INTRODUCCIÓN A LAS PUERTAS LÓGICAS INTEGRADAS Y AL ...

Laboratorio de sistemas Digitales I LAB ‐ 1a. Título de la práctica, nombres de alumnos y fecha.b. Trabajo previo desarrollado (tablas, etc). No es necesario repetir los enunciados de la práctica.c. Breve descripción de los experimentos desarrollados, incluyendo el objetivo cumplido.d. Esquemas eléctricos y cronogramas de simulaciones.e. Discusión de resultados y conclusiones.El informe es una pieza importante del laboratorio. Es también una forma de exponer el éxito del trabajoen el laboratorio. Ha de escribirse de forma cuidadosa y clara.. Es preferible que esté (pero no esobligatorio) en formato electrónico y ha se ser entregado obligatoriamente al comienzo de la siguientesesión.INTRODUCCIÓNEl elemento digital más básico es la puerta lógica. Estos elementos tienen una o más entradas yproducen una salida que es una función lógica (o booleana) de los valores de las entradas. Aunque lasentradas y las salidas son magnitudes analógicas como voltaje, corriente o incluso presión hidráulica,éstas son modeladas tomando dos valores discretos, ‘0’ (nivel bajo) y ‘1’ (nivel alto).Los tres tipos de puertas lógicas más importantes son AND de dos entradas, OR de dos entradas y NOT(también conocida como inversor) (ver Figura 1). Esto es así porque cualquier función digital se puederealizar a partir de estos tres tipos de puertas.Figura 1. Puertas lógicas más importantes.Los circuitos que emplean únicamente estos tipos de puertas se conocen como circuitoscombinacionales, porque sus salidas dependen únicamente de la combinación de los valores de lasentradas.Aunque una puerta lógica puede construirse a partir de unos cuantos transistores discretos, la tecnologíaactual permite integrar en una misma pieza de silicio todos estos transistores. Este fragmento de siliciose encapsula en una pieza de plástico o cerámica formando lo que se denomina circuito integrado ochip. Alrededor de la periferia del circuito integrado hay una serie de conectores conocidos comopatillas, que sirven para conectar al exterior las puertas lógicas del chip (ver Figura 2).

Laboratorio de sistemas Digitales I LAB ‐ 1Figura 2. Circuito integrado y esquema eléctrico del mismo.Como se ha comentado anteriormente, la salida de una puerta lógica es función de las entradas, lo queindica que el circuito (integrado) se debe alimentar con tensión (tensión = V CC = V DD ) y referenciar conuna masa (masa = GND = V SS ).Mientras que la tensión de masa son 0 V, puesto que es la referencia del circuito, la tensión dealimentación depende de la familia lógica de las puertas que integra. La familia usada en ésta práctica(74HC) funciona con V CC = 5 V.Fuertemente relacionado con las tensiones de alimentación y masa se encuentran los valores de tensiónde las señales digitales. Así, el valor digital ‘0’ lógico (nivel bajo) es una tensión cercana a GND, esdecir, a 0 V; mientras que el valor ‘1’ lógico (nivel alto) es una tensión cercana a VCC, que en nuestrocaso es de 5 V.Cada patilla del circuito integrado tiene asociado un número para poder identificar el conector delesquema eléctrico con el del encapsulado. Todas las patillas se numeran a partir de la primera (patillanúmero 1), que se identifica mediante una marca que se hace en el encapsulado.Una de estas marcas puede ser una muesca (ver Figura 3 (a)) que se realiza en el lado superior delcircuito integrado, de tal forma que la patilla 1 es la que está a la izquierda de dicha marca. Otra formade identificar la primera patilla es mediante un punto (Figura 3 (b)) que se sitúa junto a dicho conector.Figura 3. Numeración de las patillas de un circuito integrado.

