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Departamento de Tecnología ElectrónicaESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA INFORMÁTICA

5/10/09

1º Ingeniería Informática

FUNDAMENTOS DE COMPUTADORES

Enunciadosde las

Prácticas de Laboratorio

PROGRAMA 2009/2010

Práctica 1: Familiarización con el instrumental de laboratorioPráctica 2: Manejo de puertas XORPráctica 3: Función combinacional con puertas NANDPráctica 4: Función combinacional con subsistemasPráctica 5: Circuito secuencial síncronoPráctica 6: Examen

Fundamentos de Computadores Pág. 1

Notas importantes sobre el Estudio Teórico

Para desarrollar experimentalmente las prácticas en el laboratorio, es necesario quepreviamente se de respuesta a cada una de las cuestiones planteadas en el enunciado. Estoes, debe hacerse un estudio teórico de la práctica, en el que aparezcan los circuitos quehay que montar, la estrategia a seguir para medir, para comprobar el funcionamiento,etc.

EJEMPLO: Para la práctica 1, cada alumno debe representar gráficamente las señales que se solicitan

en varios apartados de la parte experimental, p. ej.

También hay que resolver el circuito de 2 resistencias y una fuente que hay que montar yprobar en el apartado "d" de la parte experimental.

Es muy conveniente leer el Manual de laboratorio antes de hacer la 1ª práctica. Estemanual se debe llevar a todas las demás sesiones como material de trabajo.

El profesor podrá realizar preguntas o pedir aclaraciones sobre el estudio teóricorealizado y sobre el desarrollo de la práctica.

t (ms)

v3btriang (V)

Caso 2º del apartado "b"

3

-7

T = 0.1 ms

0


Práctica 1

FAMILIARIZACIÓN CON EL INSTRUMENTAL DE LABORATORIO

1. OBJETIVOS a) Conocer el instrumental habitual en el laboratoriob) Adquirir soltura en su utilizaciónc) Generar señales con parámetros predefinidosd) Medir parámetros temporales y eléctricos de señalese) Montar y resolver un circuito simple.

2. ESTUDIO TEÓRICO.Responda a las siguientes cuestiones:

2.1) Represente gráficamente las señales solicitadas en el apartado 3.1 del estudioexperimental. Incluya las escalas de ambos ejes y muestre los valores asociados a cadaseñal.Indique qué instrumental necesitará para generar y para visualizar esas señales. Pararesponder a esta cuestión, lea la descripción del instrumental1. (Recuerde que debe traer este Manual a cada sesión práctica).

2.2) Represente también las señales solicitadas en el apartado 3.2 del estudio experimental.2.3) Resuelva el circuito de la Figura 1, indicando qué vale VB para el caso R1 = R2.2.4) Resuelva el circuito de la Figura 1, indicando qué vale VB para el caso R1 = R2.

3. ESTUDIO EXPERIMENTAL.Instrumental y componentes: Osciloscopio, generador de ondas, fuente de alimentación,

elementos de montaje y resistencias.3.1) Obtenga y represente en la pantalla del osciloscopio las siguientes señales:

- Señal continua de 5 voltios.- Señal continua de 10 voltios.- Señal continua de -10 voltios.

3.2) Obtenga y represente en la pantalla del osciloscopio las siguientes señales:- Señal senoidal, 1 Khz, entre -5 y 5 voltios.- Señal triangular, 10 Khz, entre -7 y 3 voltios.- Señal cuadrada, 100 Khz, entre 0 y 5 voltios.

3.3) Monte el circuito de la Figura 1: - Excite el circuito con una tensión continua (V) de valor 12 V.- Mida con ayuda del osciloscopio la tensión en los puntos A y B del circuito.- Represente simultáneamente ambas señales en la pantalla.

1. Véase el Manual "Introducción al Laboratorio de Electrónica Digital"


3.4) Monte el circuito de la Figura 1:- Excite el circuito anterior con una señal senoidal (Vi) de 10 Khz, cuya tensión varíe

entre -5 y 5 V.- Haciendo uso del osciloscopio, visualice la señal en los puntos A y B del circuito.- Represente simultáneamente ambas señales en la pantalla.

R1

R2 V

Figura 1: Divisor de tensión con fuente dc.

BA

VB

+

-

R1

R2Vi

Figura 1: Divisor de tensión con fuente ac.

BA

VB

+

-


Práctica 2

MANEJO DE PUERTAS XOR

1. OBJETIVOS a) Manejar puertas XOR integradas.b) Realizar diseños modulares que utilicen las puertas XOR.c) Usar diodos LED como visualizadores digitales, comprobando su rango de validez.

