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Universidad Nacional Autónoma de México
Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán
Departamento: Ingeniería
Sección: Electrónica
Clave de Carrera : 130
Clave de Asignatura: 1525
Autores: M. en TI. Jorge Buendía Gómez
Ing. José Luis Barbosa Pacheco
Fecha de elaboración: 2015
Fecha de modificación: Agosto 2021
Semestre: 2022 - 1
Manual del Laboratorio de
Sistemas Digitales
Laboratorio de Sistemas Digitales
Índice
Índice 1 Prólogo 2 Reglamento 5 Lista global de materiales 7 Práctica 1 Compuertas lógicas con elementos discretos 2.2. Compuertas lógicas básicas, sus tablas de verdad y sus expresiones de Boole
Práctica 2 Compuertas lógicas integradas 2.2. Compuertas lógicas básicas, sus tablas de verdad y sus expresiones de Boole
Práctica 3 Compuertas lógicas derivadas 2.3. Compuertas compuestas, sus tablas de verdad y sus expresiones de Boole. 19 Práctica 4 Características de las familias lógicas 4.2. La familia Lógica Transistor – Transistor (TTL). 4.4. La familia Lógica Metal – Óxido – Semiconductor (MOS).
Práctica 5 Circuitos combinacionales por álgebra de Boole 2.6. Implementación de circuitos a partir de expresiones de Boole.
Práctica 6 Circuitos combinacionales con mapas de Karnaugh 3.6. Método de simplificación a través del mapa de Karnaugh.
Práctica 7 Multiplexores y demultiplexores 5.3. Multiplexores y Demultiplexores
Práctica 8 Sumador completo (Full Sum) 5 .4. Circuitos digitales para operaciones aritméticas binarias.
Práctica 9 Unidad aritmético lógica (ALU) 5.4. Circuitos digitales para operaciones aritméticas binarias. 5.7. Unidades Aritmético Lógicas (ALU’s).
Práctica 10 Contador síncrono para control de motor de pasos 6.7. Aplicaciones de circuitos secuenciales.
Práctica 1 1 Autómatas finitos con máquinas de Moore y Mealy 6.8. Autómatas finitos. 6.8.1. Máquina de Mealy. 6.8.2. Máquina de Moore.
Estas herramientas teóricas nos permiten llevar a la práctica los sistemas digitales e implementarlos de la forma más adecuada, optimizando los parámetros de costo, potencia, espacio, velocidad, etc. Los sistemas digitales se clasifican en dos categorías:
- Sistemas digitales combinacionales : Son aquellos en los que la salida del sistema sólo depende de la combinación de entrada actual.
- Sistemas digitales secuenciales : La salida depende de la entrada actual, las entradas anteriores y las salidas anteriores Esta clase de sistemas necesitan elementos de memoria que recojan la información de los estados anteriores del sistema. Para la implementación de los circuitos digitales se utilizan compuertas lógicas básicas y combinadas, tales como: NOT, AND, OR, NAND, NOR, XOR y XNOR, con las cuales se puede diseñar toda la estructura avanzada de los sistemas digitales complejos. La electrónica digital es posiblemente una de las ramas de la electrónica que se ha desarrollado de forma más acelerada y debido a eso es muy importante conocer los elementos y conceptos que forman la base de conocimiento de esta área. Ventajas de los Circuitos Digitales
- Resultados predecibles y repetibles
- Facilidad de diseño
- Flexibilidad
- Funcionalidad
- Programabilidad
- Economía
- Avance tecnológico constante
- Exactitud
- Facilidad de almacenamiento
- Facilidad para transmisión datos En un mundo totalmente analógico los circuitos digitales han tenido un desarrollo exponencial ya que brindan muchas facilidades para realizar el control, el almacenamiento y la transportación de la información binaria, debido a estas características, la mayoría de los procesamientos de señales se realizan en forma digital. En el laboratorio de Sistemas Digitales los alumnos deberán realizar la comprobación de los conceptos básicos teóricos más relevantes utilizados dentro de la electrónica digital, aprendiendo con ello a desarrollar las competencias y habilidades para el análisis, diseño, investigación, consulta de manuales, implementación de circuitos digitales, etc. En estas prácticas se presentan los elementos más importantes y las herramientas que permiten realizar el diseño de sistemas digitales. Se ha incluido la actividad de simulación de los circuitos, pues en la actualidad es muy conveniente tener un análisis previo que permita asegurar con un gran porcentaje de veracidad el comportamiento de los circuitos antes de implementarlos físicamente. Aunque el alumno debe considerar que las simulaciones dependen del grado de precisión que se logre con el software con que se implementan y por lo tanto no son totalmente apegadas a la realidad.
