4.1 tipos de circuitos

UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUP

CIRCUITOS DIGITALES Pgina 1

TIPOS DE CIRCUITOS

En un archivo de Word elabora una investigacin sobre tres circuitos del tipo:

Codificador, decodificador, comparador y contador y sus aplicaciones. Explica

detalladamente cmo funcionan dichos circuitos.

CODIFICADORES

Los codificadores nos permiten compactar la informacin, generando un cdigo de

salida a partir de la informacin de entrada. Y como siempre, lo mejor es verlo con un

ejemplo.

Imaginemos que estamos diseando un circuito digital que se encuentra en el interior de

una cadena de msica. Este circuito controlar la cadena, haciendo que funcione

correctamente.

Una de las cosas que har este circuito de control ser activar la radio, el CD, la cinta o

el Disco segn el botn que haya pulsado el usuario. Imaginemos que tenemos 4

botones en la cadena, de manera que cuando no estn pulsados, generan un 0 y

cuando se pulsa un 1 (Botones digitales). Los podramos conectar directamente a

nuestro circuito de control la cadena de msica, como se muestra en la figura 1.1. Sin



embargo, a la hora de disear el circuito de control, nos resultara ms sencillo que cada

botn tuviese asociado un nmero. Como en total hay 4 botones, necesitaramos 2 bits

para identificarlos. Para conseguir esta asociacin utilizamos un codificador, que a partir

del botn que se haya pulsado nos devolver su nmero asociado:

Figura 1.1: Circuito de control de una cadena de msica, y 4 botones de seleccin de lo que se

quiere escuchar.

Fijmonos en las entradas del codificador, que estn conectadas a los botones. En cada

momento, slo habr un botn apretado, puesto que slo podemos escuchar una de las

cuatro cosas.

Bien estaremos escuchando el CD, bien la cinta, bien la radio o bien un disco, pero no

puede haber ms de un botn pulsado1. Tal y como hemos hecho las conexiones al

codificador, el CD tiene asociado el nmero 0, la cinta el 1, la radio el 2 y el disco el 3

(Este nmero depende de la entrada del codificador a la que lo hayamos conectado).

A la salida del codificador obtendremos el nmero del botn apretado. La tabla de

verdad ser as:



El circuito de control de la cadena ahora slo tendr 2 bits de entrada para determinar el

botn que se ha pulsado. Antes necesitbamos 4 entradas. El codificador que hemos

usado tiene 4 entradas y 2 salidas, por lo que se llama codificador de 4 a 2. Existen

codificadores de mayor nmero de entradas, como el que vamos a ver en el siguiente

ejemplo.

Imaginemos que ahora queremos hacer un circuito para monitorear la situacin de un

tren en una va. En una zona determinada, la va est dividida en 8 tramos. En cada uno

de ellos existe un sensor que indica si el tren se encuentra en ese tramo (el sensor

devuelve 1) o fuera de l (valor 0). Se ve claramente que cuando uno de los sensores

est activado, porque que el tren se encuentre en ese tramo, el resto de sensores

devolvern un 0 (No detectan al tren).

Si conectamos todas las entradas de los sensores a un codificador de 8 a 3, lo que

tendremos es que a la salida del codificador saldr un nmero que indica el tramo en el

que se encuentra el tren. El circuito de control que conectemos a las salidas de este

codificador slo necesita 3 bits de entrada para conocer el tramo en el que est el tren, y

no es necesario 8 bits. Su diseo ser ms simple!!. La tabla de verdad es:



1. CODIFICADORES SIN PRIORIDAD:

Son aquellos que cuando se les aplican dos o ms seales de entrada presentan una

salida que no corresponde a la codificacin de una seal de entrada; Un ejemplo de

codificador sin prioridad se puede realizar con una matriz de diodos como el de la figura:

Al activar el interruptor del nmero decimal, la salida es su cdigo en binario

decimal (cdigo BCD).

Si estn activados dos o ms interruptores a la vez el cdigo ser incorrecto, ya

que conducirn todos los diodos activados.

