Universidad de Caldas Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

INGENIERIA MECATRONICAProf. ALBA LUCIA CARDENAS M.

Asignatura ELECTRONICA DIGITAL Créditos académico 4 Intensidad horario 64 horas

Bienvenidos todos

IntroducciónIntroducción

En el mundo moderno, la electrónica digital a mostrado ser eficiente en las tareas que se le han encomendado, dando grandes satisfacciones a diseñadores y mejorando la calidad de vida de la humanidad. Un sin numero de aplicaciones desde las más sencillas como el destello intermitente de una luz en un juguete, hasta complejos sistemas de control espacial, pasando por todas las disciplinas en las que el hombre explora:  

computación, medicina, automotriz, negocios, comunicaciones y aplicaciones bélicas entre muchas otras. La electrónica digital ha conseguido inclusive modificar el entorno de sociedades modernas al hallarse presente en un sin numero de dispositivos con los que convivimos de forma casi inconsciente.Por esto técnicos, tecnólogos e ingenieros en electrónica, encontrarán en estos temas las herramientas que les permitirá diseñar nuevas aplicaciones de la electrónica y mantener, reparar o mejorar las existentes.

COMPETENCIAS Las competencias básicas que se pretende Las competencias básicas que se pretende promover en el alumno son la capacidad para promover en el alumno son la capacidad para diseñar circuitos digitales,diseñar circuitos digitales, la capacidad de la capacidad de analizar y entender sistemas basados en analizar y entender sistemas basados en electrónica digital.electrónica digital. Competencias cognoscitivas: Competencias cognoscitivas: Diferenciar, Diferenciar, analizar y explicar el principio de funcionamiento analizar y explicar el principio de funcionamiento de los componentes digitales y de las familias de los componentes digitales y de las familias lógicas utilizadas en sistemas electrónicos lógicas utilizadas en sistemas electrónicos digitales.digitales.

Competencias Procedimentales: Desarrollar en el alumno la capacidad para analizar, diseñar, simular, montar y llevar a correcto funcionamiento de soluciones a problemas propuestos, mediante el uso correcto de los dispositivos y herramientas de electrónica digital Competencias Actitudinales: Promover en el alumno la conciencia acerca de la importancia de la electrónica digital como base fundamental del quehacer del ingeniero, incentivando en lo personal el cumplimiento, capacidad de trabajo en grupo, la responsabilidad por los tangibles y especialmente todo valor que fortalezca la ética profesional y respeto por el medio ambiente.

Objetivos

2. Objetivo General Diferenciar, analizar y explicar el principio de funcionamiento de los componentes Diferenciar, analizar y explicar el principio de funcionamiento de los componentes

digitales y de las familias lógicas utilizadas en sistemas electrónicos digitales.digitales y de las familias lógicas utilizadas en sistemas electrónicos digitales.

4. Objetivos Específicos:

-Proporcionar los conocimientos necesarios acerca de los diferentes dispositivos Proporcionar los conocimientos necesarios acerca de los diferentes dispositivos utilizados en la electrónica digital, la interpretación de la terminología característica.utilizados en la electrónica digital, la interpretación de la terminología característica.

Proporcionar pautas para el diseño de sistemas digitales, en pro de entregar soluciones Proporcionar pautas para el diseño de sistemas digitales, en pro de entregar soluciones

acertadas a los requerimientos del medio.acertadas a los requerimientos del medio. Motivar al estudiante en la investigación y creación de nuevos productos y la Motivar al estudiante en la investigación y creación de nuevos productos y la

visualización de nuevas oportunidades en el medio.visualización de nuevas oportunidades en el medio.

Presentación del contenido:

UNIDAD 1

Fundamentos Sistemas digitales Vs sistemas

Analógicos.La representación digitalFamilias de circuitos lógicos integrados

(TTL, CMOS, NOMOS Y ECL)Arquitectura de un sistema de control

digital.

Presentación del contenido:UNIDAD 2

Flip_Flop

Concepto de la memoria de un dato.Construcción básica del flip_flop.Concepto de sincronización de flip_flop.Aplicaciones prácticas con los filp_flop:

Detección de secuencias de entrada. División de frecuencia, Contadores de eventos. Multivibradores astables y monoestables. Supresores de ruido Eléctrico.