2. ESTUDIO TEÓRICO 2.1) Considere una puerta XOR (XOR-2) de dos entradas (A y B). Suponiendo que A es una

señal binaria que cambia periódicamente, dibuje dos cronogramas, uno para B=0 y el otropara B=1, en los que muestre la entrada periódica A y la salida de XOR. ¿Qué relación hay entre A y la salida de XOR?

2.2) Usando puertas XOR-2, proponga dos diseños de una puerta XOR de 4 entradas, uno deellos con tres niveles de XOR-2 y el otro, con dos niveles de XOR-2.Considere ahora el circuito de la Figura 2, el cual tiene varias utilidades. Analícelo en los

siguientes supuestos, describiendo verbalmente su función:2.3) Interprete la salida Z0 como función de la paridad de X3 - X0.2.4) Tomando S como entrada de selección de operación de un circuito con D como salida y

X3-X0 como entradas de datos, interprete D como función de la paridad de X3 - X0, paraS = 0 y para S = 1.

2.5) Si el circuito es tomado como un convertidor de códigos y X3-X0 están en código Gray,interprete el código en el que aparecen las salidas Z3-Z0.

2.6) Sin embargo, si X3-X0 es un código binario, no hay una clara interpretación del código enlas salidas Z3-Z0. Si se modifica el circuito de la Figura 2 con las siguientes ecuaciones:

Z3 = X3; Z2 = X3⊕X2; Z1 = X2⊕X1 y Z0 = X1⊕X0 ,

D

Z0

Z1

Z2X3X2

X1

X0

S

Z3

Figura 2: Puertas XOR encadenadas


y X3-X0 están en código binario, compruebe que Z3-Z0 tienen código Gray.

Modifique el circuito de la Figura 2 para obtener ese convertidor binario-a-Gray.2.7) La Figura 3 muestra la etapa típica (para el bit i-ésimo) de un circuito que complementa

a 1 y a 2 una palabra binaria de entrada (...bi...). La salida es ...Ci... mientras que Ki y Ki+1son señales internas. Dibuje el circuito correspondiente a 4 etapas, desde i = 0 a i = 3. Para este circuitocompruebe que la señal de entrada K0 sirve para seleccionar cuándo el circuito hace elcomplemento a 1 y cuándo el complemento a 2 de la palabra de entrada b3b2b1b0.Escriba la tabla funcional del circuito para hacer dicha comprobación.

3. ESTUDIO EXPERIMENTAL Instrumental y componentes: Generador de ondas, fuente de alimentación, osciloscopio,

LEDs, elementos de montaje, un C.I. 7486 y un CI 7432. (El C.I. 7486 tiene 4 XOR-2 en unencapsulado de 14 pines, ver Figura 4; el CI 7432 posee 4 OR-2 con la misma distribución).

Con el Generador de funciones, genere una señal cuadrada entre 0 y 5 V. (Recuerde quedebe usar el osciloscopio para poner bien la amplitud y el nivel de offset de esa señal). Monteel circuito integrado 7486 en la regleta, polarícelo (+5 V y GND) y pruebe una de las puertascomo XOR-2, comprobando el apartado teórico "2.1". 3.1) Para baja frecuencia en A (del orden de Hz), compruebe la XOR-2 mediante diodos LEDs

(ver Figura 4) usando un diodo para ver la señal de entrada A y otro para la salida.Compruebe qué ocurre al aumentar la frecuencia de la señal A.

3.2) Construya una puerta XOR de 4 entradas con las dos soluciones aportadas en el apartadoteórico "2.2", pruebe que funcionan correctamente y mida los tiempos de propagación ala subida y a la bajada.

3.3) Usando los diodos LEDs, monte y observe la operación del circuito de la Figura 2 ycompruebe que realiza las funciones indicadas en los apartados 2.3, 2.4 y 2.5 del estudioteórico.

3.4) Reforme el circuito con las ecuaciones del apartado 2.6 del estudio teórico y compruebeque realiza la conversión binario a Gray.

bi

Ci

Ki

Figura 3: Etapa típica del complementador a 1 y a 2

Ki+1


3.5) Usando también el CI 7432 (que tieene 4 puertas OR de 2 entradas cada una), monte elcircuito para complementar a 1 y complementar a 2 una palabra de 4 bits y, usando losdiodos LEDs, compruebe ambas operaciones.

