso no se utilizan hoy día. Para acceder a una determinada posición era necesario recorrer previamente todas las posiciones anteriores.

Formaban parte de las memorias masas ya que formaban parte de algunos periféricos. El dispositivo más característico de este tipo de memoria es la cinta magnética. • Acceso cíclico. Este modo de acceso es una combinación de los dos

anteriores. Los dispositivos de memorias que emplean este tipo de acceso son los discos duros, los disquetes los CDROM y DVD. En todos los casos el disco está dividido en pistas concéntricas y en y en un número par de divisiones. La información está almacenada en un sector. Para leer la cabeza accede de forma aleatoria para localizar la pista y después de manera secuencial para acceder al sector. - Acceso por Pila o LIFO (Last in, first out), último en entrar primero en salir. - Acceso por Pila o FIFO (First in, first out) primero en entrar, primero en salir

INTRODUCCIÓN A LOS MICROCONTROLADORES. Arquitectura Harvard La arquitectura tradicional: La arquitectura tradicional de computadoras y microprocesadores se basa en el esquema propuesto por John Von Neumann, en el cual la unidad central de proceso, o CPU, está conectada a una memoria única que contiene las instrucciones del programa y los datos.

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SISTEMAS DIGITALES El tamaño de la unidad de datos o instrucciones está fijado por el ancho del bus de la memoria. Es decir que un microprocesador de 8 bits, que tiene además un bus de 8 bits que lo conecta con la memoria, deberá manejar datos e instrucciones de una o más unidades de 8 bits (bytes) de longitud. Cuando deba acceder a una instrucción o dato de más de un byte de longitud, deberá realizar más de un acceso a la memoria. Por otro lado este bus único limita la velocidad de operación del microprocesador, ya que no se puede buscar de memoria una nueva instrucción, antes de que finalicen las transferencias de datos que pudieran resultar de la instrucción anterior. Es decir que las dos principales limitaciones de esta arquitectura tradicional son: a) La longitud de las instrucciones está limitada por la unidad de longitud de los

datos, por lo tanto el microprocesador debe hacer varios accesos a memoria para buscar instrucciones complejas,

b) La velocidad de operación (o ancho de banda de operación) está limitada por el efecto de cuello de botella que significa un bus único para datos e instrucciones que impide superponer ambos tiempos de acceso.

La arquitectura von Neumann permite el diseño de programas con código automodificable, práctica bastante usada en las antiguas computadoras que solo tenían acumulador y pocos modos de direccionamiento, pero innecesaria, en las computadoras modernas. La arquitectura Harvard y sus ventajas: La arquitectura conocida como Harvard, consiste simplemente en un esquema en el que el CPU está conectado a dos memorias por intermedio de dos buses separados. Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa, y es llamada Memoria de Programa. La otra memoria solo almacena los datos y es llamada Memoria de Datos.

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SISTEMAS DIGITALES Ambos buses son totalmente independientes y pueden ser de distintos anchos. Para un procesador de Set de Instrucciones Reducido, o RISC (Reduced Instrucción Set Computer), el set de instrucciones y el bus de la memoria de programa pueden diseñarse de manera tal que todas las instrucciones tengan una sola posición de memoria de programa de longitud. Además, como los buses son independientes, el CPU puede estar accediendo a los datos para completar la ejecución de una instrucción, y al mismo tiempo estar leyendo la próxima instrucción a ejecutar. Se puede observar claramente que las principales ventajas de esta arquitectura son: a) El tamaño de las instrucciones no está relacionado con el de los datos, y por lo

tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de memoria de programa, logrando así mayor velocidad y menor longitud de programa.

b) El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos, logrando una mayor velocidad de operación.

c) Una pequeña desventaja de los procesadores con arquitectura Harvard, es que deben poseer instrucciones especiales para acceder a tablas de valores constantes que pueda ser necesario incluir en los programas, ya que estas tablas se encontraran físicamente en la memoria de programa (por ejemplo en la EPROM de un microprocesador)

Los micro controladores PIC 16C5X, 16CXX y 17CXX poseen arquitectura Harvard, con una memoria de datos de 8 bits, y una memoria de programa que, según el modelo, puede ser de 12 bits para los 16C5X, 14 bits para los 16CXX y 16 bits para los 17CXX.

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SISTEMAS DIGITALES Diagrama de bloques.

Mapas de memoria (Memoria Interna (RAM)). Organización La memoria interna de datos, también llamada archivo de registros (register file), está dividida en dos grupos: los registros especiales, y los registros de propósito generales. Los primeros ocupan las 11 posiciones primeras que van desde la 00 a la 0B, y los segundos las posiciones que siguen, o sea de la 08 a la 4F. Los registros especiales contienen la palabra de estado (STATUS), los registros de datos de los tres puertos de entrada salida (Puerto A, Puerto B, Puerto C), los 8 bits menos significativos del program counter (PC), el contador del Real Time Clock/Counter (RTCC) y un registro puntero llamado File Select Register (FSR). La posición 00 no contiene ningún registro en especial y es utilizada en el mecanismo de direccionamiento indirecto. Los registros de propósito general se dividen en dos grupos: los registros de posición fija y los bancos de registros. Los primeros ocupan las 8 posiciones que van de la 08 a la 0F.

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SISTEMAS DIGITALES Los bancos de registros consisten en hasta cuatro grupos o bancos de 16 registros cada uno, que se encuentran superpuestos en las direcciones que van de la 10 a la 1F. Se puede operar con un solo banco a la vez, el cual se selecciona mediante los bits 5 y 6 del File Select Register (FSR).

Memoria de Programa. Organización. La memoria de programa, que en los PIC16C5X puede ser de 512 a 2K instrucciones, debe ser considerada a los efectos de la programación, como compuesta por secciones o páginas de 512 posiciones. A su vez cada página debe considerarse dividida en dos mitades de 128 posiciones cada una. Esto se debe, como se verá, a las limitaciones de direccionamiento de las instrucciones de salto.

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SISTEMAS DIGITALES

Registros de funciones especiales Camino de los datos y registro W. La figura representa un diagrama simplificado de la arquitectura interna del camino de los datos en el CPU de los microcontroladores PIC. Este diagrama puede no representar con exactitud el circuito interno de estos microcontroladores, pero es exacto y claro desde la óptica del programador. La otra figura representa el mismo diagrama para un microprocesador ficticio de arquitectura tradicional. Se puede observar que la principal diferencia entre ambos radica en la ubicación del registro de trabajo, que para los PIC’s se denomina W (Working Register), y para los tradicionales es el Acumulador (A).

En los microcontroladores tradicionales todas las operaciones se realizan sobre el acumulador. La salida del acumulador está conectada a una de las entradas de la Unidad Aritmética y Lógica (ALU), y por lo tanto éste es siempre uno de los dos operandos de cualquier instrucción. Por convención, las instrucciones de simple operando (borrar, incrementar, decrementar, complementar), actúan sobre el acumulador. La salida de la ALU va solamente a la entrada del acumulador, por lo tanto el resultado de cualquier operación siempre quedara en este registro. Para operar sobre un dato de memoria, luego realizar la operación siempre hay que mover el acumulador a la memoria con una instrucción adicional. En los microcontroladores PIC, la salida de la ALU va al registro W y también a la memoria de datos, por lo tanto el resultado puede guardarse en cualquiera de los

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SISTEMAS DIGITALES dos destinos. En las instrucciones de doble operando, uno de los dos datos siempre debe estar en el registro W, como ocurría en el modelo tradicional con el acumulador. En las instrucciones de simple operando el dato en este caso se toma de la memoria (también por convención). La gran ventaja de esta arquitectura es que permite un gran ahorro de instrucciones ya que el resultado de cualquier instrucción que opere con la memoria, ya sea de simple o doble operando, puede dejarse en la misma posición de memoria o en el registro W, según se seleccione con un bit de la misma instrucción. Las operaciones con constantes provenientes de la memoria de programa (literales) se realizan solo sobre el registro W. En la memoria de datos de los PIC’s se encuentran ubicados casi todos los registros de control del microprocesador y sus periféricos autocontenidos, y también las posiciones de memoria de usos generales. En el caso de los 16C5X, algunos registros especiales de solo escritura (TRIS y OPTION) no están accesibles dentro del bloque de memoria de datos, sino que solo se pueden cargar desde el registro W por medio de instrucciones especiales. Contador de Programa. Este registro, normalmente denominado PC, es totalmente equivalente al de todos los microprocesadores y contiene la dirección de la próxima instrucción a ejecutar. Se incrementa automáticamente al ejecutar cada instrucción, de manera que la secuencia natural de ejecución del programa es lineal, una instrucción después de la otra. Algunas instrucciones que llamaremos de control, cambian el contenido del PC alterando la secuencia lineal de ejecución. Dentro de estas instrucciones se encuentran el GOTO y el CALL que permiten cargar en forma directa un valor constante en el PC haciendo que el programa salte a cualquier posición de la memoria. Otras instrucciones de control son los SKIP o “salteos” condicionales, que producen un incremento adicional del PC si se cumple una condición específica, haciendo que el programa saltee, sin ejecutar, la instrucción siguiente. El PC es un registro de 9 bits en los 16C54/55, 10 bits en el 16C56, y 11 bits en el 16C57, lo que permite direccionar respectivamente 512, 1024 o 2048 posiciones de memoria de programa. Al resetearse el microprocesador, todos los bits del PC toman valor 1, de manera que la dirección de arranque del programa es siempre la última posición de memoria de programa. En esta posición se deberá poner una instrucción de salto al punto donde verdaderamente se inicia el programa.

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SISTEMAS DIGITALES A diferencia de la mayoría de los microprocesadores convencionales, el PC es también accesible al programador como registro de memoria interna de datos, en la posición de 02. Es decir que cualquier instrucción común que opere sobre registros puede ser utilizada para alterar el PC y desviar la ejecución del programa. El uso indiscriminado de este tipo de instrucciones complica el programa y puede ser muy peligroso, ya que puede producir comportamientos difíciles de predecir. Sin embargo, algunas de estas instrucciones utilizadas con cierto método, pueden ser muy útiles para implementar poderosas estructuras de control tales como el goto computado. Como el microprocesador opera con datos de 8 bits, y la memoria de datos es también de 8 bits, estas instrucciones solo pueden leer o modificar los bits 0 a 7 del PC. Stack. En los microcontroladores PIC el stack es una memoria interna dedicada, de tamaño limitado, separada de las memorias de datos y de programa, inaccesible al programador, y organizada en forma de pila, que es utilizada solamente, y en forma automática, para guardar las direcciones de retorno de subrutinas e interrupciones. Cada posición es de 11 bits y permite guardar una copia completa del PC. Como en toda memoria tipo pila, los datos son accedidos de manera tal que el primero que entra es el último que sale. En los 16C5X el stack es de solo dos posiciones, mientras que en los 16CXX es de 8 posiciones y en los 17CXX es de 16 posiciones. Esto representa, en cierta medida, una limitación de estos microcontroladores, ya que no permite hacer uso intensivo del anidamiento de subrutinas. En los 16C5X, solo se pueden anidar dos niveles de subrutinas, es decir que una subrutina que es llamada desde el programa principal, puede a su vez llamar a otra subrutina, pero esta última no puede llamar a una tercera, porque se desborda la capacidad del stack, que solo puede almacenar dos direcciones de retorno. Esto de hecho representa una traba para el programador y además parece impedir o dificultar la programación estructurada, sin embargo es una buena solución de compromiso ya que estos microcontroladores están diseñados para aplicaciones de alta velocidad en tiempo real, en las que el overhead (demoras adicionales) que ocasiona un excesivo anidamiento de subrutinas es inaceptable. Por otra parte existen técnicas de organización del programa que permiten mantener la claridad de la programación estructurada, sin necesidad de utilizar tantas subrutinas anidadas.

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SISTEMAS DIGITALES Como ya se mencionó anteriormente, el stack y el puntero interno que lo direcciona, son invisibles para el programador, solo se los accede automáticamente para guardar o rescatar las direcciones de programa cuando se ejecutan las instrucciones de llamada o retorno de subrutinas, o cuando se produce una interrupción o se ejecuta una instrucción de retorno de ella. Palabra de Estado del Procesador. La palabra de estado del procesador contiene los tres bits de estado de la ALU (C, DC y Z), y otros bits que por comodidad se incluyeron en este registro. 7 6 5 4 3 2 1 0 Registro STATUS El bit Z indica que el resultado de la última operación fue CERO. El bit C indica acarreo del bit más significativo (bit 7) del resultado de la última operación de suma. En el caso de la resta se comporta a la inversa, C resulta 1 si no hubo pedido de préstamo. El bit DC (digit carry) indica acarreo del cuarto bit (bit 3) del resultado de la última operación de suma o resta, con un comportamiento análogo al del bit C, y es útil para operar en BCD (para sumar o restar números en código BCD empaquetado). El bit C es usado además en las operaciones de rotación derecha o izquierda como un paso intermedio entre el bit 0 y el bit 7. El bit PD (POWER DOWN) sirve para detectar si la alimentación fue apagada y encendida nuevamente, tiene que ver con la secuencia de inicialización, el watch dog timer y la instrucción sleep, y su uso se detallara en la sección referida al modo POWER DOWN. El bit TO (TIME-OUT) sirve para detectar si una condición de reset fue producida por el watch dog timer, está relacionado con los mismos elementos que el bit anterior y su uso se detallara en la sección referida al WATCH DOG TIMER. Los bits de selección de página PA0/PA1/PA2 se utilizan en las instrucciones de salto GOTO y CALL, y se explicaran con detalle en la sección referida a las instrucciones de control, y a la organización de la memoria de programa. En realidad en el 16C54 estos bits no se usan y sirven para propósitos generales. En el 16C57 el PA0 si se usa pero los otros dos no. En el 16C55 se utilizan PA0 y PA1. PA2 está reservado para uso futuro y en cualquiera de los PIC 16C5X sirve para propósitos generales.

