PRÁCTICA 0 HW: MONTAJE DE CIRCUITOS DIGITALES CON TECNOLOGÍA TTL

Eduardo Boemo, 2020

CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DIGITALES

ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID

Introducción a la P0 HW

Esta práctica no tiene nota. Tampoco necesita entregar nada.

Lea atentamente este documento. Explica:

1. Tecnología TTL2. Protoboard3. Equipo Entrenador de los labs EPS UAM4. Cableado5. Cómo montar un circuito (dos ejercicios)

Se pretende orientarle en la construcción de sus primeros circuitos electrónicos digitales. El paso de la abstracción a la materialización siempre resulta complicado. El hardware digital no es una excepción.

Como dice el Prof. Wakerly: si hacer circuitos no fuses duro, no se le llamaría hardware.

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PARTE 1:

INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS TTL

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Puertas Lógicas

La transición de operadores matemáticos (AND, OR, NOT) a circuitos digitales no fue inmediata. Hubo que esperar aproximadamente unos 100 años para entender que las ideas filosóficas de George Boole de 1845 valían como base para crear máquinas y sistemas de comunicaciones digitales.

Los especialistas en Electrónica Digital rara vez utilizamos la palabra “operador” para la AND, OR, INV, XOR, NAND, NOR y XNOR. Hablaremos de logic gates ópuertas lógicas. O simplemente “puertas”. George Boole (1815-1864)

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Puertas Lógicas Familia TTL

En la década de los 60s los operadores lógicos se materializaron en circuitos electrónicos basados en transistores. Un 1 pasó a ser 5 voltios y un 0, una tensión de 0 voltios.

Las puertas lógicas fueron fabricadas y encapsuladas en grupos independientes de 4 o 6 unidades. Nacen los circuitos integrados (ó “chips”) digitales LSI (low-scale integration).

Una de las familias más famosas de chips son la Serie 74. Aún hoy en día se comercializan versiones modernizadas de aquella serie. Su aspecto es muy conocido.

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Puerta TTL básicas

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ImportanteLos circuitos TTL que utilizará en el Laboratorio CED han desaparecido de cualquier sistema digital moderno.

La forma de construirlos, tal como haremos en el Lab. CED - con protoboards - también casi ha desaparecido.

Los TTLs son útiles para practicar y aprender pues tienen una dimensión humana (se pueden trabajar con los dedos y sin un microscopio). Además están ingeniosamente diseñados en rebanadas compatibles y extensibles. Finalmente, son económicos y robustos.

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Importante

Comparar TTLs con circuitos integrados actuales es parecido a comparar un burro con un avión Antonov de carga. Podríamos decir incluso que el burro sale mejor parado.

Para que se haga una idea, un TTL tipo 74HC00 tiene 4 NANDs de 2 entradas. En total tiene 14 patas (12 para las 4 NAND y 2 más para alimentar el circuito). En cambio, un chip actual tipo FPGA puede alcanzar 4 ó más millones de puertas “equivalentes” y 1200 “patas”.

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Marca y orientación de los circuitos

El encapsulado tiene una marca semicircular.

Ubicar esta marca físicamente siempre a la izquierda.

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Numeración de los pines

Con la marca a la izquierda y visto desde arriba (top view) el pin 1 es el más cercano debajo de la marca.

Luego, cada pata se numera en sentido inverso al de las agujas del reloj.

Este encapsulado se llama DIP 14 = (dual-in-line) 14 patas

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Alimentación de los circuitos

Tal como ocurre con cualquier otro dispositivo electrónico, los TTLsdeben conectarse a una fuente de energía eléctrica para funcionar.

Para un TTL HC DIP14 se debe conectar:

• Pata 14 a 5 Voltios

• Pata 7 a 0 Voltios.

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Alimentación de los circuitosUse la fuente de alimentación del equipo entrenador.

• VCC = 5 Voltios = 1 lógico

• GND = 0 Voltios = 0 lógico

• VCC = Rojo

• GND = Negro

No se confunda con otras tensiones de alimentación de la fuente (cuidado con +15 y -15 Volt)

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Seriegrafía

Es crucial identificar la función del chip. En la seriegrafía tiene la siguiente forma:

• 2 Números: 74 (a veces 54)

• Varias letras: HC, HCT, ALS, etc. En el Lab se usa HC.

• Varios números: 00 (NAND), 266 (NXOR), 151, etc.

El resto de la información no es significativa para las prácticas

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Todo lo que puede venir en una seriegrafía….

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PARTE 2:

PROTOBOARD

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Montaje en una ProtoboardLa protoboard es una tarjeta con orificios que, formando diferentes patrones, están unidos galvánicamente por debajo del plástico.

