ejemplos ddigital usando ni-elvis ii vazquezxelraul

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INSTRUMENTACIÓN

ELECTRÓNICA Y CIENCIAS ATMOSFÉRICAS

Manual de Prácticas de Circuitos Digitales con el

NI ELVIS II

T E S I N A

Que para evaluar la experiencia educativa Experiencia

Recepcional (MEIF), del Programa Educativo Ingeniería en

Instrumentación Electrónica.

Presenta:

RAÚL EDMUNDO VÁSQUEZ XEL

Director:

M.I.A. LETICIA CUÉLLAR HERNÁNDEZ

Co-Director:

M.C. JESÚS SÁNCHEZ OREA

Xalapa-Enríquez, Ver. Diciembre 2012.

Agradecimientos

El agradecimiento más profundo y sentido es para mis padres, por su ejemplo de honestidad, tenacidad y

superación. Sin su apoyo, confianza e inspiración habría sido difícil llevar a cabo un camino tan arduo y

lleno de dificultades, como lo es culminar una carrera universitaria.

Debo agradecer de manera sincera a mis directores de tesis por su apoyo, dedicación y capacidad para guiarme,

y poder terminar este trabajo.

INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1

CAPÍTULO 1. Introducción al NI ELVIS II ............................................................. 3

1.1 Ventajas para desarrollar prácticas sobre esta plataforma ............................ 4 1.2 La importancia del uso de laboratorios para experimentar ............................ 5 1.3 Descripción de la Plataforma NI ELVIS II y de los Instrumentos Virtuales ............................................................................................................... 6

CAPÍTULO 2. Prácticas con Circuitos Combinacionales ................................. 13

2.1 Antecedentes ............................................................................................... 13 2.2 Práctica No. 1: Decodificador de 3 líneas de entrada a 8 líneas de salida .. 14

2.2.1 Introducción ........................................................................................... 14 2.2.2 Objetivos de aprendizaje ....................................................................... 15 2.2.3 Material .................................................................................................. 15 2.2.4 Desarrollo de la práctica ........................................................................ 15 2.2.5 Resultados ............................................................................................. 16

2.3 Práctica No. 2: Convertidor de código BCD a exceso 3 ............................... 18


2.4 Lógica Combinacional con MSI (Integración a media escala) y LSI (Integración a gran escala) ................................................................................ 23

2.4.1 Antecedentes ......................................................................................... 23

2.5 Práctica No. 3: Comparador de magnitud de 4 bits con Circuitos Integrados MSI ..................................................................................................................... 25


2.6 Práctica No. 4: Multiplexor cuádruple de 2 a 1 línea de salida ..................... 29

2.6.1 Introducción ........................................................................................... 29 2.6.2 Objetivos de aprendizaje ....................................................................... 29 2.6.3 Material .................................................................................................. 30

Índice

2.6.4 Desarrollo de la práctica ........................................................................ 30 2.6.5 Resultados ............................................................................................. 32

CAPÍTULO 3. Prácticas con Lógica Digital Secuencial .................................... 33

3.1 Antecedentes ............................................................................................... 33 3.2 Práctica No. 5: Tipos de FLIP-FLOPS ......................................................... 34


3.3 Práctica No. 6: Contador Binario con Flip-Flop T ......................................... 40


3.4 Diseño Digital Basado En PLD’S (Dispositivos Lógicos Programables) ...... 44

3.4.1 Antecedentes ......................................................................................... 44

3.5 Práctica No. 7: Decodificador binario a octal con la Gal20V8 ..................... 46


3.6 Práctica No. 8: Decodificador de BDC a 7 segmentos con la GAL20v8 y LabVIEW ............................................................................................................ 52


Apéndice A. Instalación del software NI LabVIEW y NI ELVIS II ..................... 58 Apéndice B. Uso del Simulador de Circuitos Electrónicos NI MULTISIM ...... 63 Apéndice C. Descripción de las Funciones que usa LabVIEW en el diagrama de bloques ........................................................................................................... 67 Bibliografía ........................................................................................................... 70

Manual de prácticas de circuitos digitales con el NI ELVIS II

1

Raúl Edmundo Vásquez Xel

LabVIEW™ es un entorno de programación gráfica de gran utilidad para sofisticadas mediciones, control y diseño de sistemas electrónicos y de instrumentación. El lenguaje utilizado en este software es el lenguaje Gráfico (G). LabVIEW proporciona a ingenieros y científicos herramientas necesarias para crear aplicaciones que sean capaces de medir y controlar variables físicas.

Los programas creados en el entorno gráfico LabVIEW son llamados instrumentos virtuales o por sus siglas en ingles VI. Su apariencia y operación imitan instrumentos físicos reales, como osciloscopios y multímetros.

LabVIEW construye una interfaz gráfica de usuario con un conjunto de herramientas (botones, led’s, gráficas, etc.) capaces de adquirir las entradas y representar las salidas proporcionadas por el programa, ésta interfaz de usuario se conoce como panel frontal. El diagrama de bloques generado por LabVIEW contiene el código fuente, utiliza representaciones gráficas de funciones (matemáticas, operaciones booleanas, de comparación, etc.) para controlar los objetos del panel frontal, de alguna manera, el diagrama de bloques se asemeja a un diagrama de flujo. José Rafael Lajara y José Peligrí [1].

La plataforma NI ELVIS™ II es una herramienta empleada en el laboratorio de electrónica, esta plataforma consta de instrumentos virtuales creados con LabVIEW, un mecanismo multifuncional de adquisición de datos (DAQ), una estación de trabajo y un protoboard removible. El NI ELVIS II cuenta con conexión USB, también ofrece la flexibilidad de la instrumentación virtual, permite la rápida y fácil adquisición y visualización de señales eléctricas que se generan al realizar las pruebas y medidas de sistemas electrónicos [2].

Adquisición de datos es el proceso de recopilación y medición de señales eléctricas, es capaz de enviar los datos a una computadora para procesarlos. La adquisición de datos también puede incluir la salida de señales analógicas o señales digitales.

NI ELVIS II es un sistema de adquisición de datos diseñado para los laboratorios destinados a la enseñanza. Los sistemas de adquisición de datos (DAQ) son capaces de capturar, medir y analizar los fenómenos físicos del mundo real. Luz, temperatura, presión son ejemplos de los diferentes tipos de señales que un sistema de adquisición de datos puede medir [3].

INTRODUCCIÓN


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Este trabajo recepcional tiene como finalidad el cumplimiento de los siguientes objetivos:

El objetivo específico, es proporcionar un manual, que facilite al usuario el aprendizaje y manejo de la plataforma NI ELIVIS II, y dar a conocer las herramientas tanto físicas como virtuales, para desarrollar Sistemas Digitales. Además, se plantean varios ejemplos de aplicación, con los cuales se pretende la realización de prácticas digitales ocupando dicha plataforma.

El objetivo de las prácticas, consiste en apoyar a los alumnos de los programas educativos que incluyan electrónica, a implementar prácticas digitales en la plataforma NI ELVIS II, por consiguiente, los alumnos serán capaces de diseñar y construir circuitos digitales, ocupando el protoboard y los instrumentos virtuales incluidos con la plataforma, de esta manera aplicarán los conocimientos adquiridos en clase.

La plataforma NI ELVIS II consigue desarrollar una valiosa herramienta, que permite a los estudiantes reforzar sus conocimientos y lograr una mayor comprensión de los mismos, que muchas veces resulta complicado conseguir por los medios tradicionales, a diferencia del NI ELVIS que es un laboratorio completo, tanto físico como virtual.

La plataforma NI ELVIS II cuenta con distintos instrumentos virtuales como lo son: Multímetro, Osciloscopio, Generador de Señales y otros, además de contar con fuente fija de 5 volts, y una fuente regulable donde la alimentación positiva proporciona un voltaje que va de 0V a +12V, y la alimentación negativa proporciona un voltaje de 0V a -12V.

Los ejercicios que se presentan en este manual tratan de ejemplificar de manera práctica los bloques del conocimiento en el área de inicio de Circuitos Digitales, los cuales son: Circuitos Combinacionales y Circuitos Secuenciales.

El presente trabajo se desarrolló bajo el siguiente orden, en el primer capítulo se hace una introducción acerca de la plataforma NI ELVIS II, permitiendo a los alumnos conocer a grandes rangos el funcionamiento y las herramientas con las que cuenta dicha plataforma. En el siguiente capítulo se explica cómo se deben diseñar e implementar las prácticas; utilizando los circuitos combinacionales, como por ejemplo: decodificadores, multiplexores y convertidores de código, a éste apartado se anexo una sección en relación a la aplicación de lógica combinacional MSI (Integración a media escala) y LSI (Integración a gran escala). Por último, en el tercer capítulo se expone cómo realizar prácticas con circuitos secuenciales, como lo son Flip-Flops y contadores, también, se incluye una sección donde se diseñan dos prácticas con dispositivos lógicos programables (PLD), en éstas se ocupa la GAL20V8 y LabVIEW.


3


La plataforma NI ELVIS II, por sus siglas en inglés de Educational

Laboratory Virtual Instrumentation Suite II (Conjunto de laboratorio educativo de

instrumentación virtual II), es un diseño basado en LabVIEW con un entorno para la elaboración de prototipos, que National Instruments construyó con una combinación de hardware y software, para que estudiantes, académicos y otros usuarios cuenten con una plataforma que tenga características de un laboratorio de Electrónica.

No obstante, NI ELVIS II necesita de la instalación de NI LabVIEW, así como del controlador NI myDAQmx y también del NI ELVISmx para funcionar adecuadamente. En el apéndice A se explica como instalar dichos programas.

NI ELVIS II tiene las siguientes características [4]: Los instrumentos virtuales integrados para la computadora son los siguientes:

- Multímetro digital (DMM): Este instrumento comúnmente utilizado, puede realizar los siguientes tipos de mediciones: • Voltaje de DC, cuyos rangos van de 200mV a 60V. • Corriente DC y AC, parámetros de 200mA a 2A. • Resistencia, rangos de 200Ω a 20MΩ.

- Osciloscopio: cuenta con dos canales de entrada, puede introducir una señal AC/DC, el rango de voltaje máximo que puede recibir en DC es de +/- 10V y en AC es de 7Vrms, la frecuencia máxima que puede medir es de 100MHz.

- Generador de funciones: este instrumento le proporciona opciones para elegir el tipo de onda de salida deseado (senoidal, cuadrada o triangular), la selección de la amplitud y de la frecuencia, la cual tiene un rango de 200mHz a 5MHz en una señal senoidal y en una señal cuadrada o triangular el rango es de 200mHz a 1MHz. Además, el instrumento ofrece ajuste de DC offset, la frecuencia de barrido y la modulación; el rango de voltaje máximo que puede generar es de 10V y 5V TTL.

- Fuentes de alimentación fijas de 5V y +/- 15V, con una corriente máxima de salida de 2A y 500mA respectivamente.

- Fuentes de alimentación variables: la alimentación positiva puede proporcionar un voltaje de salida de 0V a +12V y la alimentación

CAPÍTULO 1

Introducción al NI ELVIS II


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negativa puede proporcionar un voltaje de salida de 0V a -12V, con una corriente de salida de 500mA en ambas.

NI ELVIS II resulta una herramienta adecuada para la enseñanza de la electrónica y el diseño de circuitos electrónicos, esto puede ser útil para los estudiantes de ingeniería electrónica, ingeniería mecánica-eléctrica e ingeniería biomédica y otras afines al área.