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SISTEMAS DIGITALES OTROS REGISTROS ESPECIALES. Las ocho primeras posiciones del área de datos están reservadas para alojar registros de propósito especial, quedando las restantes libres para contener los datos u operandos que se desee (registros de propósito general). El registro INDF que ocupa la posición 0 no está implementando físicamente y, como se ha explicado, se le referencia en el direccionamiento indirecto de datos aunque se utiliza el contenido de FSR. En la dirección está el registro TAR0 (Temporizador) que puede ser leído y escrito como cualquier otro registro. Puede incrementar su valor con una señal externa aplicada al pin T0CKI o mediante el oscilador interno. El PC ocupa la posición 2 del área de datos en donde se halla el registro PCL al que se añaden 3 bits auxiliares y se conectan con los dos niveles de la Pila en las instrucciones CALL y RETLW. El registro de Estado ocupa la posición 3 y entre sus bits se encuentran los señalizadores C, DC y Z y los bits PA1 y PA0 que seleccionan la página en la memoria de programa. El bit 7 (PA2) no está implementando en los PIC de la gama baja. FRS se ubica en la dirección 4 y puede usarse para contener la dirección del dato en las instrucciones con direccionamiento indirecto y también para guardar operandos en sus 5 bits de menos peso. Los registros que ocupan las posiciones 5 ,6 y 7 soportan los Puertos A, B y C de E/S. Pueden ser leídos y escritos como cualquier otro registro y manejan los valores de los bits que entran y salen por los pines de E/S del microcontrolador. Puertos de entrada / salida Los microprocesadores PIC16C5X tienen dos o tres puertos de entrada/salida paralelo de usos generales llamados Puerto A, Puerto B y Puerto C. El Puerto A es de cuatro bits y los demás son de 8 bits cada uno. El Puerto C solamente está disponible en el 16C55 y el 16C57. Circuito equivalente. El circuito equivalente de un bit cualquiera de un puerto de entrada salida es el siguiente:

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SISTEMAS DIGITALES

El latch L1 corresponde a un bit del registro de datos del puerto, mientras que L2 es un bit del registro de control de tristate del mismo. B1 es el buffer tristate de salida que tiene capacidad de entregar 20 mA y drenar 25 mA. B1 es controlado por L2. Si L2 tiene cargado un “1”, B1 se encuentra en tri-state, es decir con la salida desconectada (en alta impedancia), y el puerto puede ser usado como entrada. Si L2 tiene cargado un “0”, la salida de B1 está conectada (baja impedancia) y el puerto está en modo de salida. B2 es el buffer de entrada, es decir el que pone los datos en el bus interno del microcontrolador cuando se lee el registro de datos del puerto. Puede verse que el dato leído es directamente el estado del pin de entrada. Diagrama lógico. Diagrama lógico para los microcontroladores PIC16C54/56.

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SISTEMAS DIGITALES Temporizador/Contador (RTCC) Este dispositivo, llamado Real Time Clock / Counter, es básicamente un contador de 8 bits, constituido por el registro operacional RTCC que se encuentra en la posición 01 de la memoria de datos. Este registro puede usarse para contar eventos externos por medio de un pin de entrada especial (modo contador) o para contar pulsos internos de reloj de frecuencia constante (modo timer). Además, en cualquiera de los dos modos, se puede insertar un prescaler, es decir un divisor de frecuencia programable que puede dividir por 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 o 256. Este divisor puede ser utilizado alternativamente como prescaler del RTCC o como postscaler del Watch Dog Timer, según se lo programe. Para su programación se dispone de dos registros: el RTCC ya mencionado y el registro OPTION. Este último no es accesible como memoria de datos, no se lo puede leer de ninguna manera, y solo se lo puede escribir con la instrucción especial OPTION (familia PIC16C5X). Este registro contiene los bits necesarios para seleccionar modo contador o modo timer, flanco de conteo en modo contador, prescaler para RTCC o para WDT y constante de división del prescaler, según el siguiente esquema:

A continuación se muestra un circuito equivalente del RTCC (TMR0) y el prescaler.

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SISTEMAS DIGITALES

En el esquema se puede observar claramente cómo operan los bits de configuración T0SE, T0CS y PSA, en cualquiera de sus combinaciones. Se observa además que en la entrada del contador RTCC hay un circuito de sincronización que introduce una demora de dos ciclos del clock de instrucciones (Fosc. / 4). Al escribir sobre el RTCC automáticamente se resetea este circuito, por lo tanto solo se incrementara dos ciclos después. El prescaler es un contador asincrónico de 8 bits más un multiplexor 8 a 1 comandado por los bits PS0 a PS2, que permite seleccionar como salida a cualquiera de los bits del contador. Al escribir sobre el RTCC, si este está programado para operar con prescaler (PSA=0), se borra automáticamente el prescaler. Las instrucciones CLRWDT y SLEEP borran el prescaler, si este está programado para operar como postscaler del watch dog timer (PSA=1). Interrupciones Los 16CXX agregan la posibilidad de contar con sistema de interrupciones. Este sistema consiste en un mecanismo por el cual un evento interno o externo, asincrónico respecto del programa, puede interrumpir la ejecución de éste produciendo automáticamente un salto a una subrutina de atención, de manera que pueda atender inmediatamente el evento, y retomar luego la ejecución del programa exactamente en donde estaba al momento de ser interrumpido. Este mecanismo es muy útil por ejemplo para el manejo de timers o rutinas que deben repetirse periódicamente (refresh de display, antirebote de teclado, etc.), detección de pulsos externos, recepción de datos, etc. Existen de tres a doce eventos que pueden generar interrupciones en los PIC16CXX existentes hasta el momento, pero nada impide que puedan agregarse más en versiones futuras. Funcionamiento. En los 16CXX las interrupciones se comportan casi exactamente igual que las subrutinas.

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SISTEMAS DIGITALES Desde el punto de vista del control del programa, al producirse una interrupción se produce el mismo efecto que ocurriría si el programa tuviese un CALL 0004h en el punto en que se produjo la interrupción. En uno de los registros de control del sistema de interrupciones existe un bit de habilitación general de interrupciones GIE, que debe ser programado en 1 para que las interrupciones puedan actuar. Al producirse una interrupción, este bit se borra automáticamente para evitar nuevas interrupciones. La instrucción RETFIE que se utiliza al final de la rutina de interrupción, es idéntica a un retorno de subrutina, salvo que además coloca en uno automáticamente el bit GIE volviendo a habilitar las interrupciones. Dentro de la rutina de interrupción, el programa deberá probar el estado de los flags de interrupción de cada una de las fuentes habilitadas, para detectar cual fue la que causo la interrupción y así decidir qué acción tomar.

Fuentes. La señal que produce la interrupción es en realidad una sola, que resulta de la combinación de todas las fuentes posibles y de los bits de habilitación. Existen dos grupos de fuentes, unas que se habilitan con solo colocar en uno el bit GIE, y otras que además necesitan que este puesto a uno el bit PEIE. En algunas versiones de los 16CXX solo existe el primer grupo. Además, cada fuente de interrupciones tiene su respectivo bit de habilitación individual. Las fuentes de interrupción varían con cada versión, y pueden ser por ejemplo: • Interrupción externa por pin RB0/INT. • Desborde del Timer 0 o RTCC. • Cambio en el estado de los bits 4 a 7 del puerto B. • Desborde del timer 1. • Desborde del timer 2. • Interrupción del capture/compare 1.

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SISTEMAS DIGITALES • Interrupción del capture/compare 2. • Transmisión o recepción de un carácter por la interface serie sincrónica. • Transmisión o recepción de un carácter por la interface serie asincrónica. • Fin de conversión A/D. • Lectura/escritura del puerto paralelo de comunicación con otros

microprocesadores. • Escritura de EEPROM finalizada. Programa fuente: El programa fuente está compuesto por una sucesión de líneas de programa. Cada línea de programa está compuesta por 4 campos separados por uno o más espacios o tabulaciones. Estos campos son: [Etiqueta] Comando [Operando(s)] [; Comentario] La etiqueta es opcional. El comando puede ser un mnemónico del conjunto de instrucciones. El operando está asociado al comando, si no hay comando no hay operando, e inclusive algunos comandos no llevan operando. El comentario es opcional para el compilador aunque es buena práctica considerarlo obligatorio para el programador. La etiqueta, es el campo que empieza en la primera posición de la línea. No se pueden insertar espacios o tabulaciones antes de la etiqueta sino será considerado comando. Identifica la línea de programa haciendo que el compilador le asigne un valor automáticamente. Si se trata de una línea cuyo comando es una instrucción de programa del microcontrolador, se le asigna el valor de la dirección de memoria correspondiente a dicha instrucción (location counter). En otros casos se le asigna un valor de una constante, o la dirección de una variable, o será el nombre de una macroinstrucción, etc. El comando puede ser un código mnemónico de instrucción del microcontrolador, o una directiva o pseudoinstrucción para el compilador. En el primer caso será directamente traducido a código de máquina, en el segundo caso será interpretado por el compilador y realizara alguna acción en tiempo de compilación como ser asignar un valor a una etiqueta, etc.

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SISTEMAS DIGITALES El campo de parámetros puede contener uno o más parámetros separados por comas. Los parámetros dependen de la instrucción o directiva. Pueden ser números o literales que representen constantes o direcciones. El campo de comentario debe comenzar con un carácter punto y coma. No necesita tener espacios o tabulaciones separándolo del campo anterior, e incluso puede empezar en la primera posición de la línea. El compilador ignora todo el texto que contenga la línea después de un carácter punto y coma. De esta manera pueden incluirse líneas que contengan solo comentarios, y es muy buena práctica hacer uso y abuso de esta posibilidad para que los programas resulten autodocumentados. Conjunto de instrucciones El conjunto de instrucciones de los microprocesadores PIC 16C5X consiste en un pequeño repertorio de solo 33 instrucciones de 12 bits, que pueden ser agrupadas para su estudio en tres a cinco grupos. En este curso se ha optado por clasificarlas, desde el punto de vista del programador, en cinco categorías bien definidas de acuerdo con la función y el tipo de operandos involucrados. En primer lugar se agrupan las instrucciones que operan con bytes y que involucran algún registro de la memoria interna. En segundo lugar se analizaran las instrucciones que operan solo sobre el registro W y que permiten cargarle una constante implícita o incluida literalmente en la instrucción (literales). En tercer lugar se agrupan las instrucciones que operan sobre bits individuales de los registros de la memoria interna. En cuarto lugar se clasifican las instrucciones de control de flujo del programa, es decir las que permiten alterar la secuencia lineal de ejecución de las instrucciones. Por último se agrupan unas pocas instrucciones que llamaremos especiales, cuyas funciones o tipos de operandos son muy específicos y no encajan en ninguna de las clasificaciones anteriores. Instrucciones de Byte que operan con Registros. Estas instrucciones pueden ser de simple o doble operando de origen. El primer operando de origen será siempre el registro seleccionado en la instrucción, el segundo, en caso de existir, será el registro W. El destino, es decir donde se guardara el resultado, será el registro seleccionado o el W, según se seleccione con un bit de la instrucción. El formato genérico de estas instrucciones es el siguiente:

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SISTEMAS DIGITALES Los bits 0 a 4 (5 bits), denominados “f” permiten seleccionar uno de 32 registros de la memoria interna. El bit 5, denominado “d”, permite especificar el destino del resultado. Si d = 1 el resultado se guardara en el registro seleccionado. Si d = 0 el resultado se guardara en W. Los bits 6 a 11 identifican la instrucción específica a realizar. Las instrucciones siguientes son las tres operaciones lógicas de doble operando: ANDWF f,d ;operación AND lógica, destino = W _ f IORWF f,d ;operación OR lógica, destino = W _ f XORWF f,d ;operación XOR lógica, destino = W _ f Los nombres mnemónicos de estas instrucciones provienen de: AND W con F, Inclusive OR W con F y XOR W con F. Las que siguen son las cuatro operaciones aritméticas y lógicas sencillas de simple operando: MOVF f,d ;movimiento de datos, destino = f COMF f,d ;complemento lógico, destino = NOT f INCF f,d ;incremento aritmético, destino = f + 1 DECF f,d ;decremento aritmético, destino = f - 1 Los mnemónicos de estas instrucciones provienen de: MOVe File, COMplement File, INCrement File y DECrement File. En las siete instrucciones anteriores el único bit afectado de la palabra de estado del procesador es el Z, que se pone en 1 si el resultado de la operación es 00000000, y se pone en 0 si el resultado tiene cualquier otro valor. A continuación siguen las dos instrucciones de rotación de bits a través del CARRY: RLF f,d ;rotación a la izquierda, destino = f ROT _ RRF f,d ;rotación a la derecha, destino = f ROT _ En estas operaciones (Rotate Left File y Rotate Right File) los bits son desplazados de cada posición a la siguiente, en sentido derecho o izquierdo. El desplazamiento es cerrado, formando un anillo, con el bit C (CARRY) de la palabra de estado.