Los orificios retienen de manera segura un cable o un pin que se inserte en el mismo.

Ventajas: pruebas rápidas.

Desventajas: baja fiabilidad, fragilidad, no apto para f superior a pocos MHz

Opciones a una protoboard:

• 1: Soldar.

• 2. Wrapping

• 3: PCB

Disponer de una placa protoboard propia y realizar parte del montaje en casa puede evitarle errores. Las placas comunitarias del Lab están muy usadas.

Ud. podría cablear el circuito en casa en su protoboard y después la situarla sobre el equipo entrenador del lab para usar los interruptores, fuentes y leds.

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Detalles Protoboard

• 4 líneas superiores y 4 inferiores que van de lado a lado.• Cada línea está conectada en horizontal hasta la mitad.• Las líneas paralelas horizontales están aisladas.• Estas líneas se suelen usar para señales globales como Vcc, GND, reset, etc.

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Detalles Protoboard

En caso de duda, un ohmmetro (tester) de bajo coste puede serle de gran utilidad.

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Detalles Protoboard

Parte central:

• Formada por líneas verticales de 5 puntos.

• Dos zonas superior e inferior, separadas por un canal aislante.

• Los grupos verticales de 5 puntos están unidos.

• Los grupos de 5 puntos verticales vecinos están aislados.19

Detalles Protoboard

Las columnas verticales de 5 orificios están aisladas de las filas superiores e inferiores

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Detalles Protoboard

• Los chips se insertan entre el canal horizontal con la marca a la izquierda.

• Cada pata queda conectada únicamente a una columna.

• Uniendo columnas con cables se unen patas.

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PARTE 3:

EQUIPO ENTRENADOR

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• Entrenador: incluye los elementos necesarios para facilitar el montaje HW: Fuente de 5 V, interruptores, LEDs, señal de reloj, etc.

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Primer paso: Prueba del equipo entrenador

• Necesita saber que los interruptores y el led que va a utilizar funcionan; que no están rotos.

• Conecte un interruptor a un LED y verifique que ambos funcionan en conjunto.

• Elija otro interruptor y repita el proceso

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Importante

• Los interruptores tienen 3 posiciones:

• Hacia arriba = 5 Volt = 1

• Central = 0 Volt = 0

• Hacia abajo = 5 Volt = 1

• Los interruptores entregan 1 ó0 si necesidad de ninguna conexión adicional a VCC óGND. No rebotan (ver Pag.53).

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Salida del circuito: LEDs

• Use los LEDs para visualizar la salida de sus trabajos.

• Debe conectar la bornera que está junto a cada LED a la salida de su circuito.

• Cada LED incluye un módulo interno de driving. Para el usuario es como si fuesen LEDs TTL-compatibles activo alto (encienden con un 1 lógico).

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Importante

• Los bornes de la fuente de alimentación, los interruptores y los LEDs del entrenador deben desenroscarse para pasar el cable pelado por el orificio.

• Después, enroscar el borne nuevamente para apretar el cable.

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PARTE 4:

CABLEADO

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CableadoRealizar un montaje de hardware en el Laboratorio se asemeja a escribir un programa. Sólo que, en vez de combinar funciones, se combinan puertas lógicas. Y, en vez de usar variables y parámetros, se realizan interconexiones con cables.

Sin embargo, existe una diferencia fundamental: cuando se comete un error, es prácticamente imposible corregirlo en el tiempo asignado a la práctica.

Considere que montar un circuito es similar a escribir un programa que podrá compilar una única vez.

Gárgola de la Torre del Reloj del New College, Oxford. Se cree que simboliza el sufrimiento de las/los estudiantes en los laboratorios de hardware

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Importante

Pelar los cables unifilares (apartar el aislante plástico en un extremo) es una tarea que requiere atención, experiencia y delicadeza.

Hacer involuntariamente una pequeña marca con el alicate en el hilo metálico mientras se pela conduce a que éste se corte del todo cuando se usa repetidamente.

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Importante

• Nunca conecte una salida a VCC.

• Nunca conecte una salida a GND.

• Nunca conecte una salida a otra salida (Salvo que tenga control tri-state)

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Importante

• Realice un montaje orientado a maintainability. Es decir, organizar los componentes para que sea sencillo realizar una reparación.

• Por ejemplo, no pase cables por encima de un chip, pues no le permitirán acceder al mismo para reemplazarlo.

• Deje espacio entre chips para los dedos.

• Use las dos protoboards del Entrenador.

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Cableado

• Todo el cableado se debe hacer con el equipo entrenador apagado (interruptor 3 en off).