1

=1

=1

=1

2 3 4 5 6 7GND

=1

14 13 12 11 10 9 8

7486

Figura 4: C.I.7486 y visualizador con LEDs

GND

Puntos de test+ 5 V

diodos LED´s


Práctica 3

FUNCIÓN COMBINACIONAL CON PUERTAS INTEGRADAS

1. OBJETIVOSa) Comprobar que la puerta NAND es un conjunto completo en la realización de funciones de

conmutación.b) Realizar un circuito combinacional con puertas NAND.c) Medir tiempos y visualizar gltches

2. ESTUDIO TEÓRICO.2.1) Considerando que las variables se encuentran en único raíl y utilizando sólo puertas

NAND de dos entradas, diseñe un circuito combinacional que realice la función F,explicando cómo obtiene el circuito en dos niveles NAND a partir de la expresión en sumade productos.

F = ab + ac 2.2) Muestre el mapa de Karnaugh de F. 2.3) Dibuje la forma de onda de la señal F cuando b = 0, c = 0 y a es una señal cuadrada que

oscila entre 0V y 5V con 10 KHz de frecuencia (Figura 5).

2.4) Repita el apartado 2.3 para el caso b = 0 y c = 1.2.5) Idem para b = 1 y c = 0.2.6) Idem para b = 1 y c = 1.2.7) Considerando que las puertas introducen un retraso Δ, repita este último apartado 2.6.

Compare ambos resultados y explique las diferencias.

a

t0 V

5 V

F

tFigura 5: Señales utilizadas en la práctica


3. ESTUDIO EXPERIMENTAL.Instrumental y componentes: Osciloscopio, generador de ondas, fuente de alimentación,

elementos de montaje, C.I. 7400 .3.1) Implemente el circuito diseñado y compruebe que realiza la función deseada. Para ello

debe comprobar todas las celdas de la tabla de la función, usando la pantalla delosciloscopio para visualizar las señales "a" (señal como en la Figura 5) y F.

3.2) Mida los tiempos de propagación para los casos 2.3 - 2.6 del estudio teórico.3.3) Para ese caso 2.6, aumente la frecuencia de la señal a hasta comprobar la existencia de

azar.3.4) De forma opcional, construya:

- Una puerta NAND de 3 entradas (usando un solo C.I. 7400).- Una puerta AND de 3 entradas (usando un solo C.I. 7400).- Una puerta XOR de 2 entradas (usando varios C.I. 7400).- Una puerta OR de 3 entradas (usando varios C.I. 7400).

3.5) Si en el punto 3.3 ha observado pulso de azar, implemente y pruebe (usando dos C.I. 7400)el circuito que realiza

f = ab + ac + bc Compruebe que realiza la misma función lógica pero no posee ese azar.


Práctica 4

FUNCIÓN COMBINACIONAL CON SUBSISTEMAS

1. OBJETIVOSa) Diseñar funciones de conmutación mediante subsistemas combinacionales de propósito

general.b) Diseñar funciones de conmutación mediante subsistemas combinacionales de propósito

específico.c) Realizar subsistemas combinacionales con otros subsistemas de distinto tamaño.

2. ESTUDIO TEÓRICO2.1) Obtenga una función de conmutación (F) que permita determinar si dos palabras de dos

bits (A = (a1, a0), B = (b1,b0)) son iguales. Muestre el mapa de Karnaugh y dé la expresiónmínima en suma de productos y en producto de sumas de F.

2.2) Diseñe un circuito que realice dicha función:a) mediante un MUX 8:1 e inversores.b) mediante un DEC 4:16 con salidas activas en bajo y NAND 4.Detalle convenientemente los circuitos, especificando los pesos de las entradas de lossubsistemas además del resto de las señales.

2.3) Para el circuito del apartado 2.2 a) fije las entradas de selección del MUX a 0. Utilice parala entrada que queda una señal cuadrada que oscile entre 0 y 5V de 10KHz de frecuenciay dibuje la forma de onda que se obtiene para F (Figura 5).

2.4) Repita el proceso anterior para las siete combinaciones restantes de entradas de seleccióndel MUX.

entradat0 V

5 V

Ft

Figura 5 (Repetida). Señales utilizadas en la práctica


3. ESTUDIO EXPERIMENTALInstrumental y componentes: Osciloscopio, generador de ondas, fuente de alimentación,

elementos de montaje, C.I. 74151, C.I. 7404, C.I. 74154 y C.I. 7420. Para el apartado opcional:C.I. 7400 y C.I. 74153.3.1) Implemente el circuito diseñado en el apartado 2.1 del estudio teórico y compruebe que

realiza la función deseada siguiendo el procedimiento de los puntos 2.3 y 2.4 del estudioteórico.