El protoboard se puede extraer físicamente de la plataforma del NI ELVIS II como se ilustra en la figura 1.1, para que los estudiantes lo empleen en casa y de esta manera construyan los circuitos que van a desarrollar en clase, y así, en las horas de laboratorio realicen las pruebas pertinentes para el circuito electrónico, ahorrando tiempo en las clases de laboratorio. Las características más relevantes de la plataforma NI ELVIS II se mencionan enseguida:

• Protección de cortocircuito con un fusible interno de 1.25 Ampers a 250V. • Entradas BNC1 para generador de funciones y osciloscopio. • Protoboard removible, fácil de transportar.

Figura 1.1. Protoboard de la plataforma NI ELVIS II.

1.1 Ventajas para desarrollar prácticas sobre esta plataforma

Este manual de prácticas permitirá al alumno comprender y aplicar los conocimientos que deben considerarse en el diseño de circuitos digitales al relacionar la teoría con la práctica; con dicha plataforma se pretende preparar profesionalmente al alumno de ingeniería para que tenga herramientas en el proceso de diseño e implementación de prácticas en electrónica digital, así como en el uso de software de apoyo como son los simuladores de circuitos electrónicos, en este caso será ocupado el simulador Multisim y en el apéndice B se ilustra cómo ocupar las herramientas que trae integradas sobre el NI ELVIS II) y comparar la simulación con las medidas generadas por el circuito que son mostradas a través de LabVIEW.

1 El conector BNC del inglés (Bayonet Nut Connector) es un tipo de conector para uso con cable coaxial.


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Las ventajas que genera el uso de la plataforma NI ELIVS II se describen a continuación:

Al ocupar la plataforma NI ELVIS II, se le fomentará al alumno una enseñanza más activa, participativa e individualizada, donde se impulse el método científico. De este modo, se favorece a que el alumno: desarrolle habilidades, aprenda técnicas elementales y se familiarice con el manejo de instrumentos, programación y simulación que le serán de utilidad tanto en el área académica como en el campo laboral.

Esta plataforma cuenta con todos los instrumentos adecuados para la realización de prácticas de laboratorio, ya sea en el área digital cómo en el área analógica, lo cual se ve reflejado en términos de espacio y en costos de mantenimiento del laboratorio.

Reduce la cantidad de equipo de laboratorio externo, es decir, fuentes de voltaje, osciloscopios, generadores de funciones, por mencionar algunos.

1.2 La importancia del uso de laboratorios para experimentar

La importancia de los laboratorios tanto en la enseñanza de las ciencias como en la investigación y en la industria es, sin duda alguna, indiscutible. No se puede negar que el trabajo práctico en laboratorio proporciona la experimentación, el descubrimiento, y evita el concepto de “resultado correcto” que se tiene cuando se aprende de manera teórica, es decir, sólo con los datos procedentes de los libros. Sin embargo, el uso de laboratorios requiere de tiempo adicional al de una clase convencional, por ejemplo, para descubrir y aprender de los propios errores.

En términos generales, un laboratorio es un lugar equipado con diversos instrumentos de medición, entre otros, donde se realizan experimentos o investigaciones diversas, según la rama de la ciencia a la que se enfoque. Dichos espacios se utilizan tanto en el ámbito académico como en la industria y responden a múltiples propósitos, de acuerdo con su uso y resultados finales, sea para la enseñanza, para la investigación o para la certificación en la industria. Guadalupe Lugo [5].

Por lo regular algunas de las ramas de las ciencias naturales se desarrollan y progresan gracias a los resultados de la experimentación que se obtienen en los laboratorios. Por su parte, en el área de la industria, éstos, se emplean para probar, verificar y certificar productos, puesto que, los laboratorios del sector industrial son más especializados y cubren un amplio abanico de aplicaciones con el propósito de asegurar un control, lograr un aseguramiento de calidad y permitir mejorar la calidad de sus productos.

En la formación académica las prácticas de laboratorio se utilizan como herramientas de enseñanza para reafirmar los conocimientos adquiridos en el proceso enseñanza-aprendizaje. Cabe destacar que éstas, permiten mostrar el fenómeno y comportamiento de ciertos procesos, mientras que, en el terreno de la


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investigación, permiten avanzar al estado del conocimiento y realizar investigación de punta. La experiencia en laboratorio también brinda la valiosa oportunidad para que los estudiantes desarrollen habilidades de comunicación tanto oral como escrita, liderazgo y cooperación. Y una vez saliendo de las universidades sean capaces de afrontar y resolver problemas que se les presenten cuando se encuentren en el mundo laboral. En los laboratorios de ambos sectores, las prácticas aportan parte del método científico, validan la teoría y permiten la simulación por computadora.

En el área de ingeniería, un laboratorio bien equipado es una valiosa herramienta que contribuye a reforzar la enseñanza, y en el que los alumnos puedan lograr una mayor comprensión difícil de lograr por otros medios. En este espacio los alumnos pueden verificar el modelo, validar y limitar suposiciones, y predecir rendimientos.

1.3 Descripción de la Plataforma NI ELVIS II y de los Instrumentos

Virtuales

A continuación se explica cómo se debe conectar la plataforma, para empezar a utilizarla (ver la figura 1.2):

1. Conectar el cable USB de la estación de trabajo, a la computadora. 2. Conectar la fuente de alimentación AC/DC, a la estación de trabajo. 3. Conectar el suministro de alimentación a una toma de corriente. 4. Encender el interruptor de alimentación de la estación de trabajo, que

se localiza en la parte trasera.

Figura 1.2. Sistema típico de la plataforma NI ELVIS II.

1. Computadora 4. Protoboard del NI ELVIS

2. Cable USB 5. fuente de alimentación AC/DC

3. Estación de Trabajo del NI ELVIS 6. Cable que va a la toma de corriente


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El panel posterior de la estación de trabajo tiene los siguientes componentes (ver la Figura 1.3):

1. Interruptor de encendido de la Plataforma: Éste se utiliza para encender o apagar la plataforma NI ELVIS II.

2. Conexión de alimentación de AC/DC. 3. Puerto USB: se emplea para conectar la estación de trabajo a una

computadora. 4. Ranura para sujetar los cables. Se utiliza para sujetar los cables a la

estación de trabajo y no haya riesgo de que se enreden o desconecten. 5. Conector de cable de seguridad Kensington, se emplea para asegurar la

estación de trabajo a un objeto estacionario.

Figura 1.3. Vista posterior de NI ELVIS II.

La estación de trabajo proporciona una gran variedad de funciones que a continuación se explican (ver la figura 1.4):

1. Contiene siete “Entadas/Salidas” analógicas configurables. 2. Contiene veinticuatro “E/S” digitales configurables. 3. Interruptor de alimentación, del protoboard. 4. Botones de control, para regular el voltaje de la fuente de poder

variable. 5. Incluye ocho Led’s. 6. Botones para variar la frecuencia y amplitud del generador de

funciones. 7. Conector de puerto serial D-SUB. 8. “E/S” configurables del conector D-SUB, “E/S” configurables de los

led’s y fuente de poder DC. 9. Multímetro Digital, Generador de funciones, fuente de poder variable

y fuente de poder DC. 10. Incluye dos terminales de tornillo, las cuales se pueden configurar

como “E/S”. 11. Incluye dos conectores BNC, los cuales pueden configurarse como

“E/S”. 12. Clavijas estilo-banana del multímetro.


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13. Conectores BNC del osciloscopio. 14. Conectores BNC del generador de funciones. 15. Clavijas estilo-banana configurables como “E/S”.

Figura 1.4. Estación de Trabajo del NI ELVIS II.

NI ELVISmx Instrument Launcher

El programa NI ELVISmx Instrument Launcher que se muestra en la figura 1.5, trae incluidos los instrumentos virtuales, los cuales se describen enseguida. Para ejecutar este programa, se busca el lanzador en la siguiente ruta: Inicio »Todos los programa» National Instruments »NI ELVISmx for NI ELVIS & NI myDAQ » NI ELVISmx Instrument Launcher.

Figura 1.5. NI ELVISmx Instrument Launcher.


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Generador de Funciones (FGEN)

Antes que nada, para utilizar el generador de funciones, se debe conectar un cable BNC en la plataforma NI ELVIS II, donde se localiza la entrada FGEN o también se puede colocar un cable en el protoboard (véase la figura 1.6 inciso a), después se selecciona el FGEN del NI ELVISmx Instrument Launcher. A continuación se describe éste instrumento virtual (ver la figura 1.6 inciso b):

1. Botón de ajuste de forma de onda. 2. Ajuste de Frecuencia 3. Ajuste de amplitud 4. Ajusta si la señal va a ser enviada mediante el cable BNC o el

protoboard. 5. Si se habilita esta casilla, la señal se regula por los botones de control

que están en la parte derecha del protoboard.

a) Conexión en el NI ELVIS II. b) Ajustes.

Figura 1.6. Generador de Funciones.

Osciloscopio (Scope)

Para el uso del osciloscopio, se conecta un cable BNC en Scope CH0/CH1 o también se puede conectar en el protoboard (véase fig. 1.7 inciso a) a cualquier señal que se quiera medir, o se puede conectar directamente al generador de funciones, luego se selecciona el instrumento de osciloscopio (scope) en el NI ELVISmx Instrument Launcher, líneas abajo se describen los ajustes que se pueden realizar, ver la figura 1.7 inciso b:


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1. Ajusta en que parte de la plataforma se va a recibir la señal. 2. Este apartado es para habilitar uno o ambos canales. 3. Escala de Volts/División de la cuadricula de la pantalla. 4. Ajuste del Tiempo/división.


Figura 1.7. Ajustes del Osciloscopio.

Multímetro Digital (DMM):

Como utilizar el Multímetro Digital (DMM):

1. Conectar dos cables con conexión tipo-banana al multímetro digital DMM en la estación de trabajo donde se localizan las entradas [VΩ] y [COM] (véase la figura 1.8 inciso a), el otro extremo de los cables se conectan al dispositivo que se quiera medir.

2. Hacer clic en el icono del multímetro en el NI ELVISmx Instrument Launcher que se muestra en la figura 1.8 b). Después se selecciona el tipo de variable que se quiera medir (voltaje, corriente, resistencia, etc.), el instrumento se puede ocupar para medir en Auto-rango o elegir una determinada escala.


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Figura 1.8. Multímetro Digital.

Lector Digital (DigIn)

El instrumento virtual que lleva por nombre Lector Digital (DigIn), se muestra en la figura 1.9. Este instrumento se ocupa para realizar las prácticas incluidas en este manual, dado que puede leer hasta ocho bits en código binario. Las entradas de datos del instrumento se localizan en el protoboard (véase la figura 1.10 inciso a), de las 24 terminales digitales incluidas con la estación de trabajo, este instrumento ocupa sólo 8 terminales, las cuales se seleccionan en el apartado “Lines to Read” y así, lea correctamente los bits que reciba.

Figura 1.9. Lector Digital.


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Escritor Digital (DigOut)

El instrumento virtual de escritura digital (DigOut) se ocupa en la elaboración de las prácticas incluidas en este manual, ya que puede mandar señales digitales de ocho bits en código binario. Al igual que el instrumento anterior, el DigOut tiene las terminales en el protoboard (véase la figura 1.10 inciso a), porque éstas se pueden ocupar tanto como entradas o como salidas, por esta razón, las 24 conexiones se dividen en tres rangos los cuales son: 0 - 7, 8 - 15 y 16 - 23. Para utilizar este instrumento se debe dar clic en el icono del escritor digital en el NI ELVISmx Instrument Launcher, los ajustes que se le pueden hacer a este instrumento se describen a continuación y se ilustran en la figura 1.10 b):

1. Aquí se escoge cual rango de líneas se va a ocupar para escribir datos. 2. Este apartado es para escoger el patrón, si se hacen manual o

automático y van del 0 al 255 en código binario. 3. Aquí se puede introducir el número sin necesidad de mover los botones.