Laboratorio de sistemas Digitales I LAB ‐ 1A partir de la patilla número 1 el resto de las patillas se numeran en sentido anti horario, como se puedeobservar en la Figura 3.En la documentación que cada fabricante aporta de sus circuitos integrados, se puede observar que almenos hay una patilla dedicada a la tensión de alimentación y otra patilla dedicada a masa.DESARROLLO PRÁCTICOFUNCIONAMIENTO DE LOS INTERRUPTORES, PULSADORES Y LEDObserve el funcionamiento de uno de los indicadores luminosos (LED – Light Emitting Diode) verdesde la tarjeta de entrada/salida (véase la Figura 5), conectando su entrada sucesivamente a 0 V = GND y a5 V = V CC empleando para ello un cable del laboratorio.Realice el mismo ejercicio conectando la entrada del LED a un interruptor y después a un pulsador.Comente las diferencias y conclusiones en cada uno de los tres casos.PUERTA LÓGICA ANDColoque un circuito integrado 74HC08 (cuatro puertas AND de dos entradas) en una tarjeta decomponentes y realizar los siguientes apartados.a. Conectar la alimentación y la masa en sus patillas correspondientes. ¿A qué patilla conectamoscada una? Consultar la documentación del fabricante en página web de la asignatura(http://www.dea.icai.upco.es/daniel/asignaturas/SistDig1_1_ITL/index.html).b. En cada circuito integrado 74HC08 disponemos de 4 puertas lógicas AND de dos entradas cuyaspatillas son las indicadas en la Figura 2. Comprobar el funcionamiento correcto del circuitointegrado ensayando las cuatro combinaciones posibles a la entrada de UNA de las puertas. Paraello, conectar sendos interruptores a las entradas y un LED de la tarjeta de entrada/salida a lasalida.c. Escribir en una tabla los valores de la salida para cada combinación de las entradas de la puertalógica anterior. Enhorabuena, acaba de escribir su primera tabla de verdad.d. Conectar el circuito de la Figura 4. Consiste en una puerta AND con un potenciómetro conectadoa una entrada y fijando un nivel de 5V en la otra entrada. Conecte las sondas del osciloscopio ymida los niveles de tensión en la entrada (CH 1) y salida de la puerta (CH 2). Haga un gráficoque relacione la tensión de entrada (eje X) con respecto a la tensión de salida (eje Y). Tome paraello varias medidas.e. Indique la tensión umbral obtenida en el apartado anterior.

Laboratorio de sistemas Digitales I LAB ‐ 1Figura 4. Circuito de medida para las tensiones de entrada a una puerta lógica.PUERTA LÓGICA ORRepetir los apartados del ejercicio anterior para el circuito integrado 74HC32 (cuatro puertas OR de dosentradas).OSCILOSCOPIO DIGITALa. Montar el esquema de la Figura 5, compuesto por una puerta lógica AND (74HC08), uninterruptor, una señal de reloj de 1 Hz y un LED, en una tarjeta de entrada/salida. Observarvisualmente el resultado. Explicar y razonar el funcionamiento del circuito y el resultadoobtenido para las dos posiciones del interruptor.Figura 5. Esquema de bloques del circuito a 1 Hz.

Laboratorio de sistemas Digitales I LAB ‐ 1b. Cambiar la frecuencia de 1 Hz a 1 kHz, en el montaje anterior. Observar visualmente elresultado. Explicar y razonar el funcionamiento del circuito y el resultado obtenido para las dosposiciones del interruptor.c. ¿Se obtienen resultados equivalentes en los dos apartados anteriores? ¿Los resultados son losesperados? ¿Por qué?d. Verificar el funcionamiento explicado en los apartados anteriores con el osciloscopio digital.Para ello conectar el Canal 1 del osciloscopio (CH 1) a la entrada de la puerta AND con el reloj a1 kHz; el Canal 2 del osciloscopio (CH 2) a la salida de la puerta AND y ajustarMANUALMENTE las señales a la pantalla (ver el anexo). ¿Coincide lo observado en lapantalla del osciloscopio con lo explicado anteriormente?e. Dibujar aproximadamente lo observado en la pantalla del osciloscopio y relacionar los resultadosobservados en los apartados b) y d).f. Medir con el osciloscopio digital la frecuencia, el período, el valor medio, la amplitud y el valoreficaz de la señal del Canal 1 del osciloscopio empleada en el apartado d). Consultar el anexopara realizar estas medidas.g. Medir con el osciloscopio digital el tiempo de retardo de la puerta. Para ello, dado que estetiempo es muy pequeño, es necesario disminuir la base de tiempos hasta 50 ns/div. Antes dedisminuir la base de tiempo, hay que asegurarse que le origen de tiempos (flecha en la partesuperior de la pantalla) está justo en el centro de la cuadrícula. Si lo está, leerá en la partesuperior derecha de la pantalla “M Pos: 0.000s”.ANEXOINTRODUCCIÓN AL OSCILOSCOPIO DIGITAL TEKTRONIX TDS210El osciloscopio es una de las herramientas fundamentales de la ingeniería electrónica. Algunos autoresincluso de atreven a llamarlo “los ojos” del ingeniero electrónico, ya que mediante su uso es posiblevisualizar la variación de las señales eléctricas en función del tiempo, incluso cuando estas variacionesson del orden de GHz (Giga-Hertzios). En este anexo se da una pequeña introducción a sufuncionamiento y a su manejo.En la Figura 5 se muestra la pantalla del osciloscopio digital Tektronix TDS210, que será el usado en ellaboratorio. En primer lugar cabe destacar que se pueden visualizar dos señales simultáneamente. Sedice entonces que el osciloscopio es de dos canales. Éstos son los más comunes, aunque los hay tambiénde 4 y 6 canales, que obviamente son bastante más caros.El poder visualizar varias señales a la vez no es un capricho, sino una necesidad, ya que como se verá eneste curso, normalmente interesa no solo observar la evolución de una señal, sino su relación con otra uotras señales. Por ejemplo, para estudiar el funcionamiento de un circuito lo normal será visualizar laseñal de entrada y la de salida, para averiguar si el comportamiento del circuito es el esperado.