2. CODIFICADORES CON PRIORIDAD:

Son aquellos en los que las salidas representan el cdigo binario correspondiente a la

entrada activa que tenga mayor valor decimal (prioridad ascendente), en caso de que

varias entradas estn activadas simultneamente. Cuando la entrada que acta sobre la

salida es la menor de todas las entradas activadas, se denomina prioridad descendente.

En l se incluye la lgica necesaria para asegurar que cuando dos o ms entradas son

activadas al mismo tiempo, el cdigo de salida corresponder al de la entrada que tiene

asociado el mayor de los nmeros En la siguiente figura tenemos como ejemplo de

codificador con prioridad ascendente el circuito integrado TTL 74148, que tiene 8 (23)



lneas de entrada (0 a 7), y 3 lneas de salida. La relacin de pines de este integrado es

la siguiente:

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7: entradas activas a niveles bajos (0V).

EI: entrada de inhibicin que debe estar a nivel bajo (0V) para que se realice la

codificacin.

C, B y A: en las salidas aparecen, activas tambin a nivel bajo (0V), los datos

codificados en binario de tres bits (4-2-1).

E0: que, en nivel bajo, indica que ninguna de las entradas es activa (sirve para

distinguir entre las situaciones de activacin de la entrada 0 y ninguna entrada

activa, ya que en ambos casos las salidas estn a nivel alto).

GS: que pasa a nivel bajo cuando alguna de las entradas es activa.

3. CIRCUITOS DE N BITS EN BASE A CIRCUITOS DE 4 BITS

Hay dos mtodos para conseguir un codificador de N a 2 N bits en base a codificadores

de M a 2M bits, siendo N > M. El primero de los mtodos es en cascada y el segundo en

paralelo.

Desarrollo en cascada de un codificador 16 a 4 en base a codificadores 8 a 3.



Desarrollo en paralelo de un codificador 16 a 4 en base a codificadores 8 a 3.

APLICACIONES:



DECODIFICADOR

Un decodificador es un circuito integrado por el que se introduce un nmero y se activa

una y slo una de las salidas, permaneciendo el resto desactivadas. Y como siempre, lo

mejor es verlo con un ejemplo sencillo. Imaginemos que queremos realizar un circuito de

control para un semforo. El semforo puede estar verde, amarillo, rojo o averiado.

En el caso de estar averiado, se activar una luz interna azul, para que el tcnico sepa

que lo tiene que reparar.

A cada una de estas luces les vamos a asociar un nmero. As el rojo ser el 0, el

amarillo el 1, el verde el 2 y el azul (averiado) el 3 (Ver figura 1.2).

Para controlar este semforo podemos hacer un circuito que tenga 4 salidas, una para

una de las luces. Cuando una de estas salidas est a 1, la luz correspondiente estar

encendida. Sin embargo, ocurre que NO PUEDE HABER DOS O MAS LUCES

ENCENDIDAS A LA VEZ.

Por ejemplo, no puede estar la luz roja y la verde encendidas a la vez!!!!.

Figura 1.2: El semforo que se quiere controlar



Figura 1.3: Circuito de control del semforo, usando un decodificador de 2 a 4

Si utilizamos un decodificador de 2 a 4, conseguiremos controlar el semforo

asegurndonos que slo estar activa una luz en cada momento. Adems, el circuito de

control que diseemos slo tiene que tener 2 salidas. El nuevo esquema se muestra en

la figura 1.3.

El funcionamiento es muy sencillo. Si el circuito de control enva el nmero 2 (E1 = 1, E0

= 0), _se encender la luz verde (que tiene asociado el nmero 2) y slo la luz verde!!!.

Un decodificador activa slo una de las salidas, la salida que tiene un nmero igual al

que se ha introducido por la entrada. En el ejemplo del semforo, si el circuito de control

enva el nmero 3, se activa la salida O3 y se encender la luz azul (y slo esa!!).

A la hora de disear el circuito de control, slo hay que tener en cuenta que cada luz del

semforo est conectada a una salida del decodificador y que por tanto tiene asociado

un nmero diferente.

1. DECODIFICADORES BINARIOS BSICOS.

Cuando se quiere determinar cundo por ejemplo aparece 1001 en las entradas de un

circuito digital.