Presentación del contenido: UNIDAD 3

Contadores asíncronos y síncronosCodificadores y decodificadores Multiplexores y de multiplexoresCircuitos aritméticos y de comparación

Diseño de Aplicaciones prácticas donde se integran estos componentes

Presentación del contenido: UNIDAD 4 Memorias 7.1 Principio de funcionamiento. 7.2 Tipos de memorias electrónicas. 7.3 Aplicaciones prácticas.

Estrategia metodológica

Lectura documental Desarrollo de ejercicios de aplicación en

equipos de trabajo Realización de talleres Demostraciones practicas de la teoría

Evaluación

2 evaluaciones 27% c/u (FEB 17-MAR 17 -3 ABRIL)

talleres y practicas 20% (los días lunes se sustentan funcionando con planos)

Proyecto final real 26% (4 Y 5 DE ABRIL)

NOTA DE CERO SI NO FUCIONA EL DIA DE SUSTENTACION NO SE DARA MAS PLAZO

Forma de entrega de trabajos

portada Introducción Objetivos generales y específicos Materiales utilizados Desarrollo con diagramas o planos Conclusiones Bibliografía

6. BIBLIOGRAFÍA TOCCI, Ronald . Sistemas Digitales, Principios y Aplicaciones,

España: Prentice Hall, Dossat, 1997.

MANDADO, ENRIQUE. Sistemas electrónicos digitales, Mexico: Marcombo-Alfaomega, 1996.

MORRIS, MANO. Diseño digital, México: Prentice Hall, 1994.

BARCO Y ARITIZABAL. matemática digital, COLOMBIA: Mc graw Hill

EJEMPLO DE PROYECTO

MOTORES

Material requerido Protoboard

Equipos de medida multímetro

Pinzas- pelacables y contario

Cortafrío - pinzas

Cables para conexión

Cable utp Conector pila 9vConector pila 9v

Pila 9vPila 9v

Componentes para montajes

Diodo Led

y resistencias de 220 ohmios y 1kilo ohmios,

Dip Switch 4pDip Switch 4p

Compuertas lógica 74ls08

Ç

Compuertas

74ls04

Compuertas lógica

74ls32

Compuertas lógicas

74ls86

DISPLAY CONTADOES Y DECOFIFICADORES

CONTADOR

Regulación de voltaje

Circuito para regular voltaje a 5v

Flip flop

PUNTA LOGICA

74ls90

Tabla para manejo de decimales en la conversión de binario a decimal

SISTEMAS DE NUMERACIÓN

CONCEPTO.- Un sistema de numeración es un conjunto de símbolos y

reglas que se utilizan para la representación de datos numéricos o cantidades.

Cada sistema de numeración se va ha caracterizar por su base que es el número de cada símbolo distinto que utiliza, y además determina el valor de cada símbolo, dependiendo de la posición que ocupe.

Sistema decimal. 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Base: 10

SISTEMA BINARIO

. SISTEMA BINARIO.-Símbolos: 0, 1.

Base: 2

Binary Digit1 Bit = 1 Simbolo

1 Byte = 8 bits1 Kb = 1024 bytes1 Mb = 1024 Kb1 Gb = 1024 Mb

SISTEMA OCTAL

Símbolos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Base: 8

SISTEMA HEXADECIMAL.

Símbolos: 0, 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F.

Base: 16

Conversión de decimal a binario CONVERSIÓN DE UN NUMERO DECIMAL A BINARIO Para esta transformación es necesario tener en cuenta los

pasos que siguientes Pasar el numero 42 base 10 a numero binario

1. se divide el numero 42 entre 2

2. se divide de nuevo el cociente obtenido por 2 y se repite el mismo procedimiento hasta que el cociente sea 1.

3. El numero binario se forma tomando el primer dígito el ultimo cociente, seguidos por los residuos obtenidos en cada división, seleccionándolos de derecha a izquierda, como se muestra en el siguiente esquema.

Conversión de decimal a binario .

Ejercicios

Convertir los siguiente números decimales en binarios

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

CONVERSIÓN DE UN NUMERO DECIMAL FRACCIONARIO A UN NUMERO BINARIO

Para transformar un número decimal fraccionario a un numero binario se debe seguir los siguientes pasos:

ejemplo: el numero 72,375.

42.375 1. la parte entera se transforma de igual forma que el

ejemplo anterior.