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SISTEMAS DIGITALES En estas dos instrucciones, el único bit afectado de la palabra de estado del procesador es el bit C, que tomará el valor que tenía el bit 7 o el bit 0, según sea el sentido del desplazamiento. Estas instrucciones son muy útiles para la manipulación de bits, y además para realizar operaciones aritméticas, ya que en numeración binaria, desplazar un número a la izquierda es equivalente a multiplicarlo por 2, y hacia la derecha, a dividirlo por 2. La instrucción siguiente realiza el intercambio de posiciones entre los cuatro bits menos significativos y los cuatro más significativos (nibble bajo y nibble alto). SWAPF f,d ;intercambia nibbles, destino = SWAP f Esta instrucción (SWAP File) no afecta ninguno de los bits de la palabra de estado del procesador. Esta instrucción es muy útil para el manipuleo de números BCD empaquetados, en los que en un solo byte se guardan dos dígitos BCD (uno en cada nibble). Las dos operaciones que siguen son la suma y la resta aritméticas: ADDWF f,d ;suma aritmética, destino = f + W SUBWF f,d ;resta aritmética, destino = f - W Estas operaciones (ADD W a F y SUBstract W de F) afectan a los tres bits de estado C, DC y Z. El bit Z se pone en 1 si el resultado de la operación es 00000000, y se pone en 0 si el resultado tiene cualquier otro valor. La suma se realiza en aritmética binaria pura sin signo. Si hay un acarreo del bit 7, es decir que el resultado es mayor que 255, el bit C (carry) resulta 1, en caso contrario resulta 0. Si hay un acarreo del bit 3, es decir que la suma de las dos mitades (nibbles) menos significativas (bits 0 a 3) resulta mayor que 15, se pone en 1 el bit DC (digit carry), en caso contrario se pone en 0. Ejemplos:

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SISTEMAS DIGITALES

La resta se realiza sumando, en binario puro sin signo, el registro f más el complemento a dos de W (el complemento a 1, o complemento lógico, más 1). Ejemplos:

Equivalente a: Los bits de estado C y DC toman el valor normal correspondiente a la suma de f con el complemento a 2 de W. De esta manera el significado para la operación de resta resulta invertido, es decir que C (carry) es 1 si no hubo desborde en la resta, o dicho de otra manera, si el contenido de W es menor que el de f. El bit DC se comporta de manera similar, es decir que DC es 1 si no hubo desborde en la mitad menos significativa, lo que equivale a decir que el nibble bajo del contenido de W es menor que el del registro f. Las instrucciones que siguen son de simple operando, pero son casos especiales ya que el destino es siempre el registro seleccionado: CLRF f ;borrado de contenido, f = 0 MOVWF f ;copia contenido W _ f, f = W La instrucción CLRF (CLeaR File) afecta solo al bit Z que resulta siempre 0. La instrucción MOVWF (MOVe W a F) no afecta ningún bit de la palabra de estado. Instrucciones de Byte que operan sobre W y Literales. Estas instrucciones se refieren todas al registro W, es decir que uno de los operandos de origen y el operando de destino son siempre el registro W. En las instrucciones de este grupo que tienen un segundo operando de origen, este es

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SISTEMAS DIGITALES siempre una constante de programa literalmente incluida en la instrucción, llamada constante literal o simplemente literal. El formato genérico de estas instrucciones es el siguiente:

Los bits 0 a 7 especifican la constante literal de 8 bits que se utilizara en la operación. Las tres instrucciones que siguen son las operaciones lógicas tradicionales, similares a las que ya vimos anteriormente, pero realizadas entre una constante de programa y el registro W: IORLW k ; operación OR lógica, W = W _ k ANDLW k ; operación AND lógica, W = W _ k XORLW k ; operación XOR lógica, W = W _ k En estas tres instrucciones (Inclusive OR Literal W, AND Literal W y XOR Literal W) el único bit afectado de la palabra de estado del procesador es el Z, que se pone en 1 si el resultado de la operación es 00000000, y se pone en 0 si el resultado tiene cualquier otro valor. La instrucción que sigue sirve para cargar una constante de programa en el registro W: MOVLW k ;carga constante en W, W = K Esta (MOVe Literal W) instrucción no afecta ninguno de los bits de estado del procesador. La instrucción que sigue (CLeaR W) no correspondería incluirla en este grupo, y pertenece en realidad al primero, el de las instrucciones que operan sobre registros, ya que se trata de un caso especial de la instrucción CLRF, con destino W, y f = 0.

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SISTEMAS DIGITALES La incluimos aquí porque como se le ha asignado un mnemónico particular referido específicamente al registro W, creemos que, desde el punto de vista del programador, es más útil verla dentro del grupo de instrucciones referidas a W. CLRW; borra el contenido de W, W = 0 Al igual que en la instrucción CLRF, el único bit de estado afectado es el Z que resulta 1. Instrucciones de Bit. El formato genérico de estas instrucciones es el siguiente:

Los bits 0 a 4 (5 bits), denominados “f”, permiten seleccionar uno de 32 registros de la memoria interna. Los bits 5 a 7, denominados “b”, permiten especificar el número de bit (0 a 7) sobre el que se operara. Estas instrucciones operan solamente sobre el bit especificado, el resto de los bits del registro no son alterados. Estas instrucciones no tienen especificación de destino, ya que el mismo es siempre el registro seleccionado. BCF f,b ;borra el bit b de f ;bit f(b) = 0 BSF f,b ;coloca en uno el bit b de f ;bit f(b) = 1 Estas instrucciones (Bit Clear File y Bit Set File) no afectan ningún bit de la palabra de estado del procesador. Instrucciones de Control: GOTO k ;salto a la posición k (9 bits) del programa. Esta es la típica instrucción de salto incondicional a cualquier posición de la memoria de programa (que en la mayoría de los microprocesadores convencionales se llama JUMP). La constante literal k es la dirección de destino del salto, es decir la nueva dirección de memoria de programa a partir de la cual comenzarán a leerse las instrucciones después de ejecutar la instrucción GOTO. Esta instrucción simplemente carga la constante k en el registro PC (contador de programa). La única complicación de esta instrucción es que la constante k es de

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SISTEMAS DIGITALES solo 9 bits, mientras que el registro PC es de 11 bits, ya que en el 16C57 debe permitir direccionar una memoria de programa de 2 K. Los dos bits faltantes, bit 9 y 10 del PC, son tomados respectivamente de los bits de selección de página PA0 y PA1 de la palabra de estado. Este comportamiento particular hace que la memoria de programa aparezca como dividida en páginas de 512 posiciones como se verá más adelante. El programador debe tener en cuenta que antes de ejecutar una instrucción GOTO es posible que haya que programar los bits PA0 y PA1. La que sigue es la instrucción de llamado a subrutina: CALL k ;salto a la subrutina en la posición k (8 bits) Su comportamiento es muy similar al de la instrucción GOTO, salvo que además de saltar guarda en el stack la dirección de retorno de la subrutina (para la instrucción RETLW). Esto lo hace simplemente guardando en el stack una copia del PC incrementado, antes de que el mismo sea cargado con la nueva dirección k. La única diferencia con la instrucción GOTO respecto de la forma en la que se realiza el salto, es que en la instrucción CALL la constante k tiene solo 8 bits en vez de 9. En este caso también se utilizan PA0 y PA1 para cargar los bits 9 y 10 del PC, pero además el bit 8 del PC es cargado siempre con 0. Esto hace que los saltos a subrutina solo puedan realizarse a posiciones que estén en las primeras mitades de las páginas mencionadas. El programador debe tener en cuenta este comportamiento y asegurarse de ubicar las posiciones de inicio de las subrutinas en las primeras mitades de las páginas. La instrucción que aparece a continuación es la de retorno de subrutina: RETLW k ;retorno de subrutina con constante k, W = k Esta (RETurn con Literal in W) instrucción produce el retorno de subrutina con una constante literal k en el registro W. La operación que realiza consiste simplemente en sacar del stack un valor y cargarlo en el PC. Ese valor es el PC incrementado antes de realizar el salto, de la última instrucción CALL ejecutada, por lo tanto es la dirección de la instrucción siguiente a dicho CALL... Dado que el stack es de 11 bits, el valor cargado en el PC es una dirección completa, y por lo tanto se puede retornar a cualquier posición de la memoria de programa, sin importar como estén

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SISTEMAS DIGITALES los bits de selección de página. Esta instrucción además carga siempre una constante literal en el registro W. Ya que esta es la única instrucción de retorno de subrutina de los PIC16C5X, no hay en estos microprocesadores forma de retornar de una subrutina sin alterar el registro W. Por otro lado, y con una metodología especial de programación, un conjunto de sucesivas instrucciones RETLW puede ser usado como una tabla de valores constantes incluida en el programa (Ej.: tablas BCD/7 seg., hexa/ASCII, etc.). A continuación se presentan las dos únicas instrucciones de “salteo” (skip) condicional. Estas instrucciones son los únicos medios para implementar bifurcaciones condicionales en un programa. Son muy generales y muy poderosas ya que permiten al programa tomar decisiones en función de cualquier bit de cualquier posición de la memoria interna de datos, y eso incluye a los registros de periféricos, los puertos de entrada/salida e incluso la palabra de estado del procesador. Estas dos instrucciones reemplazan y superan a todo el conjunto de instrucciones de salto condicional que poseen los microprocesadores sencillos convencionales (salto por cero, por no cero, por carry, etc.). BTFSC f,b ;salteo si bit = 0, bit = f(0) _ saltea BTFSS f,b ;salteo si bit = 1, bit = f(1) _ saltea BTFSC (Bit Test File and Skip if Clear) saltea la próxima instrucción si el bit b del registro f es cero. La instrucción BTFSS (Bit Test File and Skip if Set) saltea si el bit es 1. Estas instrucciones pueden usarse para realizar o no una acción según sea el estado de un bit, o, en combinación con GOTO, para realizar una bifurcación condicional. Ejemplo 1:

Ejemplo 2:

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SISTEMAS DIGITALES

Las instrucciones que siguen son casos especiales de las de incremento y decremento vistas anteriormente. Estas instrucciones podrían categorizarse dentro del grupo de instrucciones orientadas a byte sobre registros (primer grupo), ya que efectivamente operan sobre los mismos, y el formato del código de la instrucción responde al de ese grupo, pero, a diferencia de las otras, pueden además alterar el flujo lineal del programa y por eso se les incluyó en este grupo. DECFSZ f,d ;decrementa y saltea sí 0, destino= f - 1, = 0 _ saltea INCFSZ f,d ;incrementa y saltea sí 0, destino= f + 1, = 0 _ saltea Estas dos instrucciones (DECrement File and Skip if Zero, e INCrement File and Skip if Zero) se comportan de manera similar a DECF e INCF, salvo que no afectan a ningún bit de la palabra de estado. Una vez realizado el incremento o decremento, si el resultado es 00000000, el microprocesador salteara la próxima instrucción del programa. Estas instrucciones se utilizan generalmente en combinación con una instrucción de salto (GOTO), para el diseño de ciclos o lazos (loops) de instrucciones que deben repetirse una cantidad determinada de veces. Ejemplo:

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SISTEMAS DIGITALES Instrucciones Especiales. En este grupo se reunieron las instrucciones que controlan funciones específicas del microprocesador o que actúan sobre registros especiales no direccionados como memoria interna normal. La instrucción que sigue es la típica NO OPERATION, existente en casi todos los microprocesadores. NOP ;no hace nada, consume tiempo Esta instrucción solo sirve para introducir una demora en el programa, equivalente al tiempo de ejecución de una instrucción. No afecta ningún bit de la palabra de estado. La siguiente es una instrucción específica de control de los puertos de entrada/salida. TRIS f ;carga el tristate control, TRISf = W Esta instrucción (TRIState) carga el registro de control de los buffers tristate de un puerto de entrada salida (data dirección register), con el valor contenido en W. El parámetro f debe ser la dirección de memoria interna del puerto, aunque el valor W no será cargado en el puerto sino en el registro de tristate del mismo. Los valores válidos para f son 4 y 5 en los 16C54/56 y 4, 5 y 6 en los 16C55/57. Esta instrucción no afecta ningún bit de la palabra de estado. La siguiente instrucción sirve para programar el registro OPTION que controla el RTCC y prescaler OPTION ;carga el registro OPTION, OPTION = W El registro OPTION no es accesible como memoria interna y solo se lo puede programar con esta instrucción. Esta instrucción no afecta ningún bit de la palabra de estado. La instrucción que sigue borra el contador del watch dog timer. Este registro tampoco está accesible como memoria, y esta es la única instrucción que lo modifica.

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SISTEMAS DIGITALES CLRWDT ;borra el watch dog timer, WDT = 0 Esta instrucción, además, coloca en uno los bits PD (power down) y TO (time-out) de la palabra de estado. La siguiente es una instrucción especial de control del microcontrolador que lo pone en el modo power down. En este modo el microprocesador se detiene, el oscilador se apaga, los registros y puertos conservan su estado, y el consumo se reduce al mínimo. La única forma de salir de este estado es por medio de un reset o por time-out del watch dog timer. SLEEP ;coloca el μC en modo sleep, WDT = 0 Esta instrucción, además, borra el bit PD (power down) y setea el bit TO (time-out) de la palabra de estado. Resumen de instrucciones (clasificación según el fabricante en tres grupos):

En esta tabla de resumen del conjunto de instrucciones se pueden observar los mnemónicos, la explicación, el número de ciclos, el código de máquina y los bits afectados del registro STATUS para cada una de las instrucciones.

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SISTEMAS DIGITALES Modos de direccionamiento. Direccionamiento de la memoria de datos (RAM). La memoria interna se direcciona en forma directa por medio de los 5 bits “f” contenidos en las instrucciones que operan sobre registros. De esta manera se puede direccionar cualquier posición desde la 00 a la 1F. Como se vio en el capítulo correspondiente a los mapas de memoria, las direcciones 10 a 1F corresponden a los bancos de registros, por lo tanto, en los microcontroladores que tengan más de un banco, antes de acceder a alguna variable que se encuentre en esta zona, el programador deberá asegurarse de haber programado los bits de selección de banco en el registro FSR. Los registros especiales y de uso general de la posición 00 a la 0f están presentes en todos los PIC16C5X, al igual que el banco 0 de registros. Los bancos 1, 2 y 3 de registros están presentes solo en el 16C57. El registro FSR, además de servir para seleccionar el banco activo, sirve como puntero para direccionamiento indirecto. La posición 00 del mapa de RAM es la llamada dirección indirecta. Sí en cualquier instrucción se opera con la dirección 00, en realidad se estará operando con la dirección a donde apunte el contenido del FSR. Por ejemplo si el FSR contiene el valor 14, una instrucción que opere sobre la dirección 0, operara en realidad sobre la dirección 14. Se puede decir en este ejemplo que la posición 14 de memoria fue direccionada en forma indirecta a través del puntero FSR. Ejemplo:

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SISTEMAS DIGITALES El direccionamiento indirecto es muy útil para el procesamiento de posiciones consecutivas de memoria, como en el ejemplo, o para el direccionamiento de datos en subrutinas. Direccionamiento de la memoria de programa (EPROM, OTP). La instrucción GOTO dispone solo de 9 bits en el código de operación para especificar la dirección de destino del salto. Al ejecutar una instrucción GOTO el microprocesador toma los dos bits que restan para completar la dirección de 11 bits, de los bits 5 y 6 de la palabra de estado. Estos últimos son llamados bits de selección de página (PA0 y PA1). El programador deberá asegurarse de que estos dos bits tengan el valor correcto antes de toda instrucción GOTO. Ver figura.