Instrucciones para la elaboración del reporte Para la presentación del reporte se deberá cumplir con los requisitos indicados en el desarrollo de cada una de las prácticas, incluyendo:
- Nombre de la práctica
- Objetivos
- Introducción
- Procedimiento experimental (gráficas, tablas, comentarios, etc.)
- Cuestionario
- Conclusiones
- Bibliografía Los criterios de evaluación para el laboratorio son los siguientes:
N° Criterios de evaluación Porcentaje
C1 Actividades previas 10
C2 Análisis y/o diseño de los circuitos de la práctica 30
C3 Simulación de los circuitos 30
C4 Reporte entregado con todos los puntos indicados 30
Los reportes deberán incluir una portada obligatoria de formato libre con la siguiente información, sin omitir ninguno de los datos. U. N. A. M. F. E. S. C. Laboratorio de: _________________________________________________________________ Grupo: __________________________________ No. de Práctica: _______________________ Nombre de la Práctica:____________________________________________________________ Profesor: _______________________________________________________________________ Alumno: ___________________________________________________________________ Fecha de realización: ______________________ Fecha de entrega: _______________________ Semestre: ______________________ Bibliografía
- M. Morris Mano, Charles R. Kime, Fundamentos de Diseño Lógico y Computadoras , 3ª Edición, España, Pearson Education de México, 2007.
- Ronald J. Tocci, Sistemas Digitales, Principios y Aplicaciones , 10ª Edición Prentice Hall Hispanoamericana S.A., México, 2007.
- John F. Wakerly, Diseño Digital, Principios y Prácticas , 3ª Edición, Pearson Education de México, México,
- Floyd Thomas L., Fundamentos de Sistemas Digitales , 9ª Edición, Prentice Hall, Madrid, 2006.
- Balabanian Norman, Principios de Diseño Lógico Digital , CECSA, 1ª Edición, México, 2002.
- Garza, Garza Juan Ángel, Sistemas Digitales Y Electrónica Digital, Prácticas De Laboratorio (Incluye Cd- Rom) , Pearson Education de México, 1ª Edición, México, 2006.
A (Aprobado) Cuando el promedio total de todas las prácticas de laboratorio sea mayor o igual a 6 siempre y cuando tengan el 90% de asistencia y el 80% de prácticas acreditadas en base a los criterios de evaluación. NA (No aprobado) No se cumplió con los requisitos mínimos establecidos en el punto anterior. NP (No presentó) No se entregó reporte alguno.
- Profesores que requieran hacer uso de las instalaciones de laboratorio para realizar trabajos o proyectos, es requisito indispensable que notifiquen por escrito al jefe de sección. Siempre y cuando no interfiera con los horarios de los laboratorios.
- Alumnos que requieran realizar trabajos o proyectos en las instalaciones de los laboratorios, es requisito indispensable que esté presente el profesor responsable del trabajo o proyecto. En caso contrario no podrán hacer uso de las instalaciones.
- Correo electrónico del buzón para quejas y sugerencias para cualquier asunto relacionado con los laboratorios ([email protected]).
- Los casos no previstos en el presente reglamento serán resueltos por el Jefe de Sección. NOTA : En caso de incurrir en faltas a las disposiciones anteriores, el alumno o profesor será acreedor a las sanciones correspondientes.
Laboratorio de Sistemas Digitales
Lista Global de Materiales
Materiales Cantidad NOTA: Los materiales de las prácticas en los que se requiere el diseño del circuito por parte del alumno, no
- Tableta de conexiones (Protoboard) Alambre y/o cable para conexiones
- Resistencia de 180 K a ½ W
- Resistencias de 2.2 KΩ a ½ W
- Resistencias de 1 KΩ a ½ W
- Resistencias de 470 Ω a ½ W
- Resistencias de 56Ω a ½ W.