2. La parte fraccionaria de la siguiente manera:

Multiplicamos por el numero 2 y tomamos la parte entera del producto que ira formando el numero binario correspondiente

Tomamos nuevamente la parte entera del producto, y la parte fraccionaria la multiplicamos sucesivamente por 2 hasta llegar a 0

42.375 Se toma nuevamente la parte entera , y como la parte

fraccionaria es 0, indica que se ha terminado el proceso.

El numero binario correspondiente a la parte decimal será la unión de todas las partes enteras, tomadas de las multiplicaciones sucesivas realizadas durante el transcurso del proceso

En donde el primer dígito binario corresponde a la primera parte entera , el segundo dígito a la segunda parte entera , y así sucesivamente hasta llegar al ultimo .Luego se toma el numero binario , correspondiente a la parte entera , y el numero binario , correspondiente a la parte fraccionaria y se une en un solo numero binario correspondiente a el numero decimal.

Conversión de decimal fraccionario a binario

Resultado de la conversión

CONVERSIÓN DE UN NUMERO BINARIO A UN NUMERO DECIMAL

1. se toma los valores de posición correspondiente a las columnas donde aparezcan únicamente unos

2. se suman los valores de posición para identificar el numero decimal equivalente

10101 = 21

Binario a decimal

Tabla de valores según la posición

Tabla importante para tener en cuenta

Códigos hexadecimal

Código hexadecimal: Código en base 16

Cada dígito toma valores entre 0 y 15; se hace preciso distinguir de alguna forma los dígitos que tienen dos cifras

Ejemplo: 1 5 7 6

¿ Es “uno” y “cinco” o es “quince”?

Los dígitos a partir del 10 (inclusive) se denominan con

letras:

A, B, C, D, E y F

5B70h = 5*163+11*162+7*161+0*160 = 20480+2816+112+0=2340810

CODIGO BCDDecimal codificado en binario

Decimal: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 BCD: 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110

0111 1000 1001

El BCD es muy común en sistemas electrónicos donde se debe mostrar un valor numérico, especialmente en los sistemas digitales

Conversión binario ⇒ octal/hexadecimal

Binario ⇒ octal:Se agrupan los bits de tres en tres a partir del punto decimal, asignando el código octal a cada grupo

10110.10012 = 0 1 0 1 1 0 . 1 0 0 1 0 0 =26.448

Binario ⇒ hexadecimal:Se agrupan los bits de cuatro en cuatro a partir del punto decimal, asignando el código hexadecimal a cada grupo

10110.10012 = 0 0 0 1 0 1 1 0 . 1 0 0 1 =16.9h

Conversión octal/hexadecimal ⇒ binario

Octal / hexadecimal ⇒ binario :Se asigna a cada dígito octal/hexadecimal su correspondiente código binario

3 6 1 . 2 3 8

011 110 001 . 010 0112

7 C 6 . F 1h

0111 1100 0110 . 1111 00012

Ejemplos:octal ⇒ binario

hexadecimal ⇒ binario

Símbolos de la Lógica Matemática;qp∨ ,qop disyunción p y q: proposición compuesta que es

falsa cuando ambas p y q son falsas y verdadera en otro caso.

;qp ∧ ,qyp conjunción p y q: proposición compuesta que es verdadera cuando tanto como p y q son verdadera y falsa en otro caso.

p q

F F F

qp∨

p q

T T T

qp∧

Símbolos de la Lógica Matemática;p¬ ,pno negación de p : proposición formada al escribir

“no es el caso que” o “es falso que” antes de p o al insertar la palabra “no” de manera adecuada en p.

p

T F

p¬

Tablas de verdad

Una proposición lógica con n componentes tendrá renglones en su tabla de verdad.

n2

T F

F T

p¬p Nota: p proposición (1 componente):

renglones.

renglones.

renglones.

221 =

422 =823 =

Tablas de verdad

T T T

T F F

F T F

F F F

p q qp∧

T T T

T F T

F T T

F F F

p q qp∨

disyunción p y q: proposición compuesta que es falsa cuando ambas p y q son falsas y verdadera en otro caso.

conjunción p y q: proposición compuesta que es verdadera cuando tanto como p y q son verdadera y falsa en otro caso.

422 = renglones

Leyes del álgebra de proposiciones

4. Ley distributiva

5. Ley de absorción

6. Ley de De Morgan

( ) pqqp ¬∧¬≡∨¬

( ) pqqp ¬∨¬≡∧¬

( ) pqpp ≡∧∨

( ) pqpp ≡∨∧

( ) ( ) ( )rpqprqp ∨∧∨≡∧∨

( ) ( ) ( )rpqprqp ∧∨∧≡∨∧

El estado inicial de la compuerta OR es el de todas sus señales de entrada y salida

en cero lógico.