Figura 1.10. Instrumento Virtual de escritura digital (DigOut).


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2.1 Antecedentes

A mediados del siglo XIX se propone que las proposiciones lógicas (frases o predicados de la lógica clásica) son aquellas que únicamente pueden tomar valores Verdadero/Falso, o preguntas cuyas únicas respuestas posibles sean Si/No.

Según George Boole citado por Thomas Bartee, afirma que “las proposiciones lógicas pueden ser representadas mediante símbolos y la teoría que permite trabajar con estos símbolos, sus entradas (variables) y sus salidas (respuestas), es la Lógica Simbólica” [6].

Dicha lógica simbólica cuenta con operaciones lógicas que siguen el comportamiento de reglas algebraicas. Por ello, al conjunto de reglas de la Lógica Simbólica se le denomina ÁLGEBRA DE BOOLE.

El álgebra booleana, estudiada por primera vez a detalle por George Boole, constituye un área de las matemáticas que han pasado a ocupar un lugar prominente con la llegada de la computadora digital. Este tipo de algebra es usada ampliamente en el diseño de circuitos de control y computadoras, y sus aplicaciones van en aumento en muchas otras áreas. Como en el nivel de lógica digital de una computadora, lo que comúnmente se llama hardware y que está conformado por los componentes electrónicos de la máquina, se trabaja con diferencias de tensión, las cuales generan funciones que son calculadas por los circuitos que forman el nivel. Morris Mano [7].

Un circuito combinacional es un sistema que contiene operaciones booleanas básicas (AND, OR, NOT), algunas entradas y un juego de salidas, a cada una de ellas corresponde una función lógica individual, un circuito combinacional a menudo implementa varias funciones booleanas diferentes, es importante recordar que cada salida representa una función booleana diferente.

CAPÍTULO 2

Prácticas con Circuitos Combinacionales


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2.2 Práctica No. 1: Decodificador de 3 líneas de entrada a 8 líneas

de salida

2.2.1 Introducción

El decodificador es un dispositivo que acepta una señal de entrada digital codificada en binario y en respuesta a ello activa una salida. Este dispositivo tiene varias salidas, y se activará aquella que establezca el código aplicado a la entrada.

“Un código de ‘n’ bits es capaz de representar hasta 2n elementos distintos de información codificada. Por lo tanto, un decodificador es un circuito combinacional que convierte información binaria de ‘n’ líneas de entradas a un máximo de 2n líneas únicas de salida”. Ronald Tocci [8].

El decodificador de 3 a 8 líneas activa una sola de las 8 líneas de salida de acuerdo con el código binario presente en las 3 líneas de entrada. Las salidas son mutuamente exclusivas ya que solamente una de las salidas es igual a 1 en cualquier momento. El circuito lógico del decodificador de 3 a 8 líneas se representa en la figura 2.1.

Figura 2.1. Diagrama lógico del decodificador 3 a 8 líneas.

Tabla 2.1. Tabla de verdad del decodificador 3 a 8 líneas.

Entradas Salidas X y Z D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1


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2.2.2 Objetivos de aprendizaje

Comprender el funcionamiento de un decodificador.

Construir un decodificador 3 a 8 líneas y verificar su funcionamiento.

Desarrollar la práctica en la plataforma del NI ELVIS II.

2.2.3 Material

Compuertas digitales AND (74LS11).

Compuertas digitales NOT (74LS4).

Plataforma NI ELVIS II.

Cable y pinzas.

2.2.4 Desarrollo de la práctica

1. Realizar los mapas de Karnaugh. 2. Consultar las hojas de datos de las compuertas NOT y AND para saber la

configuración interna de cada circuito integrado. 3. Después de obtener el diseño del circuito, simular en Multisim, de esta

forma se puede corroborar que el circuito funcione (ver figura 2.2). 4. Construir el circuito de la figura 2.1, en el protoboard del NI ELVIS II. 5. Conectar los pines DIO-0 al DIO-2 como entradas y los pines DIO-8 al

DIO-15 como salidas, que se localizan en la parte derecha del protoboard de la plataforma NI ELVIS II.

6. Conectar las salidas de cada función a los pines de los led’s que trae integrados el protoboard (véase la figura 2.3).

7. Conectar los pines Vcc a 5V y GND a tierra, de las compuertas digitales.

Figura 2.2. Simulación del decodificador.

8. Ejecutar el programa NI ELVISmx Instrument Launcher. 9. Abrir el instrumento virtual DigOut; en el apartado de “Lines to Write”

seleccionar 0-7, que son los bits de entrada (véase la figura 2.5 inciso a). 10. Abrir el instrumento virtual DigIn; en el apartado de “Lines to Write”

seleccionar 8-15, que son los bits de salida (véase la figura 2.5 inciso b).


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11. Prender el protoboard del NI ELVIS, ejecutar los instrumentos virtuales y verificar las salidas con la tabla 2.1, para saber si realiza el funcionamiento correcto del decodificador.

Figura 2.3. Implementación de la práctica en el NI ELVIS.

2.2.5 Resultados

Como se muestra en la tabla 2.1 el decodificador tiene 8 salidas, por lo tanto es necesario dibujar ocho mapas de Karnaugh para simplificar cada una de las funciones de salida como se muestra en la figura 2.4.

Figura 2.4. Mapas de Karnaugh del decodificador.


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Al momento de ejecutar los instrumentos virtuales se obtienen las siguientes mediciones: Cuando el Escritor Digital (DigOut), manda un dos en código binario (010), como se muestra en el inciso a) de la figura 2.5, la señal pasa de la computadora al circuito, el cual decodifica la señal (en este caso la señal resultante activa la salida “D2”) y se manda a la computadora para que se visualice mediante el Lector Digital (véase la figura 2.5 inciso b).

a) DigOut. b) DigIn

Figura 2.5. Instrumentos Virtuales a la hora de realizar pruebas del decodificador.

Comentarios - Al realizar prácticas con esta plataforma, se deja de emplear

material, ya que no se ocupan led’s, resistencias y dipswich. Dado que el NI ELVIS II cuenta con todos los instrumentos necesarios para realizar cualquier práctica digital.

- Para evitar todo el procedimiento de realizar los mapas de karnaugh, se dibuja sólo uno, para darnos una idea de como serán los demás y así reducir la función para cada término por separado. La reducción de cada término da como resultado la equivalencia entre cada minitérmino de entrada y la salida: por ejemplo, la entrada 110 (6) activará la salida D6; en el circuito, el minitérmino corresponderá a una compuerta AND de tres entradas con las variables x·y·z’ como entradas. De manera similar se construye el circuito para el resto de entradas.

X Y Z

… D3 D2 D1 D0


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2.3 Práctica No. 2: Convertidor de código BCD a exceso 3

2.3.1 Introducción

Un convertidor de código es un circuito que hace dos sistemas compatibles aun cuando cada uno use un código binario diferente, ya que algunas veces es necesario usar la salida de un sistema como la entrada a otro.

Para procesar los datos de un sistema A y convertirlos a un sistema B codificado, es necesario utilizar la salida del sistema A y conectarla mediante una interfaz a otro sistema digital que será el encargado de codificarla. En este caso, un circuito de conversión deberá situarse como interfaz entre dos o más sistemas, para que sirva de intérprete o traductor, sí cada uno de los sistemas interconectados por la interfaz maneja diferentes códigos a la hora de procesar la información.

El código BCD (Código Decimal a Binario), representa un número decimal a su equivalente en binario.

Código Exceso 3: se relaciona con el código BCD y en algunas ocasiones se utiliza en su lugar, debido a que posee ciertas ventajas en operaciones aritméticas. Ejemplo de ellas son las operaciones con punto flotante.

Tabla 2.2. Representación de los códigos BCB y Exceso -3.

La numeración en BCD y el exceso 3 se enlistan en la Tabla 2.2 [9]. A razón de que cada código usa cuatro bits para representar un dígito decimal, debe haber cuatro variables de entrada y cuatro variables de salida. Es conveniente designar las cuatro variables binarias de entrada mediante los símbolos A, B, C y D, y las cuatro variables de salida con w, x, y y z.

En esta práctica se pretende realizar un convertidor de código, la tabla de verdad del convertidor de código BCD a Exceso 3 que relaciona las variables de entrada con las salidas, se muestra en la Tabla 2.3.

Decimal Código

BCD Código

Exceso 3

0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 2 0 0 1 0 0 1 0 1 3 0 0 1 1 0 1 1 0 4 0 1 0 0 0 1 1 1 5 0 1 0 1 1 0 0 0 6 0 1 1 0 1 0 0 1 7 0 1 1 1 1 0 1 0 8 1 0 0 0 1 0 1 1 9 1 0 0 1 1 1 0 0


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Tabla 2.3. Tabla de verdad del convertidor de código.


Diseñar un convertidor de código.

Realizar los mapas de Karnaugh para generar las salidas del circuito.

Implementar la práctica del convertidor de código en el NI ELVIS II.

2.3.3 Material


Compuertas digitales AND (74LS08).

Compuertas digitales NOT (74LS04).

Compuertas digitales OR (74LS32).

Cable y pinzas.


1. Realizar los mapas de Karnaugh y el diseño del diagrama lógico. 2. Después de obtener el diseño del convertidor de código, simular el circuito

en Multisim, como se muestra en la figura 2.6.

Figura 2.6. Simulación del convertidor de código.

Entradas BCD

Salida Código exceso 3

A B C D w x y z

0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0


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3. Consultar las hojas de datos de las compuertas OR, NOT y AND para saber la configuración de cada uno de los circuitos integrados.

4. Construir el circuito de la figura 2.9, en el protoboard del NI ELVIS II. 5. Conectar las entradas del pin DIO 0 al DIO 3 y las salidas del pin DIO 8 al

DIO 11 en el protoboard (ver figura 2.7).

Figura 2.7. Implementación del convertidor de código.

6. Conectar los pines de las compuertas digitales Vcc a 5V y GND a tierra. 7. Conectar las salidas de cada función a los pines de los led’s que trae

integrados el protoboard. 8. Ejecutar el programa NI ELVISmx Instrument Launcher. 9. Abrir el instrumento virtual DigOut; en el apartado de “Lines to Write”

seleccionar 0-7, que son los bits de entrada (véase la figura 2.10). 10. Abrir el instrumento virtual DigIn; en el apartado de “Lines to Write”

seleccionar 8-15, que son los bits de salida (véase la figura 2.10). 11. Prender el protoboard del NI ELVIS, ejecutar los instrumentos virtuales y

verificar las salidas con la tabla de verdad del convertidor de código.

2.3.5 Resultados

En la figura 2.8 se muestran las ecuaciones lógicas y los mapas obtenidos, cabe señalar que en un sistema con cuatro variables lógicas se tienen dieciséis combinaciones de bits de las cuales sólo se enlistan diez en la tabla de verdad y restan seis combinaciones que el convertidor no ocupa. “A las variables de entrada que no se toman en cuenta dan como resultado una salida que no importa y se tiene la libertad de asignar ‘X’ a las

variables de salida en la tabla de verdad y en los mapas Karnaugh pueden ser tratados como cuando se requieran utilizar” [10].


21


Figura 2.8. Mapas para un convertidor BCD a Exceso -3.

Una vez que se obtienen las funciones de salidas, se construye el diagrama lógico de la figura 2.9.