Deberá tenerse en cuenta además que es posible avanzar de una página a otra en forma automática cuando el PC se incrementa. Esto ocurre si el programa empieza en una página y sigue en la siguiente. Sin embargo, al incrementarse el PC desde la última posición de una página a la primera de la siguiente, los bits PA0 y PA1 no se modifican, y por lo tanto sí se ejecuta una instrucción GOTO, CALL o alguna que actúe sobre el PC, esta producirá un salto a la página anterior, a menos que el programador tenga la precaución de actualizar el valor de dichos bits. Por este motivo es conveniente dividir el programa en módulos o rutinas que estén confinados a una página. En el caso de la instrucción CALL, el direccionamiento se complica un poco más, ya que la misma solo dispone de 8 bits para especificar la dirección de destino salto. En este caso también se utilizan los mismos bits de selección de página para completar los bits décimo y decimoprimero de la dirección, pero falta el noveno bit. En estas instrucciones este bit se carga siempre con 0, lo que implica que solo se pueden realizar saltos a subrutina a las mitades inferiores de cada página. En este caso también el programador deberá asegurarse que el estado de los bits PA0 y PA1 sea el correcto al momento de ejecutarse la instrucción. Ver figura.

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SISTEMAS DIGITALES

Las instrucciones que operan sobre el PC como registro y alteran su contenido provocando un salto, responden a un mecanismo muy similar al de las instrucciones CALL para la formación de la dirección de destino. En este caso los bits 0 a 7 son el resultado de la instrucción, el bit 8 es 0 y los bits restantes se toman de PA0 y PA1. Este mecanismo se llama paginado, y a pesar de que representa una complicación bastante molesta para el programador, resulta muy útil ya que permite ampliar la capacidad de direccionamiento de memoria de programa para las instrucciones de salto. HERRAMIENTAS DE DESARROLLO. UNA MIRADA RÁPIDA AL MPLAB. ¿Qué es el MPLAB? EL MPLAB es un “Entorno de Desarrollo Integrado “(Integrated Development Environment, IDE) que corre en “Windows “, mediante el cual Usted puede desarrollar aplicaciones para los microcontroladores de las familias PIC 16/17. EL MPLAB le permite a Usted escribir, depurar y optimizar los programas (firmware) de sus diseños con PIC 16/17. EL MPLAB incluye un editor de texto, un simulador y un organizador de proyectos. Además, el MPLAB soporta el emulador PICMASTER y a otras herramientas de desarrollo de Microchip como el PICSTART - Plus. ¿De qué forma le ayuda el MPLAB? Con el MPLAB Usted puede: • Depurar sus programas fuente. • Detectar errores automáticamente en sus programas fuente para editarlos. • Depurar los programas utilizando puntos de corte (breakpoints) mediante

valores de los registros internos.

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SISTEMAS DIGITALES • Observar el flujo del programa con el simulador MPLAB -SIM, o seguirlo en

tiempo real utilizando el emulador PICMASTER. • Realizar medidas de tiempo utilizando un cronómetro. • Mirar variables en las ventanas de observación. • Encontrar respuestas rápidas a sus preguntas, utilizando la Ayuda en línea del

MPLAB. LAS HERRAMIENTAS DEL MPLAB. El Organizador de Proyectos (Proyect Manager). El organizador de proyectos (Proyect Manager) es parte fundamental de MPLAB. Sin crear un proyecto Usted no puede realizar depuración simbólica. Con el Organizador de Proyectos (Proyect manager) puede utilizar las siguientes operaciones: • Crear un proyecto. • Agregar un archivo de programa fuente de proyecto. • Ensamblar o compilar programas fuente. • Editar programas fuente. • Reconstruir todos los archivos fuente, o compilar un solo archivo. • Depurar su programa fuente. Software ensamblador: El software ensamblador que presenta Microchip viene en dos presentaciones, una, para entorno DOS llamado MPASM.EXE y la otra, para entorno Windows llamado MPASMWIN.EXE Las dos presentaciones soportan a TODOS los microcontroladores de la familia PIC de Microchip. El conjunto de instrucciones de los microcontroladores PIC es en esencia la base del lenguaje ensamblador soportado por este software. Directivas de uso frecuente: Son instrucciones para el compilador. #DEFINE ej. #define <nombre> [<valor a remplazar>]

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SISTEMAS DIGITALES explicación: declara una cadena de texto como substituto de otra END ej. end explicación: indica fin de programa EQU ej. status equ 05 explicación: define una constante de ensamble INCLUDE ej. include <PIC16F84.h> explicación: incluye en el programa un archivo con código fuente ORG ej. org 0x100 explicación: ensambla a partir de la dirección especificada Para información más completa referirse a la guía rápida del MPASM. Una vez instalado adecuadamente el MPLAB, para realizar la simulación de un programa deben seguirse los siguientes pasos: Edite en un archivo de texto el siguiente programa:

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SISTEMAS DIGITALES

Vista típica del entorno MPLAB. Como en la mayoría de las aplicaciones Windows la pantalla se divide en varias secciones: 1. Barra de título: Se observa el nombre del proyecto. 2. Barra de menús: Acceso a las diferentes opciones del entorno. 3. Barra de herramientas: Cada ícono ejecuta las acciones correspondientes. 4. Barra de estados: Indica el estado del entorno y sus ventanas Simulación: 1. Resetear el procesador (menú Debug...Run...Reset) o con F6 o con el ícono

correspondiente en la barra de herramientas. 2. Crear una nueva ventana donde se incluyan las variables que queremos tener

en cuenta (Window...New Watch Window). 3. Empezar a correr paso a paso el programa haciendo el seguimiento detallado

de todos y cada uno de los pasos (menú Debug...Run...Step) o con la tecla F7 o con el ícono correspondiente en la barra de herramientas.

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SISTEMAS DIGITALES El proceso de simulación nos permite detectar y corregir problemas de lógica, problemas de situaciones que no hayamos tenido en cuenta que son errores que no pueden ser detectados en el momento del ensamble del programa. Nota: El programa MPLAB puede obtenerse en forma gratuita de la dirección: http://www.microchip.com/10/Tools/mTools/MPLAB/index.htm Subrutinas y llamadas. IMPORTANCIA DE LAS RUTINAS (*) La mayoría de los microcontroladores incluyen en su repertorio de instrucciones algunas que permiten saltar a una rutina y, cuando se complementa su ejecución, retornar al programa principal. El empleo de subrutinas aporta muchas ventajas entre las que se destacan las siguientes: 1. Se pueden escribir como subrutinas secciones de código y ser empleadas en

muchos programas (por ejemplo, la subrutina de exploración de un teclado). 2. Dan a los programas un carácter modular, es decir, se pueden codificar

diferentes módulos para usarlos en cualquier programa. 3. Se reduce notablemente el tiempo de programación, la detección de errores,

usando repetidamente una subrutina. 4. El código es más fácil de interpretar, dado que las instrucciones de las

subrutinas no aparecen en el programa principal. Solo figuran las llamadas CALLs.

LAS INSTRUCCIONES CALL Y RETURN (*). La instrucción CALL (llamada la subrutina) consigue que la ejecución del programa continúe en la dirección donde se encuentra la subrutina a la que hace referencia. Es similar a GOTO pero coloca en la pila la dirección de la siguiente instrucción que se debe ejecutar después de la CALL. La subrutina finaliza con la instrucción RETURN (Retorno de la subrutina) que retoma la dirección guardada en le pila y la coloca en el contador del programa PC continuando el flujo de control con la instrucción que sigue a la CALL.

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SISTEMAS DIGITALES En la familia PIC de gama media la pila tiene ocho niveles de memoria del tipo FIFO (Primero en entrar, último en salir). Si se produce la llamada a una subrutina durante la ejecución de otra subrutina, la dirección de retorno de esta segunda es colocada en la cima de la pila sobre la dirección anterior. Esta segunda dirección es la primera en salir de la pila mediante la instrucción RETURN. Con la pila de ocho niveles, una subrutina puede llamar a otra y ésta, a su vez, llamar a otra hasta un máximo de ocho. La gama baja sólo puede realizar dos llamadas de este tipo al poseer una pila de sólo dos niveles. Las subrutinas deben colocarse al comienzo de las páginas debido a que el bit 8 del contador del programa es puesto a 0 por la instrucción CALL (o por cualquier instrucción que modifica el PC). Las subrutinas deben colocarse en la mitad inicial de las páginas (las 256 palabras). Consulta a tablas En muchas ocasiones es necesario para un programador efectuar una coincidencia entre alguna cantidad de valores conocidos y un número desconocido que se tiene como índice, por ejemplo, basados en el contenido de una posición de memoria RAM (índice) se puede obtener de una serie consecutiva de datos almacenados en memoria de programa (a estos datos "conocidos" almacenados se le denomina tabla), el dato desplazado n posiciones adelante del comienzo de esta tabla, este número n corresponde al contenido de la posición de memoria RAM o índice. Programa ejemplo:

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Finalmente y luego de observar el ejemplo anterior, podemos anotar que antes de hacer el llamado a la subrutina tabla, se debe cargar en el registro de trabajo W el valor del índice y una vez se retorne de dicha subrutina, es en este mismo registro de trabajo en donde se obtiene el resultado de la consulta a la tabla (vemos que la sucesión de instrucciones retlw k se encuentra en memoria de programa). Conversión a ASCII. El conjunto de caracteres ASCII (American Standard Code for Information Interchange) es el código de representación en hexadecimal del alfabeto, los números del 0 al 9 y los principales símbolos de puntuación y algunos caracteres de control. Ver Tabla.

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Como se observa en la tabla, podemos dividir a cada carácter representado en hexadecimal como una parte alta de 3 bits (Most significant character) y una parte baja de 4 bits (Least significant character), o sea, la representación total se hace con solo 7 bits. De los problemas usuales en la programación está el convertir un número hexadecimal representado en 8 bits a dos caracteres ASCII los cuales sean la representación de dicho número para permitir la visualización en terminales de datos tales como Monitores de video o Impresoras entre otras. Ejemplo: Se quiere representar el número hexadecimal 70h cuya representación en binario es 01110000b como los dos caracteres ASCII "7" y "0", gráficamente:

Transportándolo a un programa:

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Se debe tener en cuenta que el ejemplo anterior funciona en forma correcta siempre y cuando lo nibbles del número hxadecimal a convertir, estén en el rango de 0 a 9, debe realizarse un tratamiento adicional a estos si se encuentran en el rango de Ah a Fh. Realice en un programa esta condición. Ramificación múltiple. Cuando se tiene que solucionar un diagrama de flujo como el de la figura en el cual tenemos tres posibles respuestas a una pregunta, se plantean las soluciones aquí presentadas.

Una de las formas de solucionar en un programa este problema es:

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SISTEMAS DIGITALES Determinando para la opción 1, la opción 2 y la opción 3 un valor consecutivo como:

Uno de estos posibles valores llevarlos a W y en una parte del programa tratarlos así:

Solución #2 Otra forma posible es comparando una por una los valores de las diferentes opciones almacenadas en memoria RAM en una variable llamada OPCIÓN.

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Aunque este último método es más largo que el anterior, permite que los valores de las diferentes opciones no sean consecutivos entre sí. Aritmética. Dentro de los microcontroladores PIC se cuenta con instrucciones aritméticas tales como ADDWF y ADDLW, SUBWF y SUBWF, para efectuar operaciones de suma y resta respectivamente e instrucciones tales como RLF y RRF para realizar operaciones de rotación a través del carry con las cuales se pueden realizar divisiones entre 2 y multiplicaciones por 2 respectivamente, hasta este punto

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SISTEMAS DIGITALES podríamos ver el conjunto de instrucciones un poco limitado, sin embargo, utilizando técnicas avanzadas de programación podemos obtener operaciones más complejas. Temporización Existen momentos dentro de la programación en los que se necesita realizar un retardo de tiempo. Los retardos de tiempo se pueden obtener mediante hardware o por medio de ciclos repetitivos basados en software. La precisión de los retardos generados por software depende en esencia del tipo de oscilador que se utilice como base de tiempo en el microcontrolador, la mayor precisión se obtiene de los cristales de cuarzo. La velocidad a la que se ejecuta el código (instrucciones) depende de la velocidad del oscilador y del número de ciclos de máquina ejecutados. Las instrucciones necesitan 1 o 2 ciclos de máquina para ser ejecutadas. Un ciclo de máquina es un tiempo utilizado por el microcontrolador para realizar sus operaciones internas y equivale a cuatro ciclos del oscilador. Por tanto: Tciclo máq.= 4 * Tosc ___ Tciclo máq = 4 / fosc El número de ciclos de máquina utilizados por una instrucción para ser ejecutada depende de la misma. Las instrucciones que modifican el contador de programa necesitan dos (2) ciclos de máquina, mientras que todas las demás necesitan tan solo uno (1). El hecho de generar ciclos repetitivos por medio del programa y calcular el tiempo total de ejecución nos puede ayudar a generar tiempos precisos.