Laboratorio de sistemas Digitales I LAB ‐ 1Para facilitar la medición de las señales, la pantalla está dividida por una cuadrícula, de forma que el ejehorizontal es el eje de tiempo y el vertical es el eje de tensión. Para evitar confundir la señal con losejes, éstos no se dibujan, aunque sí se muestra su origen mediante dos pequeñas flechas situadas en losbordes de la cuadrícula. Así, la flecha situada en la parte superior de la pantalla es el origen del eje detiempos y las dos flechas situadas en el lateral izquierdo (con un ‘1’ y con un ‘2’) muestran los orígenesde los ejes de tensiones de cada uno de los dos canales.Figura 6. Pantalla del osciloscopio digital.Los mandos del osciloscopio, mostrados en la Figura 6, permiten controlar cómo se dibujan las señalesen la pantalla. La columna etiquetada como “HORIZONTAL” controla el eje de tiempos (X) y las doscolumnas etiquetadas como “VERTICAL” controlan el eje de tensiones (Y) de cada uno de los doscanales. Dentro de cada una de estas columnas, el mando “POSICIÓN” permite variar el origen de cadauno de los ejes.El otro mando presente en cada columna permite variar la escala de la representación. Así el mandoetiquetado como “SEC/DIV” en la columna “HORIZONTAL” permite, como su propio nombreindica, variar el tiempo que representa cada cuadro de la pantalla. La escala actual se indica en el centrode la parte inferior de la pantalla. Así, en el ejemplo de la Figura 6 la base de tiempos es de 500 µs/div,lo cual quiere decir que cada cuadrícula horizontal de la pantalla representa 0.5 ms. A partir de estainformación es fácil averiguar que el periodo de la onda representada es de 1 kHz.El mando etiquetado como “VOLTS/DIV” permite variar la escala de tensiones (ganancia) del canalcorrespondiente, es decir, los voltios de cada cuadro en vertical. Las ganancias de cada canal semuestran en la parte inferior izquierda de la pantalla, etiquetadas como CH1 para el Canal 1 y CH2 parael Canal 2. En el ejemplo de la Figura 6, la ganancia del Canal 1 es de 5.00 V/Div, lo cual implica que

Laboratorio de sistemas Digitales I LAB ‐ 1cada cuadrícula vertical de la pantalla representa 5 V. Según esto la señal mostrada en la pantalla tieneuna amplitud pico-pico de 5 V.Figura 7. Mandos del osciloscopio digital.Para que estas medidas sean correctas, es necesario configurar en el osciloscopio la ganancia de la sondaque estamos usando. Existen sondas que dejan pasar la señal tal cual (x1) y sondas que dividen latensión entre 10 (x10), entre 100 (x100) o entre 1000 (x1000) para perturbar menos al circuito que seestá midiendo. Para indicar el tipo de sonda es necesario activar el menú del canal correspondiente,pulsando la tecla etiquetada como “CH1 MENU” o “CH2 MENU”.5 Aparece entonces un menú a laderecha de la pantalla en el que se puede observar, en la parte inferior, una opción denominada“Sonda”. Si se pulsa el botón que hay al lado de esta opción se cambia la ganancia de la sonda de x1 ax10, de x10 a x100, de x100 a x1000 y de x1000 de nuevo a x1.MEDIDAS CON EL OSCILOSCOPIO DIGITALEl osciloscopio que se emplea en el laboratorio permite realizar distintos tipos de medidas sobre lasseñales que se están visualizando.Si pulsamos la tecla “MEDIDAS” (ver Figura 7) accedemos a un menú en el que la primera opción nospermite elegir entre cambiar el Tipo de medida a realizar o el canal (Fuente) a medir. Se pueden realizar

Laboratorio de sistemas Digitales I LAB ‐ 1cuatro medidas simultáneamente de los canales que se quiera. Los tipos de medidas que se pueden hacerson: Frecuencia, Período, V media , V pico-pico y V rmsMEDIDA DEL TIEMPO DE RETARDO DE UNA PUERTA LÓGICAAunque no lo parezca, las puertas lógicas no son elementos ideales, sino que están formadas porcircuitos electrónicos reales que tardan un tiempo en reaccionar frente a los cambios de las entradas.Para medir el retardo de la puerta se puede, o bien contar las cuadrículas entre el cambio de la entrada yla salida, opción poco precisa, o mejor utilizar los cursores del osciloscopio.Para ello hay que pulsar el botón “CURSORES” para que aparezcan las opciones del menú. En laprimera opción se indica el Tipo de cursor, que puede ser para medir Tensión, para medir Tiempo o Sincursores.En la segunda opción se puede elegir sobre qué canal (Fuente) se realiza la medida. En el resto deapartados del menú se indican la diferencia entre los cursores y la posición absoluta de cada uno deellos.Los cursores se manejan con los mandos “CURSOR 1” y “CURSOR 2” (ver Figura 7) que hay en lacolumna “VERTICAL” de los controles del osciloscopio.