3.2) Mida los tiempos de propagación correspondientes a una entrada de selección de canal y,también, para una entrada de datos.

3.3) Repita los dos apartados anteriores para el circuito diseñado en el apartado 2.2 del estudioteórico.

3.4) De forma opcional:• Pruebe si su circuito del apartado 3.1 ó 3.2 experimental posee azares.• Con dos MUX 4:1 y cuatro NAND 2 realice un MUX 8:1 y compruebe su funcio-namiento.• Con un DEC 4:16 realice: a) un DEC 3:8; y b) un DEC 2:4, y compruebe sufuncionamiento.


Práctica 5

CIRCUITO SECUENCIAL SÍNCRONO.

1. OBJETIVOSa) Realizar y probar un circuito secuencial síncrono.b) Identificar la máquina de estados del circuito.c) Estudiar el bloqueo en el circuito secuencial síncrono y sus posibles soluciones.

2. ESTUDIO TEÓRICOEl circuito secuencial síncrono a montar (Figura 6) posee una entrada (x) y dos salidas

(z1, z2). La operación que se desea realice ese circuito se ilustra en la Figura 7: Cuando x = 1,z1 permanece a 1 durante un ciclo y a 0 durante tres; z2 hace lo mismo pero dos ciclos después.Cuando x = 0, z1z2 toman los valores 01 y 10 durante un ciclo cada uno.

La solución que se debe montar es la siguiente. Tendrá dos biestables JK (el 1 y el 2)cuyas ecuaciones de excitación y de salida son:

J1 = K1 = q2 J2 = K2 = xz1 = q1 q2 z2 = q1 q2

2.1) Obtenga la tabla de excitación/salida, la de transición/salida y la de estado/salidacorrespondientes a las expresiones anteriores.

2.2) Compruebe si este circuito realiza la operación deseada (Figura 7).2.3) Verifique que el circuito puede bloquearse en los estados q1 q2 = 00 ó 10 para x = 0.2.4) Este bloqueo puede ser evitado de forma fidedigna de cualquiera de las formas siguientes:

1) De forma asíncrona, en el caso de que los biestables posean entradas asíncronas depuesta a 1. Verifique que la solución es conectar la entrada x (o x) del circuito con laentrada de puesta a 1 asíncrono del segundo biestable.

Ck

x

z1

z2

Xz1

z2

Ck

Figura 6: Circuito secuencial.

Figura 7: Formas de onda del circuito.


2) Compruebe que hay otra solución exclusivamente síncrona al problema, esto es, queno requiere utilizar las entradas asíncronas de los biestables. Se obtiene sin más quecambiar las excitaciones del segundo biestable a:

J2 = 1K2 = x

(Las restantes expresiones de J1, K1, z1 y z2, son las mostradas anteriormente.)Muestre las tablas de transición y de estado para ambos casos, d1 y d2.

2.5) Analice el patillaje de los circuitos integrados a utilizar en la parte experimental (C.I. 7476y 7400). Lea el estudio experimental y, utlizando esos CI’s, dibuje los circuitos con lasconexiones adecuadas y razone lo que ha de obtenerse en cada apartado experimental.

3. ESTUDIO EXPERIMENTALInstrumental y componentes: Osciloscopio, generador de ondas, fuente de alimentación,

elementos de montaje, 1 C.I. 7476 y 1 C.I. 7400.3.1) Monte el circuito según la solución dada al principio del estudio teórico. La señal de reloj

se obtendrá directamente del generador (onda cuadrada entre 0 y 5 voltios y de 10 Khz defrecuencia aproximadamente). La señal x se fijará a 0 (0V) ó a 1 (5V).

3.2) Con x = 1, verifique el comportamiento deseado. Durante la visualización en elosciloscopio de dos señales (Ck y zi ó z1 y z2) puede encontrarse problemas de disparoque resolverá eligiendo convenientemente el canal de disparo.

3.3) Pase de x = 1 a x = 0 (y de 0 a 1) varias veces y verifique que a veces se obtiene elcomportamiento deseado y otras veces se bloquea el circuito.

3.4) Monte el circuito con la señal asíncrona (apartado 2.4/1 del estudio teórico) y compruebeque el circuito realiza la función deseada sin bloqueo para x = 0.

3.5) Modifique el circuito para implementar la solución del apartado 2.4/2 estudio teórico.Compruebe que tanto para x = 1 como para x = 0 se obtiene la solución deseada.

3.6) En este último caso, mida el tiempo de propagación desde el flanco de reloj hasta la salidaqj de cada biestable y las salidas z1 y z2.

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