Todas las entradas de la puerta AND estn a nivel ALTO ya que dicha puerta produce

una salida a nivel ALTO.



2. EL DECODIFICADOR DE 4 BITS DECODIFICADOR 1 DE 16.

Se utiliza para poder decodificar todas las combinaciones de 4 bits. Para cualquier

cdigo dado en las entradas solo se activa una de las posibles diecisis salidas.

Si requerimos una salida a nivel bajo, el decodificador de puede implementar con

puertas NAND e inversores, uno por cada salida.

A continuacin se muestra la tabla de verdad de un decodificador 1 de 16 con salidas

activas a nivel alto.



3. EL DECODIFICADOR BCD A DECIMAL.

Convierte cada cdigo BCD en uno de los diez posibles dgitos decimales.

El mtodo de implementacin es el mismo que para un decodificador 4 a 16, pero con la

diferencia de que las salidas son solo 10.

Obtendremos salidas activas a nivel ALTO y BAJO implementando las funciones con

puertas AND y NAND respectivamente.

APLICACIONES

Los decodificadores se emplean fundamentalmente para seleccionar los diferentes

puertos de E/S (entrada/salida) y as la computadora pueda comunicarse con los

diferentes dispositivos externos (perifricos). Estos decodificadores son conocidos como

decodificador de direcciones de puertos.

Direccionar una localidad de memoria, conversin de datos binarios,



Ejemplos:



COMPARADOR

Un circuito digital comparador realiza la comparacin de dos palabras A y B de N bits

tomadas como un nmero entero sin signo e indica si son iguales o si una es mayor que

otra en tres salidas A = B, A > B y A < B. Solo una de estas salidas estar a 1 y las

dems estarn a 0 dependiendo de los valores de las entradas.

Un comparador es un circuito analgico que monitorea dos entradas de voltaje. Uno es

llamado voltaje de referencia (Vref) y el otro voltaje de entrada (Vin). Cuando Vin se

incrementa por encima o se reduce por debajo de Vref, la salida (Vout) del comparador

cambia de estado entre bajo y alto.

Algunos circuitos integrados (como el IC-339, IC-311 etc.) se han diseado

especficamente como comparadores otros como el IC-741 aunque son en

realidad amplificadores operacionales pueden ser usados como comparadores. Estos

chips (generalmente con 8 patas) tienen una entrada para Vref, otra para Vin, una de

salida Vout, una para el voltaje de alimentacin (Vcc) y otra deTierra.

El esquema que sigue es un diagrama de como conectar un circuito integrado del tipo

IC-741 como comparador.

Como puede observarse el voltaje de alimentacin se conecta a la pata nmero 7 y la 4

a tierra. Las patas 2 y 3 son las patas de entrada de los voltajes a comparar, y el voltaje

de salida se obtiene por la pata 6.



En este caso cuando Vin exceda a Vref la salida pasa de alto voltaje (casi Vcc) a bajo

voltaje (pequeo remanente de voltaje), no exactamente o voltios. Por tal motivo se

habla de los estados alto y bajo.

1. CIRCUITO COMPARADOR SIMPLE NO INVERSOR.

El primer circuito a realizar en esta segunda prctica de laboratorio se trata de un circuito

comparador simple no inversor utilizando un amplificador operacional. Tambin se

emplear un transistor NPN para disparar un LED dependiendo de la comparacin

realizada en el amplificador a partir de la temperatura tomada en un NTC. Este circuito a

montar en el laboratorio se muestra en la siguiente imagen.

El circuito realiza una comparacin de los niveles de tensin que el amplificador

operacional posee en sus entradas y har que el transistor Q conduzca o no

(encendiendo el LED o apagndolo) dependiendo de la salida. El amplificador dar una

salida alternante entre los valores de aproximadamente 11V y -11V (VCC y VEE con un

error de 1V) no invertida dependiendo si el valor de referencia (entrada + o no inversora

del amplificador) es mayor o menor, respectivamente, del valor proporcionado en la

entrada de comparacin (entrada o inversora del amplificador).