El ciclo repetitivo de retardo de la figura se tomará un número de ciclos así:

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Por cada instrucción agregada debe incluirse en la cuenta total el número de ciclos correspondiente a dicha instrucción. Trabajando a 4 Mhz y asumiendo que k se remplaza por el valor 15d en el ejemplo tendríamos un tiempo igual a: Número de ciclos = (3*15) +1 = 46 ciclos de máquina, Tciclo máq.= 4 / 4 Mhz = 1 μ segundo, el tiempo total del ejemplo entonces será 46 μsegundos. Operaciones Entrada / Salida Objetivos: • Verificar el modo en el que se debe programar el sentido de los puertos. • Realizar la entradas por puerto mediante la lectura de interruptores "dip-switch" • Escribir sobre un puerto de salida visualizando sobre LEDs

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SISTEMAS DIGITALES En el proceso de utilización de un puerto debe tenerse en cuenta como primera instancia la programación del sentido en que dicho puerto va a utilizarse. Una vez energizado el microcontrolador todos y cada uno de los puertos quedan programados como entrada, entonces, tan solo deben programarse los que se quieren utilizar como salida. En el hardware de la figura se observa que se han colocado 4 dip switch al puerto B y estos no poseen resistencia de pull up lo cual nos obliga a habilitar las resistencias internas con las que cuenta el microcontrolador PIC16F84, el programa debe entonces en un repetitivo infinito leer el nivel lógico que colocan los switch y pasar este resultado al puerto A complementando el estado de la información puesto que de acuerdo a la disposición de los LEDs un estado bajo en el puerto enciende el LED correspondiente y por ende un estado alto en el puerto, apaga el LED. Programa:

En un proceso de lectura de interruptores, casi siempre cuando se detecta un cambio en el estado, es aconsejable amortiguar la lectura de estos con un retardo de software. Dependiendo de la calidad del interruptor el tiempo del retardo puede estar alrededor de 50 ms. En el caso de este ejercicio en particular no es requerido puesto que un cambio en el interruptor debe reflejarse inmediatamente en el

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SISTEMAS DIGITALES puerto de salida. Se debe tener en cuenta que nunca una entrada debe quedar al aire puesto que los microcontroladores PIC son hechos con tecnología CMOS. Es por este motivo que en el programa se programó la parte alta del puerto B como salida. Visualización 7 segmentos Objetivos: • Realizar la decodificación de BCD a 7 segmentos por software. • Multiplexar en el tiempo la información para 2 dígitos 7 segmentos.

Procedimiento: El hecho de visualizar datos en display de 7 segmentos de la forma en que se muestra en la figura obliga a interconectar entre si los pines correspondientes a los segmentos del dígito 1 (d1) con los pines de los segmentos del dígito 2 (d2), de esta manera se ahorran líneas de conexión. El método utilizado para la visualización dinámica consiste en visualizar cada dígito durante un instante de tiempo y a una velocidad tal que gracias a la persistencia del ojo el efecto final es que todos los dígitos están encendidos al tiempo.

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Diagrama de flujo para visualización dinámica en display 7 segmentos de

dos dígitos.

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SISTEMAS DIGITALES Listado del programa del display en assembler.

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El listado anterior debe colocarse en un archivo llamado display.asm, en el programa que se va a utilizar incluirlo con una línea del tipo: #include <display.asm> y llamarlo desde el programa con una línea: call display sin olvidar cargar previamente las variables dato1 y dato2 con los valores hexadecimales que se desea visualizar. Servicio de interrupción Objetivos: • Encender y apagar un LED como respuesta a un estímulo de interrupción. • Determinar la forma en que debe colocarse el código en el programa fuente

para aceptar y atender una rutina de interrupción.

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SISTEMAS DIGITALES Procedimiento: Para ejemplificar el uso de un servicio de interrupción se ha dispuesto el hardware de la figura 4.3.1 en el cual se decide utilizar la interrupción externa INT (RB0) en un PIC16F84, esta interrupción está vectorizada a la dirección de memoria de programa 004h, dentro de la atención a esta interrupción se opta por complementar el estado del LED colocado al puerto RA0 cada vez que esta sea atendida. Diagrama electrónico:

Diagrama de flujo:

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SISTEMAS DIGITALES Listado del programa en assembler:

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SISTEMAS DIGITALES El símbolo $ significa la dirección de memoria de programa en donde se encuentra éste (ciclo infinito de espera). Debe notarse la ubicación de la rutina de interrupción a partir de la posición de memoria de programa 004h. Conversión A/D Objetivos: • Realizar la observación práctica de la utilización del conversor A/D en un

PIC16C71. • Configurar uno de los canales de entrada al conversor A/D (canal 0) Procedimiento: Para realizar la observación práctica mencionada en los objetivos, se realiza el montaje de un voltímetro digital AC el cual utiliza el canal análogo 0 como entrada de la muestra DC tomada de un divisor de voltaje. De acuerdo a la relación del divisor de tensión conformado con el reóstato Ajuste y de las resistencias, debe obtenerse un voltaje máximo de 5 voltios en el pin RA0, correspondiente a la máxima entrada de voltaje alterno colocado en VAC in. Diagrama eléctrico:

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SISTEMAS DIGITALES Listado del programa en assembler.

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SISTEMAS DIGITALES El programa presentado hace uso de los recursos que posee el PIC16C71 el cual posee 4 canales análogos y un conversor A/D de 8 bits; para mayor información ver las especificaciones técnicas de este dispositivo. Comunicación serial. Objetivos: • Verificar la comunicación serial síncrona y asíncrona. • Comprobar los algoritmos de comunicación serial. En vista de que algunos de los elementos de la familia PIC16CXXX no poseen periféricos de comunicación serial, este capítulo hará referencia al desarrollo del algoritmo como tal simulando los pines de comunicación serial con puertos del microcontrolador. Comunicación serial síncrona: La comunicación síncrona se caracteriza porque los pulsos de sincronización deben ser transmitidos a lo largo de la línea de comunicación entre el transmisor y el receptor. Dentro de los varios tipos de comunicación serial síncrona vamos a notar el protocolo I2C o de dos hilos y el protocolo SPI o de tres hilos.

Nomenclatura de los pines de comunicación (síncronos).

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SISTEMAS DIGITALES El bus I2C es un bus diseñado para que sobre éste puedan colocarse varios dispositivos dentro de la misma tarjeta electrónica (comunicación multipunto), cada dispositivo tendrá una dirección lógica asignada físicamente mediante los pines A0, A1 y A2 de acuerdo al nivel lógico al que estos sean alambrados. Ver estos pines en la figura a.

Bits de START y STOP del protocolo I2C. En la figura anterior se observa la forma en que las señales SCL y SDA deben ser manejadas. Para iniciar la comunicación sobre un dispositivo I2C debe realizarse la secuencia denominada bit de START que consiste en pasar la línea de datos SDA de nivel alto a bajo mientras que la línea SCL permanece en alto. Para la culminar la comunicación con el dispositivo I2C debe ejecutarse la secuencia denominada bit de STOP la cual consiste en pasar la línea de datos SDA de nivel bajo a alto mientras que la línea de reloj SCL permanece en alto. Un bit de datos es aceptado por el dispositivo mientras que sobre la línea de datos SDA permanece el nivel adecuado al bit en cuestión, y sobre la línea de reloj SCL se lleva a cabo un pulso, es decir, el paso de nivel de bajo a alto y luego de alto a bajo. Los tiempos implicados en esta secuencia dependen básicamente del fabricante del dispositivo.

Temporización en el bus I2C SPI. El bus SPI es un bus diseñado para que sobre éste se coloque un dispositivo maestro y un dispositivo esclavo (comunicación punto a punto) ver figura b. Con

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SISTEMAS DIGITALES relación al bus I2C podemos notar que éste soporta mayor velocidad de comunicación.

El dispositivo SPI posee como observamos la figura, una línea de selección CS la cual debe pasar al nivel lógico activo (en este caso bajo) para poder realizar la comunicación con el dispositivo. Desde este punto de vista podríamos colocar sobre un bus de este tipo varios dispositivos, pero utilizando un dispositivo decodificador adicional. Otra línea podemos observar es la línea HOLD la cual permite al procesador detener momentáneamente la comunicación, ver figura.

Utilización de la línea HOLD

Comunicación serial asíncrona: En este tipo de comunicación tanto el transmisor como el receptor tienen incluido el reloj de sincronización de tal forma que no se transmite a lo largo de la línea de comunicación.

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Nomenclatura de los pines básicos (asíncronos) Exploración de teclado.

Hardware correspondiente al experimento de exploración de teclado

Para la lectura del teclado debemos tener en cuenta la disposición de las filas y las columnas como se observa en la figura con la cual realizando la operación allí descrita se debe obtener un número consecutivo de las teclas en la organización aquí mostrada. Luego, mediante el acceso a una tabla se decodifica la tecla leída para obtener el patrón final observado en el diagrama del hardware. Ej. Sí se oprimiese la tecla C del teclado, el código de exploración correspondiente a esta es el 13d que debe ser representado como el 1100b en las salidas DCBA.

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Distribución del teclado, numeración en filas y columnas y la fórmula para hallar la tecla oprimida. En este experimento se realiza la emulación del integrado decodificador de teclado 74C922 en cuanto a su funcionamiento, pero de acuerdo a la configuración de hardware de la figura anterior. Listado del programa para exploración de teclado: list p=16f84 #include <p16f84.inc> ;archivo de encabezado por Microchip® ; ;ESTE PROGRAMA EMULA UN 74C922 DECODIFICADOR DE TECLADO ; CONTFIL EQU 0x12 ;Contador de Filas CONTCOL EQU 0x13 ;Contador de Columnas COLKBD EQU 0x14 ;DATO EN COLUMNAS Temp EQU 0x15 R1 EQU 0x16 ;Variable para Retardo R2 EQU 0x17 ;Variable para Retardo R3 EQU 0x18 ;Variable para Retardo R4 EQU 0x19 ;Variable para Retardo COUNT EQU 0x1A CHAR EQU 0x1B ;Almacenamiento temporal SCAN AUX EQU 0x1C ;Variable Auxiliar #define _z STATUS,2 #define _c STATUS,0 #define OE PORTA,4 #define BANK0 bcf STATUS,RP0 #define BANK1 bsf STATUS,RP0 ; ;:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::

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SISTEMAS DIGITALES ORG 0x00 MAIN BANK1 CLRF TRISA BANK0 CLRF PORTA NOP NOP Muestre BCF OE RUSCAN CALL SCAN XORLW 0x00 ;espera una Tecla BTFSC _z GOTO Muestre MOVWF PORTA MOVLW .50 MOVWF COUNT LOOPSCAN CALL DEL5MS DECFSZ COUNT,1 GOTO LOOPSCAN GOTO RUSCAN ;************************************************************************ *** DEL5MS MOVLW .12 MOVWF R1 MOVLW 7 MOVWF R2 MOVLW 1 MOVWF R3 MOVLW 1 MOVWF R4 LOOPDEL5 DECFSZ R1,F GOTO LOOPDEL5 DECFSZ R2,F GOTO LOOPDEL5 DECFSZ R3,F GOTO LOOPDEL5

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SISTEMAS DIGITALES DECFSZ R4,F GOTO LOOPDEL5 NOP RETURN ;*************************************************************** ;RETORNA W=00 NO HAY TECLA OPRIMIDA, ;RETORNA W=COD SI TECLA OPRIMIDA. ;************************************************************** SCAN BANK1 MOVLW 0x0F ;el puerto que lee teclado <0:3> filas (in) MOVWF TRISB BANK0 MOVLW 0x01 MOVWF CONTCOL MOVLW 0x7F MOVWF COLKBD RSTFIL CLRF CONTFIL ;RESET CONT FILAS MOVF COLKBD,W MOVWF PORTB ;COLOCAR UN CERO EN COLUMNAS nop nop nop MOVF PORTB,W ;LEER FILAS DE TECLADO MOVWF AUX RLF AUX,F RLF AUX,F RLF AUX,F RLF AUX,F TESTFIL RLF AUX,F BTFSS _c GOTO ACERTADO INCF CONTFIL,F MOVF CONTFIL,W XORLW 0x04 BTFSS _z GOTO TESTFIL BSF _c RRF COLKBD,F ;rotacion del cero a colocar

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SISTEMAS DIGITALES INCF CONTCOL,F MOVF CONTCOL,W XORLW 0x05 BTFSS _z GOTO RSTFIL RETLW 0x00 ACERTADO MOVF CONTFIL,W XORLW 0x00 BTFSC _z GOTO ESCERO MOVLW 0x00 MUL ADDLW 0x04 DECFSZ CONTFIL GOTO MUL SUMACOL ADDWF CONTCOL,W CALL TABKBD RETURN TABKBD addwf PCL,F retlw 0 ;inválido retlw 0x10 retlw 0x11 retlw 0x12 retlw 0x13 retlw 0x14 retlw 0x15 retlw 0x16 retlw 0x17 retlw 0x18 retlw 0x19 retlw 0x1A retlw 0x1B retlw 0x1C retlw 0x1D retlw 0x1E retlw 0x1F ESCERO MOVLW 0x00

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SISTEMAS DIGITALES GOTO SUMACOL end Regulación de velocidad de motor D.C. Por medio de la presente práctica se pretende hacer la variación de la velocidad a un motor DC aplicando un voltaje variable a este por medio del método de modulación por ancho de pulso o PWM.