- LED del color preferido
- DIP Switch de 4 posiciones o mas
- Diodos 1N4001
- Transistor BC547
- Transistor TIP31
- CI 74LS00
- CI 74LS02
- CI 74LS04
- CI 74LS05
- CI 74LS08
- CI 74LS32
- CI 74LS86
- CI 74LS125
- CI 74LS181
- CI
- CI
- CI 4051BE (NO EQUIVALENTES)
- CI
- CI
- CI
- CI
Estas compuertas discretas están diseñadas para trabajar con solo 2 valores de operación, cuyos valores se asocian a 2 voltajes analógicos (0 V y 5 V) y a dos valores lógicos ( 0 y 1) respectivamente, aunque hay que tomar en cuenta que debido a la naturaleza de los circuitos que componen a las compuertas, dichos valores estarán realmente dentro de un rango, con la suficiente separación entre los dos valores para poderlos distinguir de forma satisfactoria. En esta práctica se implementarán las compuertas lógicas básicas, comprobando sus tablas de verdad a través de los voltajes introducidos en sus entradas y los voltajes obtenidos en sus salidas. También se medirán y analizarán los valores de voltaje analógico obtenidos en las salidas de las compuertas y su relación con los valores digitales asociados. Actividades Previas a la Práctica
- EI alumno deberá realizar la lectura de la práctica de laboratorio. Material
- 2 Diodos rectificadores IN 4001 o equivalente
- 1 Resistencia de 1 KΩ a ½ W
- 1 Resistencia de 2 .2 KΩ a ½ W
- 1 Resistencia de 180 KΩ a ½ W
- 1 Transistor^ BC^547
- Hoja técnica del transistor BC 547 en formato electrónico.
- Tableta de conexiones (Protoboard)
- Alambre y/o cable para conexiones Equipo
- Fuente de Voltaje de C.D.
- Multímetro Digital Desarrollo
- Implemente en el simulador el circuito que se muestra en la figura 1. 2 , considerando un nivel de alimentación de corriente directa de 5 V.
- Obtenga la tabla de verdad del circuito insertando en la entrada A, el voltaje correspondiente, de acuerdo con la tabla 1.1, observe que cada nivel de voltaje de entrada se puede asociar con su correspondiente nivel lógico. Tabla 1. Valor lógico Rango de voltaje 0 lógico de entrada Voltaje entre GND y VIL o (0 V y 0.8 V) 1 lógico de entrada Voltaje entre VIH y VCC o (2 V y 5 V) 0 lógico de salida Voltaje entre GND y VOL o (0 V y 0.5 V) 1 lógico de salida Voltaje entre VOH y VCC o (3.5 V y 5 V) Voltaje de Entrada Nivel Lógico Correspondiente 0 V 0 5 V 1
- Complete la tabla 1.2 anotando los voltajes de la señal de salida (S) medidos con el multímetro de DC, e indicando el valor lógico de salida, identifique la compuerta a la que corresponde. Tabla 1. Figura 1. 2
- Simule los circuitos de las figuras 1. 3 y 1. 4 , obtenga la tabla de verdad en función de los niveles de voltaje analógicos y el valor lógico de salida y anótelos en las tablas 1. 3 y 1. 4 respectivamente.
- Identifique la compuerta a la que corresponde cada circuito. Figura 1. 3 Figura 1. 4 Tabla 1. 3 Tabla 1. 4
- Simule los circuitos de las figuras 1. 5 y 1. 6 , obtenga la tabla de verdad en función de los niveles de voltaje analógicos, el valor lógico de salida y anótelos en las tablas 1. 5 y 1. 6 respectivamente. A S Valor Lógico 0V 5V A B S Lógico 0 V 0 V 0 V 5 V 5 V 0 V 5 V 5 V A B S Lógico 0 V 0 V 0 V 5 V 5 V 0 V 5 V 5 V
Laboratorio de Sistemas Digitales
Práctica 2 Compuertas lógicas integradas
Tema 2.2. Compuertas lógicas básicas, sus tablas de verdad y sus expresiones de Boole. 2.3. Compuertas compuestas, sus tablas de verdad y sus expresiones de Boole. Objetivos
- El alumno comprobará el funcionamiento de los circuitos integrados de las familias lógicas digitales TTL y CMOS
- El alumno comprobará las tablas de verdad de las compuertas básicas integradas.