Figura 2.9. Diagrama lógico del convertidor de código.


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En la figura 2.10 se muestran las pruebas realizadas al convertidor de código, con los instrumentos virtuales del NI ELVIS II. En el inciso a, se muestra al Escritor Digital (DigOut), que envía un nueve en código binario (1001) y en el inciso b, se muestra al Lector Digital (DigIn), el cual notifica que el circuito convirtió la señal en código exceso 3 (1100).

a) DigOut. b) DigIn.

Figura 2.10. Pruebas del convertidor de código con NI ELVISmx.

Comentarios

- En esta práctica se pondrán a prueba los conocimientos adquiridos del alumno, sobre la realización de mapas de Karnaugh y diagramas lógicos, también se aprenderá sobre los diferentes códigos decimales que existen en la electrónica digital.

- En el desarrollo de la práctica, no se aclara, que para saber cuál número binario recibe el protoboard, se pueden conectar led’s a las entradas del instrumento virtual DigOut. Esto sólo se realiza si se quiere ver físicamente en el protoboard, ya que éste instrumento tiene led’s virtuales.

A B C

D

w x y z


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2.4 Lógica Combinacional con MSI (Integración a media escala) y

LSI (Integración a gran escala)

2.4.1 Antecedentes

El propósito de la simplificación de las funciones de Boole es obtener una expresión algebraica, que al momento de desarrollarla nos resulten pocos circuitos integrados o un solo circuito de bajo costo, sin embargo, el criterio que determina un circuito de bajo costo, es que define si logrará el éxito de la función algebraica que se simplificó. Las escalas de Circuitos Integrados que aquí vamos a tratar son las siguientes:

MSI: Escala que comprende todos aquellos circuitos integrados cuyo número de compuertas oscila entre 12 y 100 compuertas. Es común en sumadores, multiplexores, etc.

LSI: A esta escala pertenecen todos aquellos circuitos integrados que contienen de entre cien a mil compuertas lógicas. Estos integrados realizan una función completa, como es el caso de las operaciones esenciales de una calculadora o el almacenamiento de gran cantidad de bits. La aparición de los circuitos integrados a gran escala, dio paso a la construcción del microprocesador.

El esfuerzo de la industria electrónica en la miniaturización de sus equipos se ha visto compensado ampliamente con el descubrimiento de los circuitos integrados, en los que se ha conseguido construir miles de componentes dentro de la misma cápsula, cuyas dimensiones son similares a las de un simple transistor [11]. La enorme reducción de volumen en gran parte de los dispositivos electrónicos, no ha sido la única ventaja por la que los circuitos integrados se han hecho indispensables en muchas industrias de vanguardia (militar, aeroespacial, medicina, etc.), aparte de las que se reseñan a continuación:

Reducción de costos: Al realizar un proyecto o práctica relacionada con los circuitos digitales, ya no se tendrán que ocupar muchas compuertas digitales, sino que sólo se tendrá que ocupar un Circuito Integrado, esto genera un diseño más compacto y disminuye el costo de los materiales.

Aumento considerable de la fiabilidad: Un circuito integrado tiene una fiabilidad, en cuanto a funcionamiento y duración mucho mayor que otro circuito similar implementado con varios componentes, porque en este último caso la fiabilidad depende de cada uno de los componentes que lo forman.

Menos cableado al realizar un circuito electrónico, puesto que para usar los circuitos MSI sólo requiere que se le conecten entradas y salidas; la función lógica que realizan estos circuitos integrados ya está conectada en su interior.


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El avance del desarrollo tecnológico ha dado lugar a que se puedan integrar simultáneamente en un mismo dispositivo un número determinado de compuertas digitales entre sí, que realizan una función concreta. Así, a principio de los años sesenta apareció el circuito integrado, que realiza funciones digitales específicas comúnmente usadas en un gran número de áreas, como por ejemplo: en el diseño de sistemas de computadoras digitales.

Los circuitos combinacionales comercializados en circuitos integrados MSI y LSI se clasifican dentro de los siguientes grupos:

- Circuitos aritméticos (sumadores, restadores y comparadores). - Generadores de paridad. - Multiplexores y demultiplexores. - Codificadores y decodificadores.


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2.5 Práctica No. 3: Comparador de magnitud de 4 bits con Circuitos Integrados MSI

2.5.1 Introducción

La comparación de dos números es una operación que determina si uno de ellos es mayor, menor o igual a otro. Los comparadores pueden ser de identidad o de magnitud.

El comparador de identidad es un sistema combinacional de una salida que se activa si los dos datos aplicados en sus entradas son idénticos bit a bit.

“Un comparador de magnitud básico es un circuito combinacional que compara dos números, A y B, y determina sus magnitudes relativas. La salida de la comparación se especifica por tres variables binarias que indican si A>B, A=B, A<B” [12].

Su diagrama a bloques y tabla de funcionamiento se muestra en la figura 2.11. Existen comparadores de 4 bits y de 8 bits.

Figura 2.11. Diagrama y tabla de funcionamiento del comparador de magnitud básico.


Conocer el funcionamiento del comparador de magnitud de 4 bits.

Simular el circuito MSI en el software Multisim.

Construir el circuito en la plataforma NI ELVIS II.

2.5.3 Material


Comparador de magnitud (CI 74LS85).

Cable y pinzas.


1. Buscar circuitos integrados MSI (mediana escala), que tengan la función de un comparador de magnitud.

2. Consultar la hoja de datos del circuito integrado seleccionado (en esta práctica se ocupará el CI 74LS85), para saber como es el diagrama lógico de un comparador de magnitud, cuáles pines se ocupan para los bits del dato “A” y cuáles para los bits del dato “B” de dicho circuito integrado.


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3. Simular en Multisim el comparador de magnitud 74LS85, para realizar la simulación se debe conectar un instrumento virtual DigOut como entradas del dato A y conectar otro DigOut como entradas del dato B, en las salidas se ocupa un instrumento virtual DigIn (véase la figura 2.12).

Figura 2.12. Simulación del comparador de magnitud con el CI 74LS85.

4. Construir el comparador de magnitud, en el protoboard del NI ELVIS II. 5. Conectar el CI en el protoboard de la siguiente manera (ver figura 2.13):

a) Conectar las entradas del dato A del CI 74LS85 en el protoboard, del pin DIO 0 al pin DIO 3.

b) Conectar las entradas del dato B del CI74LS85 en el protoboard, del pin DIO 4 al pin DIO 7.

c) Conectar las salidas del CI en el protoboard del pin DIO 9 al DIO 11. 6. Conectar los pines Vcc a 5V y GND a tierra de CI 74LS85. 7. Conectar las salidas del CI a los pines de los led's del protoboard.

Figura 2.13. Implementación de la práctica en la plataforma NI ELVIS.


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8. Ejecutar el programa NI ELVISmx Instrument Launcher. 9. Abrir el instrumento virtual DigOut; en el apartado de "Lines to Write"

seleccionar 0-7, que son los bits de entrada (véase la figura 2.14 inciso a). 10. Abrir el instrumento virtual DigIn; en el apartado de "Lines to Write"

seleccionar 8-15, que son los bits de salida (véase la figura 2.14 inciso b). 11. Prender el protoboard del NI ELVIS, ejecutar los instrumentos virtuales y

probar el funcionamiento del comparador de magnitud con la tabla de funcionamiento de la figura 2.11.

2.5.5 Resultados

De la hoja de datos del CI 74LS85 se obtiene el diagrama lógico que se simula en el software Multisim como se muestra en la figura 2.15, dando de esta forma un ejemplo de cuanto tiempo se lleva armando y cuanto espacio llegaría a ocupar si se construyera con todas las compuertas requeridas.

En la figura 2.14 se muestran las pruebas que se le realizaron a la práctica con los instrumentos virtuales del NI ELVIS II. En el inciso a, de esta figura se ilustra al Escritor Digital (DigOut), el cual envía los bits (0010) para el dato A y los bits (0110) para el dato B, cuando la señal pasa al circuito la compara para determinar que dato es mayor o si es igual, visualizándose en el Lector Digital (DigOut) del inciso b.

a) DigOut. b) DigIn.

Figura 2.14. Pruebas del comparador de magnitud.


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Figura 2.15. Simulación del diagrama lógico del comparador de magnitud.

Comentarios

- En esta práctica se utiliza un circuito MSI (integración a media escala), ya que al emplear este tipo de circuito disminuye el tiempo de trabajo y baja el costo de la práctica, pues se requiere sólo un circuito integrado, en lugar de ocupar 29 compuertas digitales como se muestra en la figura 2.15.

- En dicha figura se muestran los materiales que se deben de adquirir, en caso de no utilizar el NI ELVIS II, para conectar las entradas y salidas del circuito, es necesario comprar los siguientes materiales:

2 DipSwitch. 12 resistencias de (220Ω). Led’s tanto para las entradas como para las salidas.

- En esta práctica se observa que el ocupar la plataforma NI ELVIS II, nos ahorramos tiempo al armar la práctica y nos evita de comprar material.


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2.6 Práctica No. 4: Multiplexor cuádruple de 2 a 1 línea de salida

2.6.1 Introducción

Multiplexar es pasar información de varios canales o líneas a unos cuantos.

El multiplexor (MUX) es un circuito combinacional que tiene la función de recibir varias entradas y solo tener una salida, también es capaz de tener entradas de control, en donde se puede seleccionar cuál entrada será ocupada, para permitir su transmisión a la salida. Posee por tanto, n entradas de selección, para 2n entrada de datos, proporcionando, generalmente, dos salidas: una para el dato directo y otra para el dato negado [13].

En la figura 2.16 se ilustra el esquema de un multiplexor, que puede ser comparado con un conmutador controlado por la entrada de selección.

Figura 2.16. Esquema de un multiplexor.

El multiplexor es una función MSI (integración a media escala) muy útil y tiene multitud de aplicaciones, como por ejemplo se utiliza para conectar dos o más fuentes a un sólo destino entre unidades de computadoras, y es eficaz para construir un sistema de bus común.

En esta práctica se va a realizar un multiplexor cuádruple de 2 entradas (A y B) de 4 bits cada una, a 1 línea de salida de 4 bits, además, cuenta con una línea de selección de entrada “S”, que selecciona cuál entrada queremos ocupar si A o B y con una entrada de habilitación “E”, que debe estar activa para que el funcionamiento sea normal. Por ejemplo: podemos escoger que la salida Y0 provenga de la entrada A0 o bien de B0; de igual manera la salida Y1 podría tener el valor de A1 ó B1 y así sucesivamente.


Comprender el funcionamiento de un multiplexor.

Analizar el funcionamiento del circuito integrado 74LS157 y ocuparlo para desarrollar la práctica.

Simular e implementar la práctica en la plataforma NI ELVIS II.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/Multiplexer2.png


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2.6.3 Material


Circuito Integrado 74LS157 (multiplexor cuádruple).

1 Dipswitch.

2 resistencias de 220Ω.

Cable y pinzas.


1. Investigar circuitos integrados MSI (mediana escala), que tengan la función de multiplexor cuádruple de 2 a 1 línea de salida.

2. Consultar la hoja de datos del circuito integrado seleccionado (en esta práctica se ocupará el CI 74LS157), para saber cómo es el diagrama lógico de un multiplexor, cuáles pines se ocupan para las entradas del dato “A”, cuáles para las entradas del dato “B” de dicho circuito integrado y conocer la tabla de función.

Figura 2.17. Simulación del Circuito Multiplexor.