Observamos que poner S =1 obligó a que la salida Q se convirtiera en 1

Logramos memorizar un 1 en la salida Q del circuito, ya que ésta salida no cambiará, es decir, la bombilla no se apagará aunque el canario se retire del columpio o se vuelva a posar en él.

Adicionamos dos inversoras, lo que no producirá ninguna alteración en la salida

¿Qué debe hacer Boole ahora para activar nuevamente el sistema, es

decir deapagar la bombilla en el caso de usar

un LATCH SET o de encender nuevamente

la bombilla en el caso de usar un LATCH RESET si no desea

interrumpir elsuministro de corriente del circuito

digital?

LATCH SET- RESET

Existe otra forma de evitar que las entradas S y R tomen el valor de 1 al mismotiempo, y es usando una compuerta inversora entre las dos señales, así, cuando Ssea Uno (1), R será (0), y cuando S sea Cero(0), R será UNO (1):

SISTEMAS DIGITALES SECUENCIALES

1. TIEMPO DE ESTABLECIMIENTO (SETUP-TIME)

TIEMPO ANTERIOR AL FLANCO DE TOMA DE DATOS. DURANTE ESTE TIEMPO LA SEÑAL DE ENTRADA HA DE PERMANECER CONSTANTE PARA EVITAR ERRORES EN LA

LECTURA. 2. TIEMPO DE MANTENIMIENTO (HOLD-TIME) TIEMPO POSTERIOR AL FLANCO DE TOMA DE DATOS (DURANTE ESTE TIEMPO LA SEÑAL DE ENTRADA PERMANECERÁ CONSTANTE)

3. TIEMPO DE PROPAGACIÓN (DELAY-TIME)

TIEMPO QUE TRANSCURRE DESDE EL FLANCO ACTIVO DE RELOJ HASTA EL CAMBIO DE ESTADO.

4. TIEMPO DE “PRESET” Y “CLEAR”

TIEMPO MÍNIMO QUE DEBEN DE ESTAR ACTIVADAS LAS SEÑALES DE PRESET Y CLEAR Y QUE GARANTIZA SU CORRECTO FUNCIONAMIENTO.

5. FRECUENCIA MÁXIMA DE RELOJ

ES LA FRECUENCIA MÁXIMA PARA LA QUE EL FABRICANTE GARANTIZA EL CORRECTO FUNCIONAMIENTO DE LOS BIESTABLES.

FLIP FLOP T

Tabla de Activación

J

K

C l o c k

Q

Q

C l e a r

P r e s e t

T

J

K

C l o c k

Q

Q

C l e a r

P r e s e t

DFLIP – FLOP D

Tabla de Activación

Contador asíncrono – Método general de diseño

1. SE UTILIZAN BIESTABLES TIPO “T” O EQUIVALENTES.

2. EL NÚMERO DE BIESTABLES ES “N” Y “2N-1 < K ≤ 2N”, DONDE “K” ES EL NÚMERO DE ESTADOS O EL MAYOR DE LOS ESTADOS MAS 1 (SE ELIGE EL MAYOR DE LOS DOS).

3. EL RELOJ DEL SISTEMA SE CONECTA AL BIESTABLE DEL BIT DE MENOR PESO “LSB”.

4. LAS SALIDAS DE LOS BIESTABLES “QN” SE CONECTAN A LAS ENTRADAS DE RELOJ DE LOS BIESTABLES “QN+1”.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN: CONTADOR ASCENDENTE – DESCENDENTE MODULO 4

CONTADOR ASCENDENTE – DESCENDENTE MODULO 8

CONTADOR DESCENDENTE: 7 - 6 – 5 – 4 - 3

1. El número “n” de biestables necesarios, se obtiene de la expresión “2n-1 < k ≤ 2n”,

donde “k” es el número de estados o el mayor de los estados de la secuencia a

implementar mas “1”, se elige el mayor de los dos.

2. Se dibuja y comprueba el diagrama de estados con el orden de la secuencia a

implementar.

3. Se elige el tipo de biestable que se va a utilizar en el diseño y se anota su tabla de

transiciones.