El valor de la entrada + se encuentra fijado por los valores de resistencias R2 y R3, pero

el de la entrada se halla conectado a un sensor resistivo de temperatura NTC



(Negative Temperature Coefficient). Como se vio en la prctica de simulacin, un sensor

NTC reduce su resistencia al aumentar su temperatura y viceversa (vase el manual de

la prctica de simulacin para ms informacin del elemento NTC). Por lo tanto,

dependiendo de la temperatura que detecte el NTC, aumentar o disminuir su

resistencia, haciendo que cambie la tensin en la entrada , y que la comparacin del

amplificador conmute entre los valores 12V. El diodo conducir o no, haciendo que al

transistor Q le llegue o no una corriente de base para que conduzca (modo saturacin) o

no (modo corte). Al conducir, el LED se encender.

2. CIRCUITO COMPARADOR MEDIANTE REALIMENTACIN POSITIVA.

El segundo circuito a realizar en esta segunda prctica de laboratorio se trata de un

Trigger de Schmitt. Un Trigger de Schmitt es un comparador que tiene dos umbrales de

tensin de entrada diferentes gracias al uso de una realimentacin positiva. A la

existencia de dos umbrales de comparacin se denomina histresis.

Principalmente, el Trigger de Schmitt usa la histresis para prevenir el ruido que podra

tener la seal de entrada y que puede causar cambios de estado si los niveles de

referencia y entrada son parecidos. En la Figura, se muestra el funcionamiento de un



Trigger de Schmitt simtrico, que compara la seal de entrada UE con dos niveles de

tensin UTL (Low-Bajo) y UTH (High-Alto).

El funcionamiento es el siguiente: inicialmente, mientras el valor de la entrada UE sea

menor que UTH (UEUTL), la salida conmuta a USL. Finalmente, cuando UE sea menor que UTL

(UE>UTL), entonces la salida volver al estado de USH. A continuacin se muestra una

imagen del funcionamiento mencionado.

Para implementar el Trigger de Schmitt en esta prctica se utilizar un amplificador

operacional realimentado positivamente. Los niveles de conmutacin de la salida sern

en este caso de VCC para USH, y VEE para USL (despreciando la cada de



aproximadamente 1V dentro del operacional), dependiendo si el valor de voltaje en la

entrada inversora es menor que UTH (valor determinado por R2, R3 y USH=VCC) o

mayor que UTL (valor determinado por R2, R3 y USL=VEE). En la prctica, se propone

que el nivel de tensin en la entrada inversora est determinado por un elemento LDR

(Light Dependent Resistor), que posee una resistencia variable en funcin de la luz que

capte del entorno. El LDR utilizado es el NSL-19M51, cuyo data sheet se proporciona

con el material de la prctica. Al igual que el circuito anterior, la comparacin se podr

verificar con el encendido de un LED en la salida del amplificador operacional, activado

mediante un transistor NPN.

3. COMPARADOR INVERSOR CON HISTRESIS O COMPARADOR

REGENERATIVO

En este comparador la seal de entrada Ve puede oscilar entre una gama de valores

antes que la salida cambie de estado. En principio si Ve < 0, la salida Vo satura a

positivo. Si queremos cambiar de estado la salida deberemos aplicar una Ve mayor que

VR2. Esta tensin deber ser:



Una vez superada Vp, el operacional saturara a negativo por lo cual para volver a

cambiar su estado deberemos aplicar una tensin ms negativa que la VR2. Es decir:

El resultado es que mientras la seal de entrada est entre los valores de Vv y Vp la

salida no cambiar de estado. - Comparador no inversor con histresis.

Supongamos:

Vsal = + Vsat



APLICACIN:



CONTADOR

En electrnica digital un contador (en ingls, counter) es un circuito

secuencial construido a partir de biestables y puertas lgicas capaz de almacenar y

contar los impulsos (a menudo relacionados con una seal de reloj), que recibe en

la entrada destinada a tal efecto, asimismo tambin acta como divisor de frecuencia.

Normalmente, el cmputo se realiza en cdigo binario, que con frecuencia ser el binario

natural o el BCD natural (contador de dcadas).

Los contadores son sistemas secuenciales con una sola entrada de impulsos a contar,

cuyo estado interno en cada instante representa el nmero de impulsos que se han

aplicado.