3. Simular en Multisim el multiplexor 74LS157, para realizar la simulación se debe conectar un instrumento virtual DigOut como entradas del dato A y entradas del dato B, en las salidas se ocupa un instrumento virtual DigIn (véase la figura 2.17).

4. Construir el multiplexor, en el protoboard del NI ELVIS II. 5. Conectar el CI en el protoboard de la siguiente manera (ver figura 2.18):

a) Conectar los bits de entradas del dato A del multiplexor al protoboard del pin DIO 0 al pin DIO 3.

b) Conectar los bits de entradas del dato B del circuito al protoboard del pin DIO 4 al pin DIO 7.


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c) Conectar los bits de salidas al protoboard del pin DIO 8 al DIO 11. d) Conectar las entradas de selección “S” y habilitación “E” del

multiplexor al dipswitch. 6. Conectar los pines Vcc a 5V y GND a tierra del CI 74LS157. 7. Conectar las salidas del multiplexor a los pines de los led's del protoboard.

Figura 2.18. Implementación del circuito en la plataforma NI ELVIS II.

8. Ejecutar el programa NI ELVISmx Instrument Launcher. 9. Abrir el instrumento virtual DigOut y en el apartado de "Lines to Write"

seleccionar 0-7, que son los bits de entrada (véase la figura 2.19 inciso a). 10. Abrir el instrumento virtual DigIn y en el apartado de "Lines to Write"

seleccionar 8-15, que son los bits de salida (véase la figura 2.19 inciso b). 11. Prender el protoboard del NI ELVIS, ejecutar los instrumentos virtuales y

verificar las salidas con la tabla de funcionamiento que se localiza en la hoja de datos del CI 74LS157 y que se ilustra en la Tabla 2.4.

Tabla 2.4. Tabla de función del multiplexor cuádruple.

E S Salida (Y)

1 X Todos 0

0 0 Selección A

0 1 Selección B


32


A

2.6.5 Resultados

En la figura 2.19 se muestran las pruebas que se realizaron a la práctica con los instrumentos virtuales del NI ELVIS II con el siguiente orden: primero se habilitó el multiplexor con el dipswuitch, después selecciono cuál dato (A o B) se quiere mandar a la salida, una vez hecho esto se enviaron los bits (0001) del dato A con el escritor digital (véase la figura 2.19 inciso a) y el Lector Digital mostró los mismos bits, a la salida (véase la figura 2.19 inciso b).

a) DigOut. b) Digin.

Figura 2.19. Pruebas del multiplexor con el programa NI ELVIsmx.

Comentarios

- En esta práctica se tuvo que usar el mismo instrumento virtual para ingresar los bits de los datos A y B, ya que un instrumento se puede ocupar una sola vez cuando se ejecuta.

- Al igual que la práctica anterior se pueden o no, colocar los led’s externos para ver que señal se envía al protoboard como se ilustra en la figura 2.18.

B

A/B


33


3.1 Antecedentes

Según Thomas Bartee:

A mediados del siglo XX el álgebra Booleana resultó de una gran

importancia práctica, importancia que se ha ido incrementando hasta nuestros

días, en el manejo de información digital (por eso hablamos de Lógica Digital),

gracias a ella, Shannon pudo formular su teoría de la codificación y John Von

Neumann pudo enunciar el modelo de arquitectura que define la estructura interna

de las computadoras desde la primera generación [14].

Un circuito cuya salida depende no sólo de la combinación de entrada, sino también de la historia de las entradas anteriores se denomina Circuito Secuencial.

A diferencia de los circuitos lógicos combinacionales, los circuitos secuenciales tienen memoria, además pueden reflejar en su salida el efecto de una señal de entrada que hubo segundos o días antes.

La historia de las entradas anteriores en un momento dado se encuentra resumida en el estado del circuito, el cual se expresa en un conjunto de variables de estado. Los circuitos secuenciales también se llaman Máquinas de estado Finito (FSM). El nombre proviene del hecho de que el comportamiento funcional de estos circuitos puede representarse mediante un número de estados finitos.

Como puede verse entonces, en los circuitos secuenciales entra un factor

que no se había considerado en los combinacionales, dicho factor es el tiempo. De

hecho, hay dos tipos principales de circuitos secuenciales y su clasificación

depende de los tiempos de sus señales. Un circuito secuencial síncrono es un

sistema cuyo comportamiento se define conociendo sus señales en instantes

discretos. El comportamiento de un circuito secuencial asíncrono depende de las

señales de entrada en cualquier instante dado y del orden en que cambian las

entradas. Morris, Mano [15].

CAPÍTULO 3

Prácticas con Lógica Digital Secuencial


34


3.2 Práctica No. 5: Tipos de FLIP-FLOPS

3.2.1 Introducción

El circuito secuencial debe ser capaz de mantener su estado durante algún tiempo, para ello se hace necesario el uso de dispositivos de memoria. Los dispositivos de memoria utilizados en circuitos secuenciales pueden ser tan sencillos como un simple retardador (inclusive, se puede usar el retardo natural asociado a las compuertas lógicas) o tan complejos como un circuito completo de memoria denominado multivibrador biestable (por tener dos estados estables alto y bajo) o Flip-Flops.

Los circuitos Flip-Flops desempeñan un papel muy importante en la electrónica digital. Aunque existen varias clases de Flip-Flops, todos tienen por finalidad primordial almacenar un bit binario, representado por un estado lógico, alto o bajo.

En esta práctica se van a desarrollar los Flip-Flop RS, Flip-Flop D, Flip-Flop JK y Flip-Flop T, los cuales se explican a continuación:

Flip-Flop RS: Este tipo de Flip-Flop puede mantener un estado, ya sea bajo o alto, en forma indefinida, hasta que reciba otra señal de entrada que cambie al circuito. Cuenta con dos entradas, ajustar (set) y restaurar (reset), además de tener dos salidas, una para el estado normal (Q) y otra para el estado complementario (Q’). Al momento de aplicarle un pulso de un reloj (CP), el estado del Flip-Flop cambia. En la figura 3.1 inciso a, se muestra el diagrama lógico del Flip-Flop y en la figura 3.2 inciso b, se muestra la tabla de función de este circuito.

a) Diagrama Lógico. b) Tabla de Función.

Figura 3.1. Flip-Flop RS con reloj.

CP S R Q(t + 1)

0 X X Sin cambio

1 0 0 Sin cambio

1 0 1 Q=0; estado restablecido

1 1 0 Q=1; estado establecido

1 1 1 Indeterminado


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Flip-Flop D: Una forma de eliminar la condición indeseable del estado indeterminado en el Flip-Flop RS es garantizar que las entradas S y R nunca sean 1 al mismo tiempo. Esto se hace en el Flip-Flop D que se ilustra en la figura 3.2 inciso a, este Flip-Flop sólo tiene dos entradas: D (datos) y C (pulsos de reloj).

El Flip-Flop D se llama así por su capacidad para almacenar datos en su interior. Es adecuado para almacenar temporalmente información binaria entre una unidad y su entorno. En ocasiones se denomina seguro-D, ya que si la entrada C no está habilitada, no se puede introducir información al Flip-Flop como se indica en la tabla de función de la figura 3.2 inciso b.

a) Diagrama Lógico. b) Tabla de Función.

Figura 3.2. Flip-Flop D.

Flip-Flop JK: Las entradas J y K se comportan como las entradas S y R para ajustar y despejar el Flip-Flop, la letra J es para ajustar y la letra K es para el despeje, véase la figura 3.3 inciso a.

El Flip-Flop JK realiza las tres operaciones que se pueden efectuar con un Flip-Flop, la entrada J establece el Flip-Flop en 1, la entrada K restablece el Flip-Flop a 0, y cuando ambas entradas están habilitadas complementa su salida, esto es si Q=1, cambia a Q=0 y viceversa, como se muestra en la tabla característica del Flip-Flop de la figura 3.3 inciso b.

a) Diagrama lógico. b) Tabla de función.

Figura 3.3. Flip-Flop JK.

C D Q(t + 1)

0 X Sin cambio

1 0 Q=0; estado restablecido

1 1 Q=1; estado establecido

J K Q(t + 1)

0 0 Q(t) Sin cambio

0 1 Q=0; restablecer

1 0 Q=1; establecer

1 1 Q’(t) complementar


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Flip-Flop T: Es un Flip-Flop complementador, ya que la denominación T proviene del término en inglés Toggle que significa conmutar o cambiar de estado y se puede implementar con un Flip-Flop JK, si se conectan entre sí las entradas J y K, como se ilustra en la figura 3.4 inciso a. Cuando T = 0 (J=K=O), un borde de reloj no modifica la salida. Cuando T=1 (J = K = 1). Un borde de reloj complementa la salida como se muestra en la tabla de funcionamiento de la figura 3.4 inciso b. El Flip-Flop T es útil para diseñar contadores binarios.

a) Diagrama lógico. b) Tabla de función.

Figura 3.4. Flip-Flop T.


Conocer cuántos tipos de Flip-Flops existen.

Comprender el funcionamiento de cada Flip-Flop.

Implementar los tipos de Flip-Flops en la plataforma NI ELVIS II.

3.2.3 Material


Compuertas Lógicas AND (74LS08 y 74LS11).

Compuertas Lógicas NOR (74LS02).

Compuertas Lógicas NAND (74LS00).

Cable y pinzas.


1. Consultar las hojas de datos de las compuertas AND, NOR y NAND para saber la configuración de los pines de cada circuito integrado.

2. Simular en Multisim, los diagramas lógicos de los Flip-Flops que se explicaron anteriormente (ver figura 3.5):

a) Armar el Flip-Flop RS con los instrumento virtuales DigOut y DigIn, para conectar las entradas y salidas respectivamente.

b) De esta forma se conectan los demás Flip-Flops; para simular el pulso de reloj, se les conecta el generador de señales.

T Q(t + 1)

0 Q(t) sin cambio

1 Q’(t) complementar


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Figura 3.5. Simulación en Multisim de los Flip-Flops.

3. Construir los diagramas lógicos, en el protoboard del NI ELVIS II (ver la figura 3.6).

I. Construir el Flip-Flop RS de la siguiente manera: a) Conectar los pines DIO 0 como entrada “S”, DIO 1 como entrada

“R”, DIO 8 como salida “Q” y DIO 9 como salida complementada (Q’).

b) Conectar un cable BNC al generador de funciones (FGEN) y el otro extremo a la entrada “CP” del Flip-Flop.

II. Construir el Flip-Flop D de la siguiente manera: c) Conectar los pines DIO 0 como entrada “D”, DIO 8 como salida

“Q” y DIO 9 como salida complementada (Q’). d) Conectar un cable BNC al generador de funciones (FGEN) y el

otro extremo a la entrada “CP” del Flip-Flop. III. Construir el Flip-Flop JK de la siguiente manera:

e) Conectar los pines DIO 0 como entrada “K”, DIO 1 como entrada “J”, DIO 8 como salida “Q” y DIO 9 como salida complementada (Q’).

f) Conectar con un cable BNC el generador de funciones (FGEN) y el otro extremo a la entrada “CP” del Flip-Flop.

IV. Construir el Flip-Flop T de la siguiente manera: g) Conectar los pines DIO 0 como entrada “T”, DIO 8 como salida

“Q” y DIO 9 como salida complementada (Q’). h) Conectar con un cable BNC el generador de funciones (FGEN) y

el otro extremo a la entrada “CP” del Flip-Flop.

Generador


38


Figura 3.6. Implementación de los Flip-Flops en la plataforma NI ELVIS II.