Onda rectangular y sus características. El método de modulación por ancho de pulso está basado en la obtención de un voltaje DC variable a partir de una onda rectangular de frecuencia constante y ciclo útil variable, de tal manera que:

Vdc = (Ciclo útil) * Vm ó Vdc = (ton/T) * Vm Siendo:

ton: el tiempo en alto de la onda cuadrada T: el periodo de la onda rectangular (T = ton + toff) Vm: el voltaje máximo de la onda

Se puede concluir a partir de esta simple ecuación que sí hacemos variar el ciclo útil de la onda rectangular obtendremos una variación en el voltaje promedio y sí este es aplicado como alimentación del motor DC, el efecto será el de la variación de la velocidad. Para la aplicación de este principio nos basamos en el siguiente circuito:

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SISTEMAS DIGITALES

El programa que comanda sobre este Hardware funciona basado en el pulsador S1 como control de 10 pasos discretos de velocidad los cuales son indicados sobre el display 7 segmentos (0 a 9) y cuyo efecto final se observa directamente en la velocidad del motor M1. Listado del programa LIST P= 16F84 #INCLUDE<P16F84.INC> DIG EQU 0CH VROFF EQU 0DH VRON EQU 0EH CONT1 EQU 0FH CONT2 EQU 10H X EQU .250 Y EQU .12 ;************************************************************** *********** INICIO BSF STATUS,RP0 ; PROGRAMACIÓN DEL SENTIDO DE PUERTOS CLRF TRISB MOVLW B'11100001' MOVWF TRISA BCF STATUS,RP0

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SISTEMAS DIGITALES MOVLW 00H MOVWF DIG BCF PORTA,4 DIS_LOOP: CALL DISPLAY ; VISUALIZACIÓN DE DIGITO BTFSC PORTA,0 ; LA TECLA ESTA OPRIMIDA? GOTO RMOTOR CALL RETAR ; TIEMPOS DE ANTIREBOTE CALL RETAR CALL RETAR CALL RETAR CALL RETAR CALL RETAR CALL RETAR CALL RETAR CALL RETAR CALL RETAR CALL RETAR INCF DIG,1 MOVLW .11 XORWF DIG,0 BNZ RMOTOR CLRF DIG RMOTOR CALL MOTOR GOTO DIS_LOOP ;************************************************************** *********** DISPLAY MOVF DIG,0 CALL TABLA MOVWF PORTB RETURN ;************************************************************** *********** TABLA: ; TABLA DE DATOS PARA DECODIFICACIÓN A SIETE SEGMENTOS ADDWF PCL,1 RETLW 0x3F RETLW 0x06 RETLW 0x5B RETLW 0x4F RETLW 0x66 RETLW 0x6D

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SISTEMAS DIGITALES RETLW 0x7D RETLW 0x07 RETLW 0x7F RETLW 0x6F RETLW 0x77 ;************************************************************** ************ MOTOR: ; ACTIVA MOTOR CON TIEMPOS: Ton Y Toff MOVF DIG,0 SUBLW .10 MOVWF VROFF CLRW XORWF DIG,0 BZ OFFMOTOR MOVF DIG,0 MOVWF VRON BSF PORTA,4 ; ENCIENDE EL MOTOR MOTOR1: CALL RETAR DECFSZ VRON,1 GOTO MOTOR1 OFFMOTOR BCF PORTA,4 ; APAGA MOTOR MOVF DIG,0 XORLW .10 BZ MOTOR3 MOTOR2 CALL RETAR DECFSZ VROFF,1 GOTO MOTOR2 MOTOR3 RETURN ;************************************************************** ************* RETAR MOVLW X MOVWF CONT1 CICLO1 MOVLW Y MOVWF CONT2 CICLO2 DECFSZ CONT2,1 GOTO CICLO2

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SISTEMAS DIGITALES DECFSZ CONT1,1 GOTO CICLO1 RETURN ;************************************************************** ************** END Periféricos Inteligentes: Módulo LCD Los módulos LCD están compuestos básicamente por una pantalla de cristal líquido y un circuito microcontrolador especializado el cual posee los circuitos y memorias de control necesarias para desplegar el conjunto de caracteres ASCII, un conjunto básico de caracteres japoneses, griegos y algunos símbolos matemáticos por medio de un circuito denominado generador de caracteres. La lógica de control se encarga de mantener la información en la pantalla hasta que ella sea sobre escrita o borrada en la memoria RAM de datos. La pantalla de cristal líquido está conformada por una o dos líneas de 8, 16, 20, 24 ó 40 caracteres de 5x7 pixels c/u. El microcontrolador especializado puede ser el modelo HITACHI 44780, o el modelo HITACHI 44100. También existen módulos LCD con IC's implantados directamente sobre el PCB (POWERTIP®). Estos módulos poseen a través de estos CI's una interface paralela para ser comandada desde un microcontrolador, microprocesador o inclusive se puede realizar el control de este desde el puerto paralelo de un PC. El microcontrolador y la pantalla de cristal líquido están colocados sobre un circuito impreso (PCB) y se interconectan con el mundo exterior (μC, μP o PP del PC) a través de un conector de 14 pines, el cual puede obtenerse en dos presentaciones: una línea y dos líneas teniendo la siguiente distribución:

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Descripción de pines de los módulos LCD

CÓMO HACER CIRCUITOS IMPRESOS. Se hará referencia al método manual, de los calcos y el marcador dado que para aprender es el más simple.

Tal como se puede ver en la foto un circuito impreso no es más que una placa plástica (que puede ser de fenólico o pertinax) sobre la cual se dibujan "pistas" e "islas" de cobre las cuales formaran el trazado de dicho circuito, partiendo de un dibujo en papel o de la imaginación. Para empezar se tiene que decidir qué material se va a utilizar. Si se trata de un circuito donde haya señales de radio o de muy alta frecuencia tendremos que comprar placa virgen de pertinax, que es un material poco alterable por la humedad. De lo contrario, para la mayoría de las aplicaciones, con placa de fenólico es suficiente.

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SISTEMAS DIGITALES Cada trazo o línea se denomina pista, la cual puede ser vista como un cable que une dos o más puntos del circuito. Cada círculo o cuadrado con un orificio central donde el terminal de un componente será insertado y soldado se denomina isla. Cuando uno compra la placa de circuito impreso virgen ésta se encuentra recubierta completamente con una lámina de cobre, por lo que, para formar las pistas e islas del circuito habrá que eliminar las partes de cobre sobrantes. Además de pistas e islas sobre un circuito impreso se pueden escribir leyendas o hacer dibujos. Esto es útil, por ejemplo, para señalar que terminal es positivo, hacia donde se inserta un determinado componente o incluso como marca de referencia del fabricante. Para que las partes de cobre sobrantes sean eliminadas de la superficie de la placa se utiliza un ácido, el Percloruro de Hierro o Percloruro Férrico. Este ácido produce una rápida oxidación sobre metal haciéndolo desaparecer pero no produce efecto alguno sobre plástico. Utilizando un marcador de tinta permanente o plantillas logotyp podemos dibujar sobre la cara de cobre virgen el circuito tal como queremos que quede y luego de pasarlo por el ácido obtendremos una placa de circuito impreso con el dibujo que queramos. PROCEDIMIENTO: 1. Crear el original sobre papel: Lo primero que hay que

hacer es, sobre un papel, dibujar el diseño original del circuito impreso tal como queremos que quede terminado. Para ello podemos utilizar o bien una regla y lápiz (y mucha paciencia) o bien un programa de diseño de circuitos impresos. Ya sea a lápiz o por computadora siempre hay que tener a mano los componentes electrónicos a montar sobre el circuito para poder ver el espacio físico que requieren así como la distancia entre cada uno de sus terminales. Para guiarnos vamos a realizar un simple circuito impreso para montar sobre él ocho diodos LED con sus respectivas resistencias limitadoras de corriente.

Este es el circuito esquemático del que hablamos, recibe cero o cinco voltios por cada uno de los pines del puerto paralelo del PC y, a través de cada

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resistencia limitadora de corriente iluminan ocho diodos LED. Observemos el diagrama. Tenemos ocho entradas, cada una de ellas conectada a una resistencia. Cada resistencia se conecta al cátodo (+) de cada diodo LED. Y todos los ánodos (-) de los diodos LED se conectan juntos al terminal de Masa. Vamos a utilizar diodos LED redondos de 5mm de diámetro, que son los más comunes en el mercado. Lo primero que haremos es colocar las islas. Para los que usan programas de diseño de circuitos impresos por computadora las islas aparecen como "Pads". Como se observa, no es más que una simple representación del circuito de arriba con círculos. Luego uniremos las islas con pistas, que en los programas suelen aparecer como "Tracks".

Algo a tener en cuenta: cuando una pista tiene que virar lo correcto es hacerlo con un ángulo oblicuo y no a secas (90º). Si bien eléctricamente es lo mismo, conviene hacerlo así porque al momento de atacar el cobre con el ácido es más probable que una pista se corte si su ángulo es abrupto que si lo es suave. Nuevamente podemos apreciar que no es más que una copia del circuito eléctrico anterior. Imprimimos el circuito sobre un papel y paso 1 concluido.

2. Corte del trozo de circuito impreso: Esto no es más que marcar sobre la placa virgen un par de líneas por donde con una sierra de 24 dientes por pulgada cortaremos. Es conveniente hacerlo sobre un banco inclinado de corte para que sea más fácil mantener la rectitud de la línea.

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Una vez cortado el trozo a utilizar lijar los bordes tanto de la cara de cobre como de la otra a fin de quitar las rebabas producidas por el corte. Con la ayuda de un taco de madera es más fácil de aplicar la lija.

3. Preparar la superficie del cobre: Consiste en pulir la superficie de cobre virgen con un bollito de lana de acero para remover cualquier mancha, partículas de grasa o cualquier otra cosa que pueda afectar el funcionamiento del ácido. Recordemos que el ácido solo ataca metal, no haciéndolo con pintura, plástico o manchas de grasa. Por lo que donde este sucio el cobre resistirá y quedará sin atacar. Como se ve en la foto es conveniente utilizar guantes de latex, del tipo utilizado para inspección bucal, para evitar que la grasitud de los dedos tome contacto con el cobre. La lana de acero debe ser frotada sobre la cara de cobre y preferentemente dando círculos, para facilitar la adherencia tanto de los Pads como de la tinta del marcador.

4. Pasar el dibujo al cobre: Consiste en hacer que el dibujo del impreso que tenemos sobre el papel quede sobre la cara de cobre y de alguna forma indeleble. Adicionalmente tendremos que tener cuidado de no tocar con nuestros dedos el cobre para evitar engrasarlo. Es por ello que en este paso también utilizaremos guantes de latex, pero cuidando que no queden en ellos restos de viruta de acero que puedan dañar el dibujo sobre el cobre. Para este paso requeriremos un marcador fino indeleble, uno grueso, un lápiz blando (mina B), una o varias plantillas logotyp de islas (esto depende de la cantidad de contactos del circuito así como del tipo de islas requeridas). Ambos

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marcadores deben ser de tinta permanente al solvente. Hasta ahora el mejor que hemos usado es el edding 3000. Es conveniente, antes de usar las plantillas logotyp, probarlas sobre otra superficie para constatar que no esté vencidas. Suele pasar que no peguen sobre el cobre y tuvimos que hacer todos los trazos rectos con marcador y regla. Lo mismo sucede con el marcador. Antes de aplicarlo sobre la placa hacer un par de trazos sobre un cartón (preferentemente brilloso) a fin de ablandar la tinta en la punta. Para aplicar los dibujos de las plantillas colocar la misma sobre la lámina de cobre y, con el lápiz frotar cada uno suavemente hasta que queden estampados sobre el circuito impreso. Para afirmarlos colocar el papel de cera que trae cada plantilla y colocarlo sobre el dibujo recién aplicado. Pasar el dedo una o dos veces manteniendo el papel quieto y listo, dibujo afirmado.

Si por error se aplicó un dibujo que no debía estar se lo puede quitar fácilmente raspándolo con un cortante filoso. No hay que preocuparse porque donde se pasó el cortante quede raspado, puesto que el cobre no quedará en esa zona no nos interesa entonces como este antes de ser atacado. En las islas, sobre todo en las aplicadas por plantilla, es conveniente no tapar el punto central. Esto quedará como un pequeño orificio en el cobre que luego servirá como guía cuando hagamos el perforado de la placa. Para hacer los trazos con marcador se pueden utilizar reglas y regletas plásticas caladas. Prestar cuidado cuando se apoya la regla sobre la placa para no dañar el dibujo.

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Una vez terminado el trabajo de pasar el dibujo al cobre será conveniente revisar el mismo a comparación con el dibujo sobre papel, para cerciorarse de que todo está en orden.

5. Preparar el ácido: Antes de sumergir la placa en el ácido hay que tomar

algunos recaudos y precauciones. También hay que seguir algunos pasos para que el ataque sea efectivo. Como dijimos arriba, el ácido empleado es Percloruro de Hierro, el cual se puede comprar en cualquier comercio del rubro. Para que el ácido funcione correctamente y pueda actuar sobre el cobre debe estar a una temperatura comprendida entre 20 y 50 grados centígrados. Para mantenerlo en ese rango usaremos un calefactor eléctrico a resistencia, como el que se ve en la figura. Cabe aclarar que al ser una resistencia de alambre esta se encuentra "viva" con tensión de red en su recorrido, lo que obliga a separar al calefactor de la fuente al menos un centímetro. Para ello utilizamos dos ladrillos acostados los que se ven en la foto. Sobre esto se coloca la fuente de aluminio, dentro del cual se colocará la batea plástica donde verteremos el ácido. En la fuente colocar agua previamente calentada para que el ácido se caliente por el efecto "Baño María". Entre la fuente y la batea es conveniente colocar dos separadores para que el metal caliente no entre en contacto directo con la batea plástica.

En la foto se observa cómo queda todo en su sitio listo para utilizar. Es muy importante respetar el rango de temperatura de trabajo. De ser inferior a 20ºC es posible que el ácido tarde mucho o que incluso no ataque el cobre. De estar a más de 50ºC el ácido puede entrar en hervor provocando que moléculas de cloruro se desprendan del compuesto. De ser respiradas pueden causar fuertes afecciones respiratorias e incluso dejar internado al que lo inhale. El sitio

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donde se vaya a usar el compuesto deberá estar completamente ventilado, de ser posible con aire forzado constante. Aclaraciones pertinentes: Si el ácido toma contacto con la ropa la mancha es permanente. No se quita con nada. Si entra en contacto con la piel, lavar con abundante agua y jabón. Si entra en contacto con la vista lavar con solución ocular y acudir de inmediato a un servicio de urgencia ocular. De no tratarse adecuadamente una herida por este ácido puede causar ulceraciones en el globo ocular. Ante ingesta concurrir de inmediato a un gastroenterólogo. En ambos casos explicar detalladamente al profesional de que se trata el ácido para que éste pueda actuar como corresponda.