- El alumno comparará los valores de voltaje de las compuertas TTL y las compuertas CMOS. Introducción En la actualidad existe una gama amplia de familias lógicas digitales implementadas y comercializadas en forma de circuitos integrados. Entre las familias más ampliamente utilizadas se encuentran las de tecnología bipolar como las TTL y las de tecnología Metal Oxido Semiconductor Complementario como las CMOS. Los circuitos integrados de las diferentes familias lógicas se emplean de acuerdo con la aplicación sobre la que serán empleados ya que tienen características muy diversas entre sí, como pueden ser: la potencia consumida, la velocidad de respuesta, su inmunidad al ruido, los voltajes de alimentación, grados de integración, costo, tamaño, encapsulamiento, temperatura de trabajo, etc. La familia lógica TTL es una familia empleada con mucha regularidad en el diseño de sistemas digitales debido a su versatilidad y facilidad de manejo. Estos circuitos pertenecen a la familia 74XXX y tienen muchas subfamilias derivadas que cubren una amplia gama de características de tiempo, voltaje, consumo, etc. Figura 2. Los circuitos integrados que contienen compuertas son considerados como circuitos de baja escala de integración (Small Scale Integrated o SSI) puesto que solo contienen de 4 a 10 compuertas y por eso son los elementos básicos de la electrónica digital, pero fundamentales para la construcción de grandes bloques funcionales empleados para crear microprocesadores, memorias y todos los sistemas digitales conocidos. En comparación con las familias lógicas bipolares entre las que se encuentran las TTL, las familias lógicas de tecnología Metal Óxido Semiconductor o familias MOS, tienen tiempos de respuesta mayores, el consumo de potencia es menor debido a que son dispositivos que trabajan con base en voltajes y no en corrientes como lo hacen los transistores BJT, el margen de ruido que soportan es mayor debido a que trabajan en estado de encendido o apagado con altas impedancias de dispositivo, poseen un mayor intervalo de suministro de voltaje, un factor de carga más elevado puesto que consumen corrientes muy reducidas y es por eso que una sola salida puede alimentar a muchas entradas. Una de sus características más importantes es que ocupan un área mucho menor dentro de un circuito integrado que sus contrapartes TTL y es por eso por lo que son las compuertas más ampliamente empleadas en la construcción de circuitos integrados de escala de integración muy alta (Very Large Scale Integration o
VLSI), tales como memorias, microprocesadores, microcontroladores, dispositivos lógicos programables y otros. Existen diferentes series de la familia CMOS de CI digitales. Donde cada una de ellas cubre una condición de diseño para diferentes dispositivos digitales, entre ellas, compatibilidad con TTL, rango de voltaje, potencia disipada, etc. La serie 4000, que fue introducida por RCA fue la primera familia CMOS. La serie original es la serie 4000A; la 4000B representa una mejora con respecto a la primera y con una mayor capacidad de corriente. Figura 2. A partir de las compuertas básicas NOT, AND y OR, se pueden obtener otras compuertas derivadas uniéndolas en diferentes configuraciones. Entre estas nuevas configuraciones tenemos el BUFFER, la compuerta NAND y la compuerta NOR. En los sistemas digitales, a las compuertas NAND (7400) y NOR (7402) se les denomina compuertas universales debido a que con ambas es posible implementar cualquiera de las compuertas básicas y por lo tanto todas las combinaciones posibles de estas compuertas. En esta práctica el alumno obtendrá las tablas de verdad en función de los voltajes y las tablas de verdad lógicas de cada una de las compuertas básicas: AND, OR, NOT, NAND y NOR en ambas familias lógicas TTL y CMOS. Actividades Previas a la Práctica
- Realizar la lectura completa de la práctica.