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Cableado

• Comience con Vcc: conecte un cable rojo desde la fuente de 5 Volt a una línea superior horizontal de la protoboard

• Repita lo anterior con GND: use un cable negro y conecte el terminal de 0 Volt de la fuente hasta una línea inferior horizontal.

• Alimente los chips. Es decir: patas 14 a Vcc y patas 7 a GND. Use cables rojos y negros.

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Cableado

• Usando cables de colores realice las conexiones de los datos.

• Tache en su netlist cada conexión realizada.

• No use los dientes para pelar los cables. Es una forma segura de perder el esmalte.

• No haga cables demasiado cortos.

• No pase cables por encima de los circuitos: no le dejarán quitarlos si necesita cambiarlos.

• No apriete en exceso el cable cuando le pele: si marca el metal, éste se terminará cortando.

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PARTE 5:

ESPECIFICACIÓN DE LA PRÁCTICA 0 HW

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Primer Montaje HW: un circuito inversor

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Circuito inversor: 11 Instrucciones

1. Averigüe que número tiene seriegrafiado el TTL séxtuple inversor y encuéntrelo en su bolsa de componentes (Pág.6).

2. Verifique que el equipo entrenador está apagado (Pag.33).

3. Ubique el circuito correctamente en la protoboard (Pag.21) con la pata 1 a la izquierda (pag. 10). Si no entiende esta tarjeta, lea de nuevo la Parte 2 de este tutorial (Pag.15).

4. Ubique los bornes VCC y GND del equipo entrenador (Pags. 12 y34).

5. Pele con cuidado los 4 cables necesarios (Pag.30).

6. Pruebe primero que el interruptor y LED que ha elegido del entrenador funcionan correctamente (Pag.24).

7. Alimente el circuito con Vcc y GND (pag.11).

8. Ajuste bien las borneras del equipo entrenador (Pag.27)

9. Conecte una entrada del inversor a un interruptor del equipo entrenador (Pag.25)

10. Conecte la salida correspondiente del inversor a un LED del equipo entrenador (Pag.26)

11. Encienda el equipo entrenador y verifique el funcionamiento del inversor.

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Segundo montaje HW: una XOR 2

39Se pide construir una XOR con puertas básicas usando la protoboard y el entrenador

Segundo montaje HW: una XOR 2

Lo ideal sería utilizar un 74HC86 (cuádruple XOR 2) pero este circuito no viene en la “bolsa de componentes” de CED.

En la bolsa hay puertas AND, OR e INV. Por lo tanto es posible construir una XOR con ellas.

Identifique y saque los chips 74HC 04, 08 y 32 de la bolsa y del armazón protector.

Tenga cuidado de no doblar ni tocar las patas.

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Segundo montaje HW: una XOR 2Observe que el 74HC32 y el 74HC08 de su bolsa tienen un isotipo que se parece al mapa del estado de Texas con una letra “i”. Son componentes fabricados por Texas Instruments.

El 74HC04 tiene dos letras “ST” que indican que el fabricante es la compañía europea STMicroelectronics, aunque el encapsulado tiene seriegrafiado también CHN (China).

Aunque los chips de la bolsita provienen de empresas y países diferentes, son totalmente compatibles. La serie 74 es un estándar, aunque es importante que todos los chipsque use en el lab sean HC.

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Floorplanning XOR 2

• Se debe comenzar por planear la ubicación física de los componentes. Este proceso se llama floorplanning.

• Normalmente se busca que la interconexión sea mínima, pero Ud. separe los circuitos todo lo que pueda. Esto le facilitará la búsqueda de errores en el circuito.

• Use una ubicación en línea, tal como la de la figura.

• También se debe dar un nombre a los componentes. Por ejemplo, IC1, IC2 e IC3. Las letras IC son usuales y significan Integrated Circuit.

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Anotación - Technology mapping XOR 2

En esta etapa Ud. debe indicar pin y circuito integrado real asignado a cada elemento del esquema lógico. Es decir, mapear un circuito abstracto en componentes reales.

Debe inventar una nomenclatura. En la figura, se ha elegido pin-circuito integrado. Por ejemplo, 1-IC2 significa pata 1 del circuito integrado 2. Los paréntesis también se suelen usar. Por ejemplo IC2 (1).

En el plano anotado, se apunta el número de pata física real de cada puerta y el número de IC (IC1 inversor, IC2 AND e IC3 OR). Una posible solución se muestra en la siguiente figura. Ud. debe realizar una solución propia, diferente.

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Anotación - Technology mapping

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Conectando entradas y salida

Una vez completados los aspectos relacionados con la lógica, debe agregar más detalles físicos:

• Dos interruptores (switches) SW1 y SW2, que serán utilizados para conectar las entradas A y B de su esquema a 1 ó 0.