4. Conectar las salidas de cada función a los pines de los led’s del protoboard. 5. Conectar los pines Vcc a 5V y GND a tierra, en cada una de las compuertas

lógicas. 6. Ejecutar el programa NI ELVISmx Instrument Launcher. 7. Abrir el instrumento virtual DigOut y en el apartado de "Lines to Write"

seleccionar 0-7, que son los bits de entrada (véase la figura 3.7 inciso a). 8. Abrir el instrumento virtual DigIn y en el apartado de "Lines to Write"

seleccionar 8-15, que son los bits de salida (véase la figura 3.7 inciso c). 9. Abrir el instrumento virtual FGEN, seleccionar una señal cuadrada y variar

la frecuencia para obtener el pulso de reloj deseado. 10. Prender el protoboard del NI ELVIS, ejecutar los instrumentos virtuales y

verificar las salidas con la tabla de funcionamiento de cada Flip-Flop.

3.2.5 Resultados

En la figura 3.7 se muestran los instrumentos virtuales que se ocupan para

realizar las pruebas pertinentes a los Flip-Flops, en la imagen se ilustra el

resultado generado por el Flip-Flop T, que al instante de mandar el pulso la

salida se complementa, pero, sólo si la entrada T esta habilitada (ver el

inciso a y c).


39


b) FGEN.

a) DigOut. c) DigIn.

Figura 3.7. Instrumento virtual ocupado para los Flip-Flops.

Comentarios

- El realizar la práctica en la plataforma NI ELVIS II, tiene la ventaja

de sólo ocupar ésta plataforma para desarrollar dicha práctica si

necesidad de emplear cualquier otro instrumento.

- Se recomienda construir primero un Flip-Flop y realizar sus pruebas,

y hacer lo mismo con los demás Flip-Flops.

- En esta práctica sólo se documenta el resultado del Flip-Flop T, ya

que fue el último en realizarse.


40


3.3 Práctica No. 6: Contador Binario con Flip-Flop T

3.3.1 Introducción

Se le denomina contador binario a un circuito secuencial que pasa a través de una secuencia prescrita de estados, bajo la aplicación de pulsos de entrada, a estos mismos se les llama pulsos de conteo. Éstos ocurren a intervalos de tiempos prescritos o aleatorios. En un contador, la secuencia de estados puede seguir un conteo binario o cualquier otra secuencia; un contador que sigue la secuencia binaria se denomina contador binario de “n” bits y consta de “n” Flip-Flops y puede contar en binario desde 0 hasta 2n.

James Bignell y Robert Donovan, explican que, las transiciones de estado en los circuitos secuenciales temporizados ocurren durante un pulso de reloj, en un contador el estado siguiente depende por completo del estado presente, y los Flip-Flops permanecen en sus estados presentes si no ocurre dicho pulso. Debido a esta propiedad, un contador se especifica en forma completa por una lista de la secuencia de conteo, esto es la secuencia de los estados binarios por los que pasa [16]. Un ejemplo del diagrama de estado de un contador binario se ilustra en la figura 3.8.

Figura 3.8. Diagrama de estado de un contador binario.

En esta práctica se va a desarrollar un contador binario implementado con Flip-Flops tipo T que se conectan en cascada. Para hacer más rápido la práctica se ocupan Flip-Flops JK maestro-esclavo con opción de “borrar” (CLR), el circuito integrado a ocupar es el 74LS73.

Figura 3.9. Diagrama lógico del contador binario.


41


En el diagrama lógico de la figura 3.9 se muestra un contador asíncrono binario ascendente de cuatro bits diseñado a partir de Flip-Flop J-K en configuración T (toggle) con disparo por borde de subida. Debido a que posee cuatro Flip-Flops, su ciclo básico se compone de 16 estados que van desde cero (0000) hasta quince (1111) en forma secuencial y repetitiva.

En este tipo de contadores cada salida del Flip-Flop sirve como señal de entrada CLK para el siguiente Flip-Flop, estos contadores no cambian de estado en conjunto por lo que se dice que no están en sincronía, solo el primer Flip-Flop responde a los pulsos del reloj, luego para que el segundo Flip-Flop responda debe esperar que el primer Flip-Flop cambie de estado, y para que el tercer Flip-Flop se complemente debe esperar a que el segundo Flip-Flop realice lo mismo, y así sucesivamente con los demás Flip-Flops.


Conocer circuitos secuenciales y sus aplicaciones.

Comprender el funcionamiento de un contador binario.

Construir un contador binario con Flip-Flops T.

Implementar el contador binario en la plataforma NI ELVIS.

3.3.3 Material


2 Circuitos Integrados 74LS73 (Flip-Flop JK).

Cable y pinzas.


1. Consultar la hoja de datos del circuito integrado 74LS73, para saber la configuración interna y de sus pines.

2. Simular en Multisim el diagramas lógico del contador (ver figura 3.10). a) En la entrada de reloj (CLK), se conecta el generador de funciones. b) En la entrada “CLR”, se conecta el instrumento virtual DigOut y a la

salida de cada Flip-Flop se conecta el instrumento virtual DigIn.

Figura 3.10. Simulación del Contador binario.


42


3. Construir el diagrama lógico del contador binario, en el protoboard del NI ELVIS II (ver la figura 3.11).

a) Conectar el pin DIO 0 como entrada “CLR”. b) Conectar de los pines DIO 8 al DIO 11 como salidas. c) Conectar con un cable BNC el generador de funciones (FGEN), para

generar los pulsos de reloj (CLK). 4. Conectar las salidas del contador a los pines de los led’s del protoboard. 5. Conectar los pines Vcc a 5V y GND a tierra, en cada uno de los Flip-Flops.

Figura 3.11. Implementación del contador en la plataforma NI ELVIS II.

6. Ejecutar el programa NI ELVISmx Instrument Launcher. 7. Abrir el instrumento virtual DigOut y en el apartado de "Lines to Write"

seleccionar 0-7, que son los bits de entrada (véase la figura 3.12). 8. Abrir el instrumento virtual DigIn y en el apartado de "Lines to Write"

seleccionar 8-15, que son los bits de salida (véase la figura 3.12). 9. Abrir el instrumento virtual FGEN, seleccionar una señal cuadrada y variar

la frecuencia para obtener el pulso de reloj deseado. 10. Prender el protoboard del NI ELVIS, ejecutar los instrumentos virtuales y

observar que el contador binario tenga un buen funcionamiento.

3.3.5 Resultados

En la figura 3.12 se muestran los resultados obtenidos al ejecutar la práctica del contador binario; el funcionamiento de los instrumentos virtuales es el siguiente: para habilitar el contador hay que activar la entrada “CLR” de los Flip-Flops, mandado un bit con el Escritor Digital (DigOut) como se muestra en el inciso b. Después se manda un pulso de reloj con el Generador de Funciones (FGEN), para que comience con la cuenta binaria. En el Lector Digital (DigIn) que se muestra en el inciso c, se visualizan los bits de salida al instante de que el circuito va realizando la cuenta.


43


a) FGEN.

b) DigOut.

c) DigIn.

Figura 3.12. Instrumentos virtuales utilizados en el contador binario.

Comentarios

- Esta práctica que se realizara, mostrara que al momento de realizar circuitos electrónicos que requieran varios instrumentos de medición, no habrá necesidad de pedirlos prestados al laboratorio de electrónica, tan sólo hay que solicitar la plataforma NI ELVIS II e instalar los controladores que requiere para poder realizar cualquier práctica.

CLR

A B C D


44


3.4 Diseño Digital Basado En PLD’S (Dispositivos Lógicos Programables)

3.4.1 Antecedentes

Antes de que se inventaran los PLD’s, los chips de memoria de solo lectura (ROM) se utilizaban para crear funciones de lógica combinacional arbitrarias con un número determinado de entradas. En los años 70’s General Electric desarrolló uno de los primeros PLD’s basado en la tecnología EPROM. El dispositivo de General Electric era el primer PLD jamás desarrollado.

Las iniciales PLD vienen del inglés Programmable Logic Device, que traducido a nuestro idioma significa Dispositivo Lógico Programable y son circuitos integrados que ofrecen a los diseñadores en un solo chip, un arreglo de compuertas lógicas y Flip-Flops, que pueden ser programados por el usuario para implementar funciones lógicas; y así, una manera más sencilla de reemplazar varios circuitos integrados estándares o de funciones fijas [17].

Las ventajas que traen los PLD’s con respecto a los circuitos integrados de funciones fijas son variadas, de entre ellas las que se consideran más importantes son:

Pueden remplazar funciones de otros dispositivos lógicos.

Reducción de espacio en las tarjetas de circuito impreso.

Simplificación del cableado entre unos chips y otros.

Disminución en los requerimientos de potencia (por consiguiente menor consumo de energía).

Realización de aplicaciones especiales no encontradas en circuitos integrados de funciones fijas.

Puede reflejarse menor costo para el usuario al ver las ventajas de tener menor cantidad de circuitos integrados; por consiguiente, procesos de ensamblado más rápidos, menor probabilidad de que puedan ocurrir fallas, así como menores procedimientos en la detección de fallas cuando éstas se presenten.

Un PLD típico está compuesto de arreglos de compuertas lógicas, uno de ellos a base de compuertas AND al que se le denomina Plano AND y el otro de compuertas OR, denominado Plano OR; dependiendo de la colocación del fusible éstos planos pueden ser o no programables, así mismo, será la clasificación que reciba el PLD como se muestra en la figura 3.13 [18], al inicio un PLD tiene todos los fusibles intactos.


45


Figura 3.13. Clasificación de los PLD’s.

La programación se lleva a cabo por medio de conexiones fusibles; de tal forma que en una compuerta OR, una entrada con conexión fusible “Fundida o Quemada” (fusible abierto), funcione como un cero lógico y una conexión de fusible intacto funcione como el valor de la(s) variable(s) de entrada.


46


3.5 Práctica No. 7: Decodificador binario a octal con la Gal20V8

3.5.1 Introducción

Los PLD’s se dividen en tres grupos los cuales son:

PROM: Programmable Read-Only Memory (Memoria de Sólo Lectura Programable).

PAL: Programmable Logic Array (Lógica de Arreglo Programable).

PLA: Programmable Array Logic (Arreglo de Lógica Programable).

El grupo de las PAL es el que nos interesa conocer, ya que de este grupo se originan las GAL. “La arquitectura de las PAL está compuesta por un Plano AND programable y un Plano OR fijo. Éste dispositivo es el intermedio entre una PROM y una PLA; debido a que, por cada entrada que se agregue no será necesario duplicar la cantidad de fusibles y el tener un plano fijo conduce a un menor retardo en la circuitería interna y una programación más sencilla. Este PLD puede incluir una serie de componentes a la salida del plano OR, como pueden ser: Inversores y Flip-Flops, que permitirán hacer del dispositivo, un PLD versátil”. Morris Mano y Charles Kim [19].

Existen dos tipos de PAL’s, uno de los cuales puede ser programado solamente una vez y el otro PAL mejor conocido como GAL de las iniciales de Generic Array Logic (Lógica en Arreglo Genérico), que combina las características de un PAL; pero además, agrega tecnología especial para ser borrado y programado eléctricamente.

Las GAL’s son capaces de funcionar en modo combinacional y/o secuencial; además, de superar a sus antecesores en cuanto a tecnología programable se refiere, ya que éstos dispositivos son capaces de reprogramarse hasta un mínimo de 100 veces; aunque, esto depende también del fabricante [18].

Software WinCUPL

El Software que se eligió para la programación de los dispositivos GAL es el Software Win-CUPL por las siglas en ingles de Compiler Universal for Programmable Logic (Compilador Universal para Lógica Programable). Con este compilador se puede programar el funcionamiento de un circuito lógico combinacional o secuencial, por medio de sus ecuaciones lógicas o tablas de verdad.