6. Ataque químico: Una vez que el ácido está en temperatura colocamos la placa de circuito impreso flotando, con la cara de cobre hacia abajo y lo dejamos así durante 15 minutos. Ahí lo dejamos tranquilo y de no ser estrictamente necesario nos vamos a otra parte para evitar respirar tan feo bao tóxico. Al cabo de los 15 minutos, con un guante de latex, levantamos la placa de circuito impreso y observamos cómo va todo. Si es necesario sumergir la placa en agua para observar en detalle es posible hacerlo, pero no frotar ni tocar con los dedos el dibujo para evitar dañarlo. Si el cobre que debía irse aún permanece colocar la placa al ácido otros 10 minutos más y repetir inmersiones de 10 minutos hasta que el circuito impreso quede completo. Si en alguna de las observaciones se nota que una pista corre peligro de cortarse secar cuidadosamente solo en esa zona y aplicar marcador para protegerla de la acción oxidante del ácido.

Una forma práctica de ver si el ácido comenzó a "comer" el cobre es iluminando la batea desde arriba con un potente reflector. Si se ve la silueta de las pistas marcada es clara señal de buen funcionamiento. Si se ve todo opaco quiere decir que aún no comenzó el ataque químico.

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Una vez que el ácido atacó todas las partes no deseadas del cobre sacar de la batea, colocarla en un recipiente lleno de agua, llevarla hasta la pileta de lavar más próxima y dejarla bajo agua corriente durante 10 minutos. Luego, secar con papel para cocina y quitar el marcador con solvente. De ser necesario pulir suavemente con viruta de acero. Una vez hecho esto tendremos las pistas ya definidas sobre el impreso.

7. Prueba de continuidad: Con un probador de continuidad verificar que todas las pistas lleguen enteras de una isla a otra. En caso de haber una pista cortada estañarla desde donde se interrumpe hasta el otro lado y colocar sobre ella un fino alambre telefónico. De ser una pista ancha de potencia colocar alambre más grueso o varios uno junto a otro. Si no se tiene un probador de continuidad una batería de 9V con un zumbador auto-oscilado en serie y un juego de puntas para tester pueden ser de gran ayuda. Colocar todo en serie de manera que, al juntar las puntas, se accione el zumbador. Comprobado el correcto funcionamiento eléctrico de la plaqueta es hora de pasar al perforado.

8. Perforado: Para que los componentes puedan ser soldados se deben hacer orificios en las islas por donde el terminal de componente pasará.

Un taladro de banco es de gran ayuda sobre todo para cuando son varios agujeros. Para los orificios de resistencias comunes, capacitores y semiconductores de baja potencia se debe usar una mecha (broca) de 0.75mm de espesor. Para orificios de bornes o donde se suelden espadines o pines una de 1mm es adecuada. Aquí será de suma utilidad atinarle al orificio central de la isla para que quede la hilera de perforaciones lo más pareja que sea posible.

Quizás sea necesario comprar un adaptador dado que la mayoría de los taladros de banco tienen un mandril que toma mechas desde 1.5mm en adelante. Y luego vendrá el dolor de cabeza porque centrar el adaptador y el

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mandril no es tarea simple. Hay que prestar atención a que este bien centrado, porque de no estarlo el agujero saldrá de cualquier forma, si es que sale.

9. Acabado final: Con el mismo bollito de viruta de acero que veníamos trabajando hay que quitar las rebabas de todas las perforaciones para que quede bien lisa la superficie de soldado y la cara de componentes. Luego de esto comprobar por última vez la continuidad eléctrica de las pistas y reparar lo que sea necesario. Hasta aquí hemos llegado y tenemos ahora si la plaqueta lista para soldarle los componentes. Siempre hay que seguir la regla de oro, montar primero los componentes de menor espesor, comenzando si los hay por los puentes de alambre. Luego le siguen los diodos, resistencias, pequeños capacitores, transistores, pines de conexión y zócalos de circuitos integrados. Siempre es bien visto montar zócalos para los circuitos integrados puesto que luego, cuando sea necesario reemplazarlos en futuras reparaciones será un simple quitar uno y colocar otro sin siquiera usar soldador. Además, el desoldar y soldar una plaqueta hace que la pista vaya perdiendo adherencia al plástico y al cabo de varias reparaciones la isla sede al igual que las pistas que de ella salen. En la foto se observan puentes de alambre, resistencias, capacitores, zócalos para circuitos integrados, algunos diodos LED y un cristal.

CONSTRUCCIÓN DE CIRCUITOS ÚTILES: 1) Probador de controles remotos infrarrojos: Este sencillo dispositivo permite

comprobar rápidamente si un control remoto (mando a distancia) emite la señal infrarroja (IR). Puede usarse cualquier fototransistor y se le puede agregar un transistor en la salida para amplificar más la señal. Se puede armar en una caja de un remoto viejo (conviene que sea de pocas teclas o botones, por cuidar un poco la estética) y poner el receptor donde originalmente lleva el LED transmisor, en lugar de alguna de sus teclas se puede poner el LED indicador de encendido

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(D1) y en otra tecla poner el LED indicador de pulsos (D2). Debido a que el probador puede ser afectado si tiene incidencia directa de luz, el fototransistor (Q1) debe usar un filtro para atenuar la luz ambiente. El plástico utilizado en la parte frontal de algunos controles puede ser apropiado. Se coloca el remoto cerca del probador (4 o 5 Cm) y se presionan una a una las teclas del mismo, D2 destellara mostrando la presencia de los pulsos IR. Con el uso te familiarizas con cada tipo de remoto y su emisión normal. Tiene una salida (AUX) para osciloscopio que te permite ver la forma de onda, porque hay veces que emiten infrarrojo, pero están corridos de frecuencia o la señal esta deformada.

Componentes: Q1 - Fototransistor MRD3056 o similar D1 - LED Verde D2 - LED Rojo de alto brillo C1 - Condensador 0.1uF 50V R1 - Resistencia 330 ohms 0.25W R2 - Resistencia 150 ohms 0.25W SW1 - Interruptor 9V - Batería de 9V

2) Detector de fugas en condensadores: Quienes se dedican a la reparación de equipos electrónicos, muchas veces se ven en la necesidad de verificar el estado de la aislación de condensadores, en especial, los usados en circuitos críticos, como fuente y salida horizontal de TV y Monitores; ya que en esos circuitos, la más mínima "fuga" de corriente a través del dieléctrico del condensador, puede ocasionar todo tipo de problemas. Por lo general la

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mayoría de los óhmetros y multímetros de uso corriente, no son capaces de medir o detectar ese tipo de "fugas" que pueden llegar a ser de unas decenas de Megaohms (millones de ohms). En esos casos el técnico se ve obligado a reemplazar todos los condensadores al no poder determinar cuál es el causante. Este sencillo instrumento puede ser construido usando el transformador de algún viejo equipo, como algún viejo receptor de radio o tocadiscos por ejemplo. De esos que a veces están olvidados en un rincón del taller.

El circuito es sencillo y no necesita mayor explicación. Los cables para conectar el condensador deben ser cortos. Los condensadores deben desmontarse totalmente del circuito para ser probados, y no deben tocarlos con la mano durante la prueba, ya que esto puede producir una indicación errónea. Al momento de conectarlos, se produce en la lámpara (o bombillo) de Neón un destello de luz, durante la carga del condensador (a mayor capacidad, mayor es el destello), para luego si el condensador está en buen estado, quedar totalmente apagada. Si permanece encendida, el condensador tiene "fugas". Este probador puede detectar fugas de más de 100 Megohms (100 millones de ohm). Atención: Cortocircuitar siempre los condensadores, después de realizar la prueba. Pues quedan cargados con una tensión elevada, y pueden producir una desagradable descarga al manipularlos, en especial si se trata de componentes de cierta capacidad.

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Lista de componentes: T1 - Transformador con primario de acuerdo a la red (120 o 220V) y secundario de 230 a 250V x 2 (también puede usarse uno con un solo secundario de 230 a 250V, en ese caso, lógicamente, se debe usar un puente de cuatro diodos para la rectificación). D1 y D2 - Diodos de 1000V 1A (1N4007 o similar). R1 - Resistencia de 470 ohm 1/2W. R2 - Resistencia de 220 k ohm 1/2W. C1 y C2 - Condensadores electrolíticos de 4.7mF 350V Neón - Lámpara o bombilla de Neón Este sencillo pero eficaz probador también sirve para detectar fugas entre primarios y secundarios de transformadores y entre los bobinados de los Flyback.

3) Probador de Transistores, Diodos y SCR en circuito: Descripción General. Este instrumento permite probar transistores de NPN y PNP, diodos y SCRs "in-situ" (en equipos desconectados por supuesto) y también por conexión directa del componente fuera del circuito. Realiza una prueba simple (OK, corto o abierto) del estado de diodos y transistores e indica la polaridad del diodo o tipo del transistor PNP/NPN, si es desconocido. Diagrama del circuito:

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Funcionamiento del probador de transistores, diodos y SCRs. Las compuertas ICa e ICb del IC CMOS CD4093 forman un oscilador de onda cuadrada de aproximadamente 2Hz. IC1c e IC1b invierten la polaridad de esos 2Hz. Esos dos voltajes de onda cuadrada, complementarios, son aplicados al D.E.P. (Dispositivo En Prueba). Para transistores la polarización de base se realiza a través de una resistencia de 1000 ohm. Dos LEDs rojos en contra fase quedan conectados al Colector. El flujo de corriente a través del dispositivo está limitado por la resistencia R4 de 470 Ohm. Sin D.E.P. conectado al probador, al oprimir el pulsador TEST, ambos LEDs encenderán alternadamente. Por consiguiente, es evidente que si el D.E.P. está: En Corto, ambos LEDs permanecerán apagados y Abierto, ambos LEDs encenderán. El propósito de los dos grupos de diodos, conectados en serie con el D.E.P. puede requerir una explicación: Su función es permitir que el D.E.P. alcance la saturación (conducción total) en un solo sentido, y evitar que ambos LED permanezcan apagados cuando eso ocurre. Recuerde este diseño prueba "en-circuito" (no necesita desoldar ninguna conexión, para aislar un semiconductor sospechoso). Para probar SCRs (tiristores) y diodos, se coloca S1 en la posición apropiada (D/SCT), en la cual se elimina uno de los dos diodos de cada serie. Esto es necesario porque: la caída de voltaje en sentido directo de un diodo o SCR en buen estado, es aproximadamente 0.7 Voltio, entonces tres junturas en serie presentarían aproximadamente 2.1V, por lo cual ambos LED podrían encender. Lista de componentes electrónicos: R1 - resistencia 1 Mohm (1.000.000 ohm). R2 - resistencia 1 Kohm (1000 ohm). R3 - resistencia 150 ohm.

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R4 - resistencia 470 ohm. R5 - resistencia 100 ohm (todas las resistencias de 1/4 o 1/2W). C1 - condensador electrolítico 2.2 uF - 16V. D1 y D2 - LEDs rojos. C1 - Circuito integrado CD4093 o equivalente (BU4093, NTE4093B, ECG4093B...). SW1 - interruptor tipo pulsador normalmente abierto. SW2 - interruptor doble polo de dos posiciones (DPDT). D3,..., D6 - diodos 1N4148 o similares (ECG/NTE519). BAT - Batería 9V.

4) Probador de Teléfonos: Para el técnico electrónico que repara aparatos telefónicos (normales o inalámbricos, contestadoras, etc.) resulta de gran utilidad, contar con un instrumento que permita probar estos equipos sin necesidad de estar realizando llamadas y ocupando la línea telefónica del taller para comprobar su funcionamiento. Es decir, un instrumento que permita alimentar el aparato en prueba como si estuviera conectado a la línea telefónica, y realizar las comprobaciones básicas de funcionamiento: entrada de llamada, entrada y salida de señal, etc. Para ello existen en el mercado, instrumentos llamados: "Simuladores de línea"; diseñados específicamente para realizar la comprobación y servicio técnico de equipos telefónicos. Sin embargo, esos instrumentos, son por lo general muy costosos, y su adquisición no resulta rentable para muchos técnicos o talleres, que solo reparan algún que otro teléfono o contestadora, de vez en cuando. He aquí, como construir un sencillo probador de teléfonos, que no pretende competir con "simuladores de línea" de uso profesional, pero sin duda puede ser de gran ayuda en el taller. Su diseño es muy sencillo, utiliza componentes comunes y de fácil obtención. Con él se pueden realizar las pruebas básicas de funcionamiento de teléfonos (normales o inalámbricos), contestadoras automáticas e incluso (parcialmente) equipos de Fax. Con un poco de ingenio, el técnico podrá, si lo desea, implementarle mejoras, para aumentar su utilidad. Por ejemplo:

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• Agregar al circuito, un instrumento que permita medir el consumo del teléfono en prueba, para verificar que el mismo está dentro de los valores normales, tanto "colgado", como "descolgado".

• Remplazar SW1 por un circuito que genere automáticamente los pulsos de llamada.

• También se podría incorporar un teclado con el circuito correspondiente para general los tonos DTMF, para las pruebas de control remoto de contestadoras y otros equipos.

En fin, la imaginación es el límite. Funcionamiento. Se conecta el aparato a probar en los terminales: "A" Con SW2 colocado en la posición 1, al presionar SW1 se envía el pulso de llamada, para la prueba de los circuitos detectores de llamada, o "campanilla". IMPORTANTE: solamente pulsar SW1, en forma breve y alternada, para simular el pulso de llamada y hacerlo siempre con el auricular "colgado", pues de otro modo, el pulso de llamada podría llegar a dañar algún circuito del aparato en prueba. Con SW2 colocado en la posición 2, el circuito oscilador formado por Q1, R2, R3, R4 C3 y T2, genera un tono para la prueba de recepción de señal del teléfono o contestadora. Cambiando el valor de R3 se puede cambiar la frecuencia del tono generado. En la posición 3 se prueba la salida de señal desde el teléfono o contestadora, para lo cual se puede colocar un pequeño altavoz o un audífono entre los terminales "B", también se puede conectar un amplificador o un osciloscopio. NOTA: Los terminales "B" también pueden usarse como entrada de señal, si se desea aplicar una señal de audio externa, al aparato en prueba. T2, es el transformador modulador. Para esto se utiliza un transformador normal de alimentación, con primario para 120V y secundario de 9 a 15V (12V sugerido) y 250 o 300mA. Si es difícil encontrar transformadores de 120V, puede utilizar uno de 220V con secundario de unos 18 a 24V, de 300 a 500mA, para que mantenga, aproximadamente la misma relación de espiras entre sus bobinas y una impedancia similar.