- Investigar qué circuitos integrados de los listados en los materiales de la práctica, realizan las funciones lógicas de la tabla 2 .1 según la serie correspondiente. Tabla 2 .1. Material
- 1 CI 74LS
- 1 CI 74LS
- 1 CI 74LS
- 1 CI 74LS
- 1 CI 74LS
- 1 CD
- 1 CD
- 1 CD
- 1 CD Función Lógica Serie 74LSXX Serie 40XX NOT AND (2 Entradas) OR (2 Entradas) NAND (2 Entradas) NOR (2 Entradas)
Figura 2. 5 Tabla 2. Figura 2. 6 Tabla 2. Figura 2. 7 Tabla 2. 5 Figura 2. 8 Tabla 2. 6
- Los circuitos que se emplearán a continuación pertenecen a la familia MOS y en el laboratorio presencial deben manipularse con cuidado ya que son sensibles a descargas estáticas introducidas al manipularlos y por lo tanto deberán tomarse por las orillas sin tocar de forma directa las terminales.
- Los circuitos CMOS pueden alimentarse en un rango de voltaje de 3 a 15 V y en esta práctica los utilizaremos con una alimentación de 10V.
A B S
A B S
A B S
A B S
2 3 1 74LS 0.47k 0.47k LED LED A B S 0.47k LED 1 2 3 74LS 0.47k 0.47k LED LED A B S 0.47k LED 1 2 3 74LS 0.47k 0.47k LED LED A B S 0.47k LED 1 2 3 74LS 0.47k 0.47k LED LED A B S 0.47k LED
- Realice el siguiente procedimiento para modificar la fuente de voltaje de alimentación de los circuitos CMOS.
- Con el comando (Terminal Mode) crear una terminal de poder (POWER), flecha verde hacia arriba, en la hoja donde probara los circuitos y le asignele un nombre. Para eso damos doble Clic sobre él y en String escribimos el nombre +10V. Figura 2.
- En la barra de menú superior seleccionar Desing/Configure Power Rails… y comprobar que aparece el nuevo elemento de +10V y el voltaje asignado es 10 y Class es POWER. Figura 2.
- Inserte el circuito 4069 en la hoja de trabajo Figura 2.
- Damos doble Clic en el componente, y accederemos a Edit Component, y daremos Clic en Hidden Pins.
- En la casilla Pin VDD escribir +10V y clic en ok. 3 4
U1:B
4069
74LS08 CD
VIH
VIL
VOH
VOL
IIH
IIL
IOH
IOL
TPLH
TPHL
Tabla 2. 8
- Convierta el circuito de la figura 2.1 0 a lógica NAND y dibuje la solución. Figura 2. 15
Laboratorio de Sistemas Digitales
Práctica 3 Compuertas lógicas derivadas
Tema 2.2. Compuertas lógicas básicas, sus tablas de verdad y sus expresiones de Boole. Objetivos
- El alumno comprobará el funcionamiento de las compuertas XOR y XNOR implementado las funciones de minitérminos de Boole que las representan.
- El alumno comprobará el funcionamiento de los circuitos integrados que contienen compuertas derivadas OR exclusiva (XOR) y NOR exclusiva (XNOR).
- El alumno comprobará el concepto de código de paridad par empleando compuertas XOR. Introducción Utilizando las compuertas básicas NOT, AND y OR se desarrollaron otras 2 compuertas muy importantes para el diseño de las operaciones aritméticas con sistemas digitales, con estas compuertas es posible realizar las operaciones de suma y resta de bits, que son las fundamentales para el diseño de los sistemas aritméticos digitales. Estas compuertas derivadas son OR exclusiva o XOR y la compuerta NOR exclusiva o XNOR de las cuales se presentan sus expresiones de Boole en forma de suma de productos o minitérminos en la figura 3.1. Figura 3. Como se puede observar sus expresiones de Boole son combinaciones de las compuertas básicas NOT, AND y OR y por ello su implementación es un poco más compleja. Debido a que las compuertas XOR y XNOR se emplean en muchas aplicaciones aritméticas y de comunicaciones, se han construido en forma de circuito integrado y corresponden a los circuitos 7486 para la XOR en tecnología TTL y 4077 para la XNOR en tecnología CMOS. Las compuertas derivadas XOR y XNOR también se utilizan extensamente dentro de la rama de las comunicaciones ya que se utilizan para generar el bit de paridad par o impar para una palabra de n bits que se transmitirá por un canal digital y comprobar así, si la transmisión fue correcta. Actividades Previas a la Práctica
- Realizar la lectura completa de la práctica.
- Calcule el bit de paridad par para cada una de las palabras de 5 bits (ABCDE) : 1 1 110 y 11 001 Material