Después de conocer las ecuaciones lógicas que rigen un circuito, estas puede llevarse a WinCUPL, compilarse y obtener un archivo con extensión “.JED”, que a través de un programador universal se puede trasladar a las GAL’s. WinCUPL tiene palabras y símbolos especiales para lógica combinacional que representan las funciones lógicas básicas not, and, or y xor. Los operadores lógicos que se emplean, se enlistan en la tabla 3.14 [20].


47


Operador Ejemplo Descripción

¡ ¡A Not

& A&B And

# A#B Or

$ A$B Xor

Tabla 3.14. Tabla de los operadores lógicos.

Para programar en WinCULP se debe tener en cuenta el siguiente formato:

Cabecera del programa: en este apartado lleva el nombre del proyecto, el dispositivo que se va a utilizar, etc.

Cuerpo del Programa: aquí es en donde se define cuales pines van a ser entradas y salidas; se tiene que tener la hoja de datos de la GAL, para saber su configuración interna. También aquí se escriben las ecuaciones lógicas que se toman de la tabla de verdad. A todo esto se le llama “Código Fuente”.

En esta práctica se va a desarrollar un decodificador que a la entrada reciba un código binario de 3 bits y que tenga una salida de 8 bits, se ocupa el diagrama lógico y las ecuaciones lógicas de la figura 2.1, que se obtuvieron en la práctica No. 1, también se ocupa la tabla 3.15 que se muestra a continuación.

Entradas Salidas

A B C F0 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7

0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0

0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0

0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0

1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0

1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1

Tabla 3.15. Tabla de verdad del decodificador.


48


Ecuaciones lógicas del decodificador:

F0 = A’ B’ C’

F1 = A’ B’ C

F2 = A’ B C’

F3 = A’ B C

F4 = A B’ C’

F5 = A B’ C

F6 = A B C’

F7 = A B C


Conocer la importancia de los PLD’s y su funcionamiento.

Aprender el funcionamiento interno de las GAL y cómo programarlas para realizar varias funciones.

Implementar la práctica propuesta en la plataforma NI ELVIS II.

3.5.3 Material


GAL 20v8.

Cable y pinzas.


1. Realizar los mapas de Karnaugh (se ocupan los de la práctica No.1). 2. Consultar la hoja de datos de la GAL20v8. 3. Hacer el programa en el compilador WinCUPL, teniendo en cuenta el

formato que se menciono anteriormente (véase la figura 3.18). 4. Compilar el código fuente para generar el archivo .JED. 5. Simular en WinSip, que es una aplicación integrada al compilador y se

realiza de la siguiente manera (véase la figura 3.19): a) Agregar las señales de entra y salida. b) Añadir los periodos o vectores necesarios para poder realizar la

simulación de manera adecuada. c) Introducir los diferentes estados lógicos considerados de las

entradas, esto se hace colocando el apuntador sobre la señal de simulación, para activar cada una de las señales de entrada.

d) Ejecutar la simulación y verificarla con la tabla de verdad. 6. Programar la GAL20v8 con el archivo .JED, que se importa mediante un

programador universal Top-Max. 7. Realizar el programa que genere gráficas del decodificador en LabVIEW

(ver figura 3.16), este programa se realiza con los instrumentos virtuales que se integran a LabVIEW en el diagrama a bloques, cuando se instala el driver de NI ELVIS II. En el apéndice C, se explica el nombre y funcionamiento de cada una de las funciones que usa LabVIEW.

8. Colocar la GAL20v8 y conectarla al protoboard del NI ELVIS II como se indica (véase la figura 3.17):


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a) Conectar las entradas de la GAL, del pin DIO 0 al DIO 2. b) Conectar las salidas de la GAL, del pin DIO 8 al DIO 15 y a los pines

de los led’s del protoboard. 9. Conectar los pines Vcc a 5V y GND a tierra, de la GAL20v8. 10. Ejecutar el programa NI ELVISmx Instrument Launcher. 11. Abrir el instrumento virtual DigOut y en el apartado de "Lines to Write"

seleccionar 0-7, que son los bits de entrada (véase la figura 3.20 inciso a). 12. Prender el protoboard del NI ELVIS. 13. Ejecutar el instrumento virtual DigOut y el programa realizado en LabVIEW. 14. Verificar el funcionamiento con la Tabla 3.15.

Figura 3.16. Diagrama a bloques de LabVIEW.

Figura 3.17. Implementación del Decodificador con la GAL en el NI ELVIS II.


50


3.5.5 Resultados

El código fuente que se obtuvo en WinCUPL, se muestra en la figura 3.18

La simulación obtenida se ilustra en la figura 3.19, en este caso tenemos tres entradas con lo cual obtenemos hasta ocho diferentes combinaciones o estados lógicos, por lo que se agregaron ocho periodos o vectores, las líneas verdes indican las entradas y las líneas azules la salida.

En la figura 3.20 inciso b, se muestra el panel frontal de LabVIEW al momento de ejecutar la práctica, en ésta se muestra la gráfica en estado bajo o alto (0 ó 1) de cada salida, dependiendo de la señal que envíe el escritor digital (DigOut), conforme a la tabla de verdad del decodificador, por ejemplo, si se envía el número binario “111”, la salida F7 estará en estado alto y las demás permanecerán deshabilitadas o en estado bajo.

Name DEC Bin a Oct ; PartNo 00 ; Date 20/06/2012 ; Revision 01 ; Designer Engineer ; Company Universidad Veracruzana ; Assembly None ; Location ; Device g20v8a ; /* *************** INPUT PINS *********************/ PIN 2 = A ; /* */ PIN 3 = B ; /* */ PIN 4 = C ; /* */ /* *************** OUTPUT PINS *********************/ PIN 15 = F8 ; /* */ PIN 16 = F7 ; /* */ PIN 17 = F6 ; /* */ PIN 18 = F5 ; /* */ PIN 19 = F4 ; /* */ PIN 20 = F3 ; /* */ PIN 21 = F2 ; /* */ PIN 22 = F1 ; /* */ /* *************** FUNCIONES *********************/ F1= (!A) & (!B) & (!C); F2= (!A) & (!B) & (C); F3= (!A) & (B) & (!C); F4= (!A) & (B) & (C); F5= (A) & (!B) & (!C); F6= (A) & (!B) & (C); F7= (A) & (B) & (!C); F8= A & B & C;

Figura 3.18. Código Fuente en WinCUPL del Decodificador.


51


Figura 3.19. Simulación del código fuente en WinSip.

a) NI ELVISmx b) Panel Frontal de LabVIEW

Figura 3.20. Pruebas de la práctica del decodificador con la GAL.

Comentarios - Al realizar la práctica del decodificador ayudados del software

LabVIEW se muestra la capacidad que tiene la plataforma NI ELVIS II, para que sólo con realizar un programa en LabVIEW ya no se tengan que ocupar los instrumentos virtuales, solamente se requiere ocupar el panel frontal de LabVIEW y manejar los controles que se programen, haciendo que esta plataforma sea mas versátil a la hora de realizar prácticas o proyectos electrónicos.

Entr

adas

Sa

lidas

Periodos o Vectores


52


3.6 Práctica No. 8: Decodificador de BDC a 7 segmentos con la GAL20v8 y LabVIEW

3.6.1 Introducción

La función básica de un decodificador es detectar la presencia de una determinada combinación de bits (código) en sus entradas y señalar la presencia de dicho código mediante un cierto nivel de salida. Un ejemplo de aplicación es el decodificador BCD a 7 segmentos. Este tipo de decodificador acepta el código BCD en sus entradas y proporciona salidas capaces de activar un exhibidor (display) de 7 segmentos para indicar un dígito decimal.

El display está formado por un conjunto de 7 diodos LED rectangulares (en el que cada uno recibe el nombre de segmento porque forma parte del símbolo que está mostrando) colocados en forma de “ocho” como se indica en la figura 3.21 y conectados en un punto común en su salida. Cuando la salida es común en los ánodos, al display se le conoce como display de ánodo común y sí la salida es común en los cátodos, se denomina al display de cátodo común. Con un indicador de siete segmentos se pueden formar los dígitos del 0 al 9, también las letras A, C, E, F y las letras minúsculas b y d [21].

Figura 3.21. Representación Visual de los dígitos decimales.

De la figura 3.21 se puede deducir la tabla 3.22, que muestra en las entradas el código BCD y en las salidas muestra cual segmento del display debe estar activo para formar un número.


53


Tabla 3.22. Tabla de verdad del decodificador BCD a 7 segmentos.


Comprobar el funcionamiento del decodificador BCD a un display de 7 segmentos hecho con LabVIEW.

Aprender a programar la GAL con cualquier función lógica.

Realizar programas en LabVIEW para controlar los circuitos que se encuentren en la plataforma NI ELVIS II.

3.6.3 Material

GAL20V8.

Cable y pinzas.

Led’s.


1. Realizar los mapas de Karnaugh para obtener las funciones de salida. 2. Consultar la hoja de datos de la GAL20V8. 3. Hacer el programa en el compilador WinCUPL (véase la figura 3.23). 4. Compilar el código fuente para generar el archivo con extensión .JED. 5. Simular en WinSip, que es una aplicación integrada al compilador y se

realiza de la siguiente manera (véase la figura 3.24): a) Agregar las señales de entra y salida. b) Añadir los diez periodos o vectores considerados por la tabla 3.23. c) Introducir los diferentes estados lógicos considerados de las

entradas, esto se hace colocando el apuntador sobre la señal de simulación, para activar cada una de las señales de entrada.

d) Ejecutar la simulación y verificarla con la tabla de verdad. 6. Programar la GAL20v8 con el archivo .JED, que se importa mediante el

programador universal Top-Max.

Entradas Salidas Dígito A B C D a b c d e f g Decimal

0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 3 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 4 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 5 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 6 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 7 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 8 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 9


54


Figura 3.23. Código fuente en WinCupl.

3.24. Simulación en WinSim.

Entr

ada

s Sa

lida

s

Periodos o Vectores


55


7. Realizar el programa que va a controlar las entradas y visualizará las salidas a través del display de siete segmentos en LabVIEW (ver figura 3.25), este programa se realiza con los instrumentos virtuales que se integran a LabVIEW en el diagrama a bloques. En el apéndice C, se explica el nombre y funcionamiento de cada una de las funciones que usa LabVIEW.

a) Colocar en el diagrama a bloques los instrumentos virtuales NI ELVISmx Digital Reader y NI ELVIsmx Digital Writer que se localizan dentro de la paleta de funciones en la sección de Measurement I/O.

b) Colocar la función “DAQmx Device Name”, que se localiza dentro de la paleta de funciones Measurement I/O > NI DAQmx > Advanced. Una para cada instrumento virtual que se usa.

c) Conectar cada función como se muestra en al figura 3.25.

Figura 3.25. Diagrama a bloques del programa en LabVIEW.

8. En el panel frontal de LabVIEW, se forma el display de siete segmentos con los led’s que se incorporaron al programa (véase la figura 3.28).

9. Colocar la GAL20v8 y conectarla al protoboard del NI ELVIS II como se indica (véase la figura 3.26):

a) Conectar las entradas de la GAL, del pin DIO 0 al DIO 3. b) Conectar las salidas de la GAL, del pin DIO 8 al DIO 14.

10. Conectar los pines Vcc a 5V y GND a tierra, de la GAL20v8. 11. Conectar la plataforma NI ELVIS II a la computadora. 12. Prender el protoboard del NI ELVIS. 13. Ejecutar el programa realizado en LabVIEW.

a) Seleccionar el dispositivo a utilizar, mediante la función “Device Name”. b) Seleccionar las líneas que se van a ocupar para escribir y leer datos.