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Las especificaciones para el transformador no son muy críticas, pero si dispone de varios de ellos de características similares, puede hacer pruebas para ver cuál presenta mejor rendimiento.

Componentes electrónicos del probador de teléfonos. D1 al 4 - Diodos 1N4006 o similares (1N4007, ECG116, ECG125, etc.). D5 - Diodo 1N5405 o similar (BY156, 1N5406/7/8, ECG156, ECG5806, etc.). T1 - Transformador con primario 120 o 220V (según la red eléctrica) y secundario e 12+12V 500mA. T2 - Ver detalles en el texto. Q1 - Transistor unijuntura 2N2646 o similar (ECG6401). R1 - Resistencia de 330 ohms. R2 - Resistencia de 470 ohms. R3 - Resistencia de 27.000 ohms. R4 - Resistencia de 560 ohms (todas las resistencias pueden ser de 1/4 o 1/2W). C1 - Condensador de 470uF 25V. C2 - Condensador de 1000uF 100V. C3 - Condensador de 0.1uF 50V. SW1 - Interruptor del tipo pulsador. SW2 - Interruptor de un polo tres posiciones. Varios - Conectores, cables, interruptor para la línea de CA, etc.

5) Proyecto: Alarma. Antes de los circuitos vamos a mostrar los bloques de lo que puede ser nuestra alarma.

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Esta es la disposición de una alarma sencilla para casas. Aunque el control de "encendido / apagado" que se ve en el dibujo es un teclado. Unidad de control simple para alarma: Primero veremos la lógica de la unidad de control simple. Este diseño lo realizo con 2 transistores y la salida con relevador (relé o relay), tratando que no quede muy sensible a las interferencias externas. En esencia es un "flip-flop ", que al accionarse se queda activado y con un "reset" que lo desactiva.

Q1 es un transistor NPN de 600mA 2N2222A, Q2 es un transistor PNP de baja potencia 2N3906, es el encargado que el sistema se quede activado hasta que se apague o se oprima el reset. Los diodos D1, D2 y D3 pueden ser 1N4148, o diodos rectificadores similares al 1N4001.

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C2 es de 0,1 microfaradio (104), su función es muy importante para evitar que el circuito se active "solo" al conectarse. C1 y C4 son para filtrar las entradas contra interferencias que pueden entrar por el cableado a las puertas y sensores de la casa. Utilizamos 3 tipos de entrada: (NC) normalmente cerrado: generalmente para interruptores magnéticos (reed switch), conectados en serie. (NO) normalmente abierto: para interruptores que dán paso de corriente al presionarse, o sensores inteligentes que aplican más de 8 voltios en la salida. 3.3V PIR: En esta entrada se conectarán los dispositivos que entregan poco voltaje de salida como los Sensores de movimiento PIR que mostramos en esta página. El led junto con R6 es opcional. Lista de piezas: R1 10K R2 10K R3 47K R4 22K R5 22K R6 1K R7 15K R8 3.3K C1 1 microfaradio 25V.(electrolítico) C2 0,1 microfaradio, 10V en adelante C3 100 microfaradios o más, 16 o 25V. C1 1 microfaradio 25V.(electrolítico) Q1 2N2222A (NPN) Q2 2N3906 (PNP) RlY Relé mediano, bobina de 12 voltios. Led cualquier led convencional Estos diseños de electrónica son muy flexibles y se pueden realizar muchas variantes, por ejemplo puede utilizarse un MosFet en la salida:

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Manteniendo los valores de las resistencias funciona, pero pueden reducirse ya que este mosfet puede utilizar hasta 30 voltios en la entrada (gate). En la entrada para PIR se redujo la resistencia R8 a 100 ohmios, por el bajo voltaje que entregan esos dispositivos. Este MosFet es ideal, ya que puede manejar hasta 9 amperios, es bastante común en monitores antiguos y algunos no tan antiguos pero de tubo (TRC). Estos diseños funcionan, y puede ser un buen inicio para estudiar y entender los sistemas de alarma y sus componentes, pero debemos estar claros que hay muchos elementos a tomar en cuenta en un sistema de alarma comercial.

Esta alarma se pone en funcionamiento unos segundos después de conectada y el reset es desconectándola. Al activarse dura unos segundos para accionar el relé.

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Para que una alarma de casa sea segura debe utilizar batería y es mejor la utilizada en UPS de 12 Voltios, también en motocicletas, ya que guarda suficiente energía y no es tan grande como la batería de un automóvil. El circuito integrado CD4093 puede dañarse con la electricidad estática de nuestros dedos o con el soldador (cautín), tan solo con tocarle las patillas. Con este y todos los circuitos integrados CMOS hay que trabajar con cuidado. Si no está seguro de estar libre de estática es preferible armar todo con un porta integrado y colocarlo de último.

6) Proyecto: Sirena para alarma. Podemos generar múltiples tonos para nuestra alarma, todos los mostrados aquí pueden funcionar tanto en nuestra casa, como en el automóvil, ya que son proyectos hechos en 12 voltios. Para que una alarma de casa sea segura debe utilizar batería y que mejor que una batería de las utilizadas en UPS de 12 Voltios. Para probar nuestra alarma podemos utilizar cualquier altavoz (parlante o bocina), pero para alarmas verdaderamente ruidosas veremos más adelante como debe implementarse. La mayoría de sonidos de alarma utilizan por lo menos 2 osciladores para generar el efecto deseado, ya que un solo oscilador puede generar solo un tono o pitido continuo. Diagrama de sirena con NE555:

El circuito integrado IC2 es el que genera el sonido, en este diagrama es de 2.6Khz, y el primero (IC1) es el que lo modula, causando variaciones en el tono 4 veces por segundo (4.3Hz).

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Cuando probamos este proyecto podemos colocar una resistencia en serie de 300 ohmios al altavoz (parlante o bocina), esto para no escuchar muy fuerte ese sonido que es realmente molesto. Podemos utilizar para nuestra sirena electrónica también un "Tweeter", incluso subir el tono del proyecto para hacer el sonido más molesto o llamativo. Para utilizar un "Tweeter" de los que no tienen imán (Tweeter Piezoeléctrico) hay que usar dos transistores en la salida para que suenen. Conectar Tweeter Piezoeléctrico a NE555:

Hay proyectos donde se conecta el tweeter acoplado solamente con un capacitor a la salida del NE555, no se recomienda, ya que aunque lo soporte la idea es producir el mayor ruido posible y sin sobrecargar al circuito integrado que según el fabricante: se puede utilizar de 5 a 15 voltios con una carga en la salida de hasta 200 miliamperios. Hay muchos transistores que se pueden utilizar en este proyecto, lo único necesario es que sean de audio o propósito general, preferiblemente que resistan varios amperios y tengan buena disipación de calor. Para un proyecto de poca potencia se pueden utilizar transistores como el 2N2222 pero es mejor más grandes. Dibujo de la sirena con NE555:

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Para usarlo con bocinas, tweeters y "drivers " de buena potencia, generalmente de 4 ohmios o menos, o inclusive varios altavoces en paralelo se pueden utilizar transistores de potencia como el TIP41 o TIP42. Hay que verificar las patillas del transistor que utilizaremos para asegurar que la base, el colector y el emisor se conectan adecuadamente. Para menor carga a los circuitos y mejor aprovechamiento de la potencia podemos usar 2 transistores conectados como "Darlington":

Además podemos usar un transistor darlington como el TIP120 que es equivalente al circuito anterior. La mejor opción es utilizar Mosfets de Potencia como el IRF630A, que soportan mucha carga con un desperdicio de calor insignificante.

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Calcular la frecuencia:

Hay que tomar en cuenta que esta fórmula usa valores en Hertz, Ohmios y Faradios. En el ejemplo anterior es: (4700 ohmios sumado a (47000 por 2)) por 0.000 000 0056 Faradios = 0.00055272 1.443 dividido entre 0.00055272 nos da: 2610 Hz.

7) Sirena con 4011 (astables). Con compuertas NAND podemos hacer un circuito similar al anterior, formamos 2 osciladores astables con un circuito integrado CD4011 o equivalente. Diagrama de sirena con compuertas NAND:

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En este proyecto el audio no se modula sino que se interrumpe rápidamente, como 4 interrupciones por segundo (4.4Hz) produciendo un sonido que se propaga bastante y muy difícil de ignorar. Dibujo de conexiones de la sirena con 4011:

En este diseño se utilizan darlington pero podemos utilizar mosfets como en la sirena anterior. Calculo de frecuencia utilizando compuertas NAND del 4011:

Al igual que en el cálculo de la frecuencia del oscilador con NE555 los valores son en Hertz, Ohmios y Farads. La resistencia de 100K no se toma en cuenta para determinar la frecuencia. 2.2 por (33000 por 0.000 000 0056) = 0.00040656 1 dividido entre 0.00040656 nos da: 2459 Hz Con los circuitos integrados CMOS como el 4011 hay que trabajar con cuidado, ya que pueden dañarse con la electricidad estática de nuestros dedos o con el soldador (cautín), tan solo con tocarle las patillas. Si no está seguro de estar

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libre de estática es preferible armar todo con un porta integrado y colocarlo de último.

8) Proyecto: Hacer sirena para alarma 1/6. Este proyecto utiliza circuitos integrados prediseñados para alarmas o sirenas. Simplifica el trabajo bastante y utiliza los tonos que generalmente emiten las alarmas de automóvil. El único inconveniente es que no son componentes comunes y puede ser difícil comprarlos en las ventas de repuestos tradicionales. Los circuitos integrados que se indican a continuación son iguales: LC9806, LC9801, GE6061, GE6063, GE6065A, GE6065B y el H0263A, este último se encuentran en muchas sirenas de fabricación china pero no hay muchos a la venta ni en internet. El SC1006 tiene conexiones similares aunque con algunas diferencias solo cambian la función 2 pines sin mucha relevancia LC9806, LC9801, GE6061, GE6063, GE6065A, GE6065B y H0263A Utilizan la tecnología CMOS por lo que consumen muy poco, se recomienda alimentarlo de 3 a 4.5 voltios y no soporta más de 5.5 voltios. Es usual regularlo con un diodo zene de 4.3 voltios y algunas veces de 3.9 voltios. El diseño más simple es este:

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Este es el diseño de ejemplo que utiliza el fabricante. Para los que aún tienen problema con los diagramas se agrega un dibujo con las partes:

Se puede utilizar varios transistores de tal forma que la potencia del sonido sea mucho mayor, funciona tanto para estos circuitos integrados como para el SC1006, más abajo muestro el diagrama. SC1006 Las diferencias principales entre el SC1006 y los circuitos anteriores es que ya tiene incluido un diodo zener, con un valor cerca de 4.3 voltios en la entrada de alimentación y no necesita el capacitor de "ini". Además la entrada "ini" se cambia por "test" la cual no utilizamos y la entrada "soft" ahora cambia entre modo 6 tonos (pin libre) y un tono (pin a VDD).

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SISTEMAS DIGITALES Sirena con etapa de mayor potencia. Esta es la forma más empleada en las sirenas comerciales, ya que es necesario más ruido. Funciona para todos los circuitos integrados mencionados anteriormente.

Los transistores de potencia NPN y PNP puede cambiar incluso con relación a la calidad de cada sirena. Hay sirenas baratas que utilizan SS8050 como NPN y SS8550 para PNP que son transistores pequeños, pero con la bobina de la bocina de 8 ohmios. Las de mayores potencias utilizan bocinas con bobinas de 4 ohmios o menos y en ese caso hay que emplear transistores más potentes, preferiblemente TIP41 para NPN y TIP42 para PNP y puede ser necesario cambiar las resistencias de 220 ohmios por 100 ohmios. Son iguales: LC9806, LC9801, GE6065B y el H0263A. (También GE6061, GE6063, GE6065A que se están descontinuando). El SC1006 tiene algunas diferencias pero es casi igual.

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EJERCICIOS Y PREGUNTAS DE REPASO E INVESTIGACIÓN 1. Indicar las diferencias entre sistemas basados en microcontrolador y en

microprocesador. 2. Indicar dispositivos de tu entorno que utilicen microcontroladores. 3. Busca dos fabricantes de microcontroladores y detalla las características de

uno de sus micros que integre puertos USB o que pueda transmitir datos vía radiofrecuencia (RF)

4. Describe las características del entorno de desarrollo MPLAB IDE de Microchip. ¿Para qué sirve?

5. ¿Qué es la arquitectura Harvard? 6. En un microcontrolador, ¿para qué sirve el registro Watchdog? 7. ¿Qué es un ciclo de máquina? 8. ¿Qué ventajas puede tener programar en Ensamblador? Cuando diseñas una

aplicación para un microcontrolador ¿Es mejor programar en alto nivel o en Ensamblador?

9. Obtener la tabla de verdad de un circuito secuencial síncrono que funcione como un contador binario "up-down", (arriba_abajo), pero con las siguientes características:

• Su máximo valor de salida es 10. • Su mínimo valor es 1. • Se incremente de 1 en 1.

10. Obtener la tabla de verdad de un circuito secuencial síncrono que funcione como un contador binario "up-down", (arriba_abajo), pero con las siguientes características:

• Su máximo valor de salida es 9. • Su mínimo valor es 0. • Se incremente de 1 en 1.

11. Un sistema tiene dos entradas E1 y E2, y dos salidas S1 y S2, debiendo cumplir las siguientes especificaciones:

• En estado de reposo las salidas deben ser 1, 1. • Si se suceden al menos dos combinaciones de entradas 1,1 las salidas

deben ser 0,0. • Si después de estas dos entradas se sucede la combinación 0,0, las

salidas deben ser 0,1. • Dos variables no pueden cambiar de estado simultáneamente.

Diseñe un circuito síncrono que cumpla estas características.

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