Si los impulsos ocurren a intervalos de tiempo conocidos, un contador puede utilizarse

como un instrumento de medida de tiempos.

Fundamentalmente estn constituidos por biestables sincronizados por flancos que

sern realimentados de diferentes formas.

Existen bsicamente dos tipos de contadores:

Contadores Sncronos.

Contadores Asncronos.

CARACTERSTICAS DE LOS CONTADORES

Frecuencia mxima de los impulsos a contar: Esta ser la mayor frecuencia (rapidez

de pulsos a contar) que es capaz de seguir el contador. Este valor depender de la

tecnologa utilizada en su fabricacin y del diseo del contador.

Cdigo de contaje: El cdigo binario utilizado para realizar el contaje de los impulsos

puede ser cualquiera. Si el contador est integrado en un C.I. dicho cdigo vendr

especificado en sus hojas de caractersticas.



Capacidad de contaje o Mdulo del contador: El nmero de estados diferentes por lo

que pasa un contador antes de volver a su estado inicial se denomina mdulo del

contador o capacidad de contaje, este parmetro determina el nmero de biestables que

ha de tener el contador.

Si N es el nmero de impulsos a contar, el nmero de biestables (n) ha de

cumplir:

2n-1

N 2n

Modo de funcionamiento: Los contadores pueden ser sncronos o asncronos.

Los asncronos son aquellos en los que las entradas de reloj que los gobiernan no

actan simultneamente en todos los flip-flops sino secuencialmente, es decir, los

impulsos a contar no se aplica a las entradas de reloj de todos los flip-flops a la

vez, sino generalmente slo a la del primero, y las entradas de reloj del resto son

gobernadas por las salidas del biestable precedente.

Los sncronos son aquellos en los que los impulsos a contar se aplican a todas las

entradas de reloj de todos los biestables a la vez.

En general los contadores sncronos son ms rpidos que los asncronos, pero

ms complejos, adems los asncronos presentan el problema de adquirir

transitoriamente estados indeseados.

No es obligatorio que los contadores agoten todas las posibles combinaciones.

El contaje no tiene porque realizase de forma ordenada.

Existen contadores crecientes y decrecientes.

Existen tambin contadores programables en los que mediante entradas

paralelas puedo cargar la cifra inicial pudiendo ser a su vez esta carga sncrona

o asncrona.



CLASIFICACIN DE LOS CONTADORES

1. CONTADORES SNCRONOS

Su caracterstica distintiva es que la seal de cuenta se aplica a todos los biestables

simultneamente. Este hecho significa que todos los biestables conmutarn a la vez y,

por tanto, no ocurrirn situaciones transitorias exteriores al cdigo. Por otra parte al

conmutar todos los biestables a un tiempo, la frecuencia mxima de trabajo ser, en

general, mayor que en los contadores asncronos. El retardo implicado en la

conmutacin ser el de un solo biestable.

Para el diseo de un contador de este tipo puede seguirse el proceso de diseo indicado

en el apartado sobre contadores asncronos, pero nosotros vamos a utilizar la teora de

Autmatas Finitos para realizarlos, teniendo en cuenta que:

Siempre lo haremos por Moore

Que cada estado interno se corresponde con un estado del contador (coinciden

las salidas del contador con la de los biestables que lo forman).

La nica seal de entrada es la del reloj.

2. CONTADORES CRECIENTES

Veamos cual sera el proceso para realizar contadores sncronos binarios crecientes de

mdulos: 2, 4 y 8.



Como resulta un circuito muy sencillo evitaremos realizar la tabla de estados y

asignaremos los cdigos que sern coincidentes con los estados de salida:

3. CONTADORES DECRECIENTES. REVERSIBLES

Los circuitos diseados a manera de ejemplo en los apartados anteriores, cuentan en

sentido creciente, es decir, van tomando estados correspondientes a cifras de mayor

orden de magnitud conforme se aplican los impulsos de avance.



Puede disearse un tipo de contador tal que su contenido decrezca conforme le llegan

los impulsos de cuenta. El proceso de diseo es igual que para los contadores

crecientes.