14. Verificar que el display genere los dígitos correctamente.


56


Figura 3.26. Circuito en el NI ELVIS II.

3.6.5 Resultados

Los mapas de Karnaugh que se obtuvieron se muestran en la figura 3.27.

Figura 3.27. Mapas de Karnaugh.


57


El decodificador BCD a un display de siete segmentos que se diseño, tiene un buen funcionamiento, ya que cada vez que en el control numérico del panel frontal de LabVIEW se escribe un número de 0 al 9, el decodificador manda la señal correcta para que el display muestre el dígito correcto (ver figura 3.28).

Figura 3.28. Pruebas del decodificar en LabVIEW.

Comentarios

- En esta práctica, en especial, se demuestra que NI ELVIS y

LabVIEW son una herramienta que no tiene que faltar en cualquier

laboratorio donde se hagan pruebas y prácticas de electrónica.

- En la figura 3.28 se muestra como al instante de ejecutar la práctica

sólo se ocupa el protoboard del NI ELVIS II y LabVIEW para llevarla

a cabo, sin necesidad de ocupar los instrumentos virtuales, que

utilice la práctica desarrollada o cualquier otro ejercicio que se quiera

realizar, ya que programando éstos, en el diagrama de bloques

LabVIEW pueden controlarlos.


58


1. Inicie Windows como administrador o como usuario con privilegios de administrador.

2. Deshabilite cualquier programa de detección automática de virus antes de instalar. Algunos programas de detección de virus pueden interferir con la instalación.

3. Inserte el Disco 1 de los DVD’s de la Plataforma de LabVIEW 2010, busque en la unidad del DVD y haga doble clic en “setup.exe”. Haga clic en Next para comenzar.

Figura 1. Instalador del DVD de la Plataforma de LabVIEW.

4. Seleccione si desea introducir los números de serie para instalar productos que ha comprado o si desea instalar el software en modo de evaluación. Si escoge introducir los números de serie, el instalador puede seleccionar el software adecuado para usted.

Figura 2. Escoja instalar y activar los productos comprados o instalar en modo de evaluación.

Apéndice A. Instalación del software NI LabVIEW y

NI ELVIS II


59


5. Proporcione los números de serie para el sistema de desarrollo de LabVIEW que compró. Si tiene los números de serie para los complementos de LabVIEW, como módulos y juegos de herramientas, también los puede proporcionar ahora.

Figura 3. Proporcione los números de serie de los productos comprados que desea instalar.

6. Vea la Lista de Productos Autorizados para el entorno de LabVIEW, módulos y juegos de herramientas de los que tiene licencias válidas, además de controladores de dispositivos. Todos serán seleccionados de forma predeterminada, pero puede elegir no instalar algún producto en la lista si así lo desea.

Figura 4. Lista de Productos Autorizados del DVD de la Plataforma de LabVIEW.

7. Revise la Lista de Productos para Evaluación y seleccione cualquier producto adicional (módulos y juegos de herramientas) que desea instalar y evaluar. Para cada producto, debe seleccionar “Instalar” para disminuir la interacción del usuario o “Instalación Personalizada” para configurar su instalación más adelante.


60


8. También debe de seleccionar NI Multisim, porque es el simulador que trae

incluidos los instrumentos virtuales del NI ELVIS II.

Figura 5. Lista de Productos para Evaluación del DVD de la Plataforma de LabVIEW.

9. El instalador verifica actualizaciones relevantes de los productos que está a punto de instalar. Puede descargar las actualizaciones antes de continuar con la instalación.

10. Escoja el directorio de instalación para software de National Instruments. 11. Acepte los Acuerdos de Licencia y haga clic en Next. 12. Proporcione su nombre completo y empresa. Esta información será usada

para procesar el registro de su software. 13. Revise el resumen antes de continuar para asegurarse que todos sus

productos serán instalados. Cualquier producto enlistado requiere interacción del usuario para finalizar. De lo contrario, puede dejar la instalación incompleta.

Figura 6. Resumen de la Instalación del DVD de la Plataforma de LabVIEW.


61


14. Siga las instrucciones en la pantalla para terminar de instalar y activar LabVIEW, y con ello cualquier módulo o juego de herramienta que haya seleccionado.

Al final del proceso de la instalación de LabVIEW, si selecciona instalar los controladores de dispositivos desde la lista de productos, se le pedirá que inserte el DVD de Controladores de dispositivos. De lo contrario, se le pedirá activar su software. Puede activar ahora o esperar hasta que haya terminado de instalar el resto de su software.

Instalar NI ELVIS y los drivers de NI-DAQmx

Después de instalar LabVIEW y cualquier módulo o juego de herramienta aplicable, debe instalar el software controlador NI-DAQmx, antes de conectar cualquier dispositivo de hardware nuevo para que Windows pueda detectarlo.

Siga los siguientes pasos para instalar NI-DAQmx desde el DVD de Controladores de Dispositivos de la Plataforma de LabVIEW:

1. Inserte el DVD de Controladores de Dispositivos cuando el instalador del DVD de la Plataforma de LabVIEW se lo pida.

Figura 7. Inserte el DVD de Controladores de Dispositivos.

2. Seleccione el directorio de instalación para su software de National Instruments, este debe ser el mismo directorio donde instaló LabVIEW.

3. Revise el árbol de características, el cual incluye todos los controladores de dispositivos y software asociado. Adquisición de Datos, Control de Instrumentos, NI Spy y NI Measurement & Automation Explorer son seleccionados de forma predeterminada.

4. Seleccionar el controlador NI ELVISmx for NI ELVIS II 5. Seleccione cualquier controlador de dispositivos adicional que desee

instalar para su hardware y haga clic en Next.


62


Figura 8. Lista de características de Controladores de Dispositivos.

6. Descargue cualquier actualización antes de continuar con la instalación. El instalador verifica actualizaciones relevantes de los productos que está a punto de instalar.

7. Acepte los Acuerdos de Licencia y haga clic en Next. 8. Revise el resumen antes de continuar con la instalación para asegurarse

que todos sus controladores de dispositivos serán instalados. 9. Siga las instrucciones en la pantalla para finalizar la instalación. Reinicie su

sistema cuando se le pida. 10. Asegúrese de habilitar cualquier programa de detección de virus que haya

deshabilitado, una vez que la instalación haya terminado.


63


Multisim es un entorno de simulación SPICE estándar de circuitos electrónicos, éste software también es de National Instrument y vienen incluidos en él los instrumentos virtuales del NI ELVISmx y NI myDAQ, se instala junto con LabVIEW.

A continuación se explica como usar todas las herramientas que están relacionadas con la plataforma NI ELVIS II.

1. Inicie Multisim en Inicio » Todos los programas » National Instruments » Circuit Design Suite » Multisim.

Figura 1. NI MULTISIM.

2. Cree un nuevo diseño NI ELVIS II en File » New » NI ELVIS II Design.

Figura 2. Esquema que genera Multisim de la plataforma NI ELVIS II.

Apéndice B. Uso del Simulador de Circuitos Electrónicos

NI MULTISIM


64


3. En la figura 2, el dispositivo NI ELVIS II cuenta con conectores para todas las terminales, así usted puede simular completamente la instrumentación del hardware en el entorno virtual.

4. Ahora puede armar cualquier circuito que desee, lo primero es escoger el componente que se quiere simular y se realiza dando clic derecho, seleccionar Place component, cuando seleccione el componente deseado de un clic en OK para regresar al esquemático y colocarlo, repita los pasos para colocar todos los componentes que se necesiten.

Figura 3. Selección de los componentes a simular.

5. Use “On-page connectors”, que es un conector que se puede colocar en cualquier componente en lugar de tener que cablear directamente desde los rieles de cualquier instrumento. Vaya a Place » Connectors » On-page connector.

Figura 4. Seleccionar On-page connector.

6. Cuando coloque el “On-page connectors”, puede seleccionar los que trae por defaul o se puede crear uno nuevo en “new” y asignarle un nombre. Por ejemplo, cuando se quiere conectar un dispositivo a alimentación positiva (CD), se colocan dos On-page connectors con el mismo nombre uno en la fuente de pode DC y el otro en el dispositivo.


65


Figura 5. Colocación del On-page connectors.

7. Ahora termine de armar el circuito electrónico que este realizando.

Figura 6. Circuito electrónico simulado.

8. Cuando ya este terminado el circuito, habilite los instrumentos virtuales que haya ocupado, solo hay que dar doble clic a uno de los instrumentos que ocupo, por ejemplo, para habilitar el generador de funciones se le da doble clic y se abre el panel frontal, una vez habilitado se cierra.


66


Figura 7. Habilitar el generador de funciones.

9. Una vez habilitados todos los instrumentos virtuales, se simula el circuito, se selecciona el botón Simulate que se localiza en la barra de herramientas, también se puede poner pausa y parar la simulación.

Figura 8. Ejecutar el circuito electrónico.


67


Apéndice C. Descripción de las Funciones que usa

LabVIEW en el diagrama de bloques

El Lector Digital es un instrumento virtual, que puede recibir señales digitales y mostrarlas mediante otra función, como por ejemplo los led’s.

El Escritor Digital es un instrumento virtual, capaz de mandar señales digitales de hasta 8 bits.

Índice de matriz: realiza una matriz de los datos que le llegan a la entrada.

Device Name: Con esta función se escoge el nombre del dispositivo externo que se va a ocupar.

Index: Sirve como índice de algunas funciones.


68


Bundle: Esta función recibe paquete de señales, para mandarlas a un graficador.

Waveform Chart: Recibe señales a través de la función “Bundle”, para graficar las formas de onda, puede realizar uno o varios gráficos al mismo tiempo.

Boolean To: Convierte un valor booleano verdadero o falso en 1 ó 0 respectivamente.

Wait Until Next ms Multiple: Espera un determinado tiempo para pasar al siguiente periodo o ciclo.

While Loop: el cual detiene su ejecución hasta que se habilite su botón de paro.

Indicadores de una variable booleana.

Number To Boolean Array: Convierte un número entero a una matriz booleana.

Wait(ms): Espera un determinado tiempo para devolver el valor esperado.


69


Numero: Convierte un número entero en código binario.

For Loop: realiza un ciclo “n” veces, donde “n” se propone por el usuario colocando un índice con el número de ciclos que se requieren.


70


[1]. Lajara, J. y Peligrí, J. (2007). LabVIEW: entorno gráfico de programación (pág. 4). Barcelona, España: Marcombo S. A.

[2]. Electronics Workbench Para la academia. (s.f.). National Instruments. Recuperado el 30 de mayo de 2012 desde internet. http://www.addlink.es/documents/elvis.pdf

[3]. NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite II (NI ELVIS II) User Manual (2008). National Instruments. Recuperado el 1 de junio de 2012desde internet. http://www.ni.com/pdf/manuals/374629b.pdf

[4]. Integrated Suite of 12 Instruments for Hands-On,Multidiscipline Education (s.f.). National Instruments. Recuperado el 4 de junio desde internet. http://www.ni.com/pdf/products/us/cat_nielvisii_plus.pdf

[5]. Lugo, G. (2006). La importancia de los laboratorios. Recuperado el 30 de agosto de 2012 desde internet. http://www.imcyc.com/revistact06/dic06/INGENIERIA.pdf

[6]. Bartee, T. (2000). Fundamentos de computadoras digitales (pág. 78). Estado de México: McGraw-Hill.

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