4. Se escribe la tabla de transiciones del contador con los posibles valores Qn(t) y Qn(t+1) de

las salidas de los biestables y los correspondientes valores de las entradas.

5. De la tabla del punto "4" se obtienen las funciones combinacionales de las entradas de

los biestables.

METODO DE DISEÑO

Recordemos que esta tabla nos está indicando tres cosas:1. Que si el estado actual es 0, el estado futuro se tornará 1 cuando J sea 12. Que si el estado actual es 1, el estado futuro se tornará 0 cuando K sea 13. En cualquier otra condición el estado actual se conserva en el futuro.¿Cuantos flip-fliop se requiere usar?Como se deben generar tres salidas Q0, Q1 y Q2. Se requiere de tres flip-flop para generar cada un de ellas.

Lo que debemos lograr ahora es generar las señales de entrada J y K para cada uno de los flip-flop, tal que se generen las transiciones de estado que se plantean en la tabla de estados.Es decir, necesitamos generar los estados futuros Q0, Q1 y Q2 de los estadosactuales dados, ¿cómo deberán ser entonces J0K0, J1K1 y J2K2 para que éstoscambios de estado se generen?

Como las salidas de los flip-flop Q0, Q1 y Q2 no son sistemas aislados, es decir,deben interactuar todos juntos, los estados de las variables J y K de cada flip-flop deberán armonizar con los estados de Q0,Q1 y Q2.Analicemos el caso de Q0:

Tomemos los valores de Q0 de la tabla de estado y veamos que valores debentomar J0 y K0 para generar las transiciones de Q0 de acuerdo con la tabla del flipflopJK:

CONTADOR SÍNCRONO GENERADOR DE UNA SECUENCIA

Diseñar un contador sincrono de la secuencia: 0 – 1 - 8

Podemos resumir el diseño de circuitos secuenciales en las siguientes etapas:Establecer secuenciaIdentificar números de estadosAsignación de estadosTabla de transiciónEcuaciones excitaciónEcuaciones de la salidaCircuito

___

1

___

2

___

30 QQQJ =

___

10

___

23 QQQJ =

0J2 =

0J1 = 1K1 =

1K0 =

1K2 =

1K3 =

Diagrama de estados de un contador síncrono BCD ascendente/descendente.

flip-flops JK con Las entradas cortocircuitadas (flip-flops T).

 

Tabla de verdad del flip-flop T, en función del estado actual y el estado siguiente.

Qn Qn+1 T

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0 

xQ1

Q0Q1+1

Q0+1 D1

D0

0 0 0 0 1 0 1

0 0 1 1 0 1 0

0 1 0 1 1 1 1

0 1 1 0 0 0 0

1 1 1 1 0 1 0

1 1 0 0 1 0 1

1 0 1 0 0 0 0

1 0 0 1 1 1 1

DISEÑO DE UN CONTADO DISEÑO DE UN CONTADO ASCENDENTE DESENDENTE DE 2 ASCENDENTE DESENDENTE DE 2

BITSBITS

62256 - MEMORIA RAM ESTÁTICA 832Kx8 CMOS 70ns

0000

010

23

1

23

1

23

1

23

1

23

1

23

1

23

1

0 0 0 0 0 0

0

A010

A19

A28

A37

A46

A55

A64

A73

A825

A924

A1021

A1123

A122

CE20

WE27

OE22

D0 11

D1 12

D213

D315

D4 16

D5 17

D618

D719

A1326

A141

U1

62256

23

1 U2:A74126

0

C.C

Estas memorias son de Acceso Aleatorio, lo que significa que las posiciones en la memoria pueden ser escritas o leídas en cualquier orden, independientemente de cual fuera la última posición de memoria accedida. Cada bit en una SRAM se almacena en cuatro transistores, que forman un biestable. Este circuito biestable tiene dos estados estables, utilizados para almacenar (representar) un 0 o un 1. Se utilizan otros dos transistores adicionales para controlar el acceso al biestable durante las operaciones de lectura y escritura. Una SRAM típica utilizará seis MOSFET para almacenar cada bit. Adicionalmente, se puede encontrar otros tipos de SRAM, que utilizan ocho, diez, o más transistores por bit.1 2 3 Esto es utilizado para implementar más de un puerto de lectura o escritura en determinados tipos de memoria de video.

Static Random Access Memory (SRAM), o Memoria Estática de Acceso Aleatorio