4. CONTADORES ASNCRONOS

En los contadores asncronos solamente uno de los biestables recibe la seal de reloj

exterior, al correspondiente a la cifra menos significativa, y las salidas de unos

biestables se conectan a las entradas de otros; son las conmutaciones de unos

biestables las que hacen bascular a los dems. No todos los biestables conmutan a la

vez ya que se acumularn retardos a medida que la seal va pasando de unos a otros.

La mxima velocidad de trabajo del contador vendr limitada por estos efectos.

Tendremos presente la tabla de funcionamiento de los distintos tipos de Bi estables.

En los contadores asncronos es usual utilizar biestables tipo T para su implementacin.

Veamos algunos ejemplos de diseo de contadores asncronos.

5. CONTADORES PRE DISPONIBLES

El trmino pre disponible se refiere a la cualidad que poseen ciertos contadores de poder

adquirir un estado directamente, mediante una carga en paralelo, normalmente a travs

de las entradas asncronas de los biestables que forman el contador.

El inters de estos contadores radica en la posibilidad de obtener un contador de mdulo

variable al tomar como estado de partida uno cualquiera de los posibles. En efecto, si un

contador creciente de mdulo N se predispone en M, de forma que cada vez que supera

el estado N toma como siguiente estado el M (en lugar de 0) resulta que se habr

transformado en un contador de mdulo N-M.



6. CONTADORES PROGRAMABLES

Se refiere el ttulo a contadores que pueden seguir ms de una secuencia en funcin de

alguna entrada adicional que condiciona la secuencia de cuenta.

Podemos suponer un contador con dos secuencias de cuenta que a su vez pueden ser

totalmente independientes (excepto el estado inicial) o pueden compartir algn estado.

En cuanto a la entrada auxiliar necesaria para seguir una u otra secuencia, puede ser

que deba permanecer validada durante toda la secuencia, o solamente en el momento

en que se debe decidir por una de las dos secuencias.

Tomemos como ejemplo un contador decimal que posee una entrada de seal auxiliar E,

de forma que si E = 0 recorra la secuencia de nmeros pares, y si E = 1 recorra la de los

nmeros impares. El estado de partida ser el 0000. Las secuencias son independientes

como se puede deducir del enunciado.

Este problema puede resolverse de dos maneras. Una de ellas considerando que

mientras E = 0 solo son posibles los estados 2, 4, 6, 8 y durante el tiempo que E = 1 la

secuencia ser 1, 3, 5, 7, 9. La otra sera que ambos parten del mismo punto y en

funcin del valor que toma E en ese instante se toma una u otra secuencia. Los

diagramas de flujo para ambos casos seran:



El mtodo de diseo de este tipo de contadores es en todo similar al visto anteriormente,

con la particularidad de incluir entradas adicionales.

7. Contadores en anillo

Un contador en anillo consta de tantos biestables como smbolos existen en la base

elegida. De todos estos biestables solo uno est a nivel alto y los restantes a nivel bajo o

viceversa.

Con cada impulso de cuenta este nivel alto (o bajo) se va desplazando cclicamente. Se

dice que el contador se encuentra en estado n, cuando el biestable Bn posee el nivel

activo respecto a los dems. Para realizar su sntesis puede procederse como en los

casos anteriores sin embargo su estructura es tan sencilla que en la prctica se

construyen mediante registros de desplazamiento en los que la salida del registro se

conecta a la entrada del mismo, y cargando el registro con el valor deseado al inicio.

As un contador en anillo de mdulo 4 sera el mostrado.

La ventaja de los contadores en anillo est en la posibilidad de realizar contadores

decimales de lectura directa sin necesidad de decodificador. El inconveniente es el

nmero de biestables utilizados.



8. CONTADOR BIQUINARIO

Es un contador en anillo de cinco etapas al que se aade un biestable (normalmente tipo

T) que cambia de estado cada cinco impulsos de avance. Con los impulsos de avance,

del 0 al 4, el biestable permanece a cero, y del 5 al 9 pasa a la tabla de funcionamiento y

el circuito.

La ventaja respecto del contador en anillo es que se produce un ahorro del 40% de

biestables, en cambio, ahora es necesario decodificar las salidas.



APLICACIN:

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