• Un diodo emisor de luz (LED) que se encenderá cuando la salida sea 1.

SW1 y SW2

LED

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Nombrando cables

A veces también es útil tener un nombre para cada cable.

Nombres para los cables (wires): W1, W2, etc. En total hay 11 cables. No debe olvidar ninguno.

• Hay 2 nodos N1 y N2 donde convergen tres o más cables. Más adelante Ud. deberá decidir dónde ubica físicamente estos nodos N1 y N2. Dependiendo de ello, puede eliminar uno de los cables del nodo. Por ejemplo, si están en los bornes de los interruptores, se eliminan los cables W1 y W2.

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XOR 2: Anotación final

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Netlist opcional

Una netlist puede ser tan simple como un texto que describe la interconexión del circuito.

Por simplicidad, hacemos una simple tabla.

Debe poner los nombres de los cables de manera correlativa y después apuntar el origen y destino del cable.

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Netlist (VCC y GND)

• El circuito tiene 6 cables más, que no figuran en el esquema lógico. • Son los cables de alimentación Vcc y masa GND de los 3 circuitos

integrados. • Es común usar un cable rojo para las conexiones a VCC y negro para

GND49

Sugerencias para cablear la XOR 2

1. Ubique los 3 circuitos en línea en la protoboard con la marca a la izquierda. Deberá doblar con cuidado las patas un poco hacia adentro para que quepan.

2. Desde la izquierda: Ubique bien separados primero el INV, después la AND y finalmente la OR.

3. Las patas superiores deben quedar arriba del canal central y las inferiores debajo.

4. Tenga a mano una copia de todas las hojas de los circuitos integrados a utilizar. Las puede hallar en la página del Laboratorio, ó en:

1. http://www.ti.com/logic-circuit/overview.html 2. Simplemente poniendo en Google el número de integrado (ej: 74HC163).

5. Tenga mucho cuidado con un accidente común: una pata se dobla hacia adentro en lugar de entrar en la protoboard.

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Sugerencias para cablear la XOR 2 (cont.)

6. Pruebe primero si funcionan interruptores y LEDs (véase pag.23).

7. Comience conectando a la protoboard los rieles de VCC y GND.

8. Conecte cada pata 14 a VCC y cada pata 7 a GND.

9. Conecte las entradas A y B a los interruptores.

10. Conecte la salida del circuito a un LED.

11. Continúe con la señales intermedias. Tache en un esquema o en la netlistcada conexión realizada.

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Debugging (sugerencias cuando un circuito no funciona)• Siempre lleve al laboratorio su pata de conejo de la suerte.

• Verifique primero todas las líneas de Vcc y GND y luego las señales de control.

• Apriete bien los chips contra la protoboard.

• Ajuste con fuerza las borneras de los interruptores, leds y alimentación.

• Ninguna salida de un circuito puede estar a Vcc o GND. Lea de nuevo el punto anterior: es muy importante.

• Toque con el dedo las carcasas de los chips. Si alguna quema (T>60 grados) seguro que hay problemas. Desconecte Vccinmediatamente.

• No se olvide que dispone de un potente osciloscopio en el puesto de laboratorio. Puede utilizarlo para ver 1s y 0s.

EIB, 2015

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Debugging (sugerencias cuando un circuito no funciona)

• A veces, si el circuito integrado está quemado, se lo puede reemplazar simplemente montando un circuito similar encima de manera que las patas homólogas queden en contacto. El método, conocido como piggy-backing, funcionará si las patas internas del circuito (pads) han quedado abiertas (unbounded).

• Si el circuito funciona erráticamente, trate de analizar la salida para descubrir pistas. Por ejemplo, si un sumador da resultados impares incorrectos, probablemente tiene una mala conexión en el bit-0 del resultado.

• Si levanta la protoboard unos 20 centímetros de la mesa y el circuito comienza a funcionar súbitamente, su placa tiene problemas de falsos contactos o patas de control sin conectar.

• Si el circuito es secuencial, no se olvide de "resetearlo" inicialmente.

• Jamás se le ocurra hacer Ud. mismo de interruptor tocando una pata con un cable. Esto produce rebotes mecánicos imperceptibles para Ud. pero visibles para la electrónica. La placa entrenadora provee para ello de interruptores con anti-rebote (debounce).

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Debugging (sugerencias si no funciona)

Nunca haga Ud. mismo de interruptor tocando una pata con un cable sostenido en sus dedos.

Existen rebotes mecánicos imperceptibles para Ud. pero visibles para la electrónica.

La placa entrenadora provee para ello de interruptores con anti-rebote (debounce).

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