multiSIM 2001
Gu铆a para simulaci贸n digital
Índice 1. Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 2. La pantalla de MultiSIM 2001. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 2.1. Menús. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 2.2. Componentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 2.3. Instrumentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 3. Creación y simulación de un circuito digital en MultiSIM . . . . . . . . . . . . . . . . 155 3.1. Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 4. Simplificación lógica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160 4.1. Conexión de un circuito al convertidor lógico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 4.2. Obtención de un circuito a partir de la expresión booleana . . . . . . . . . .161 4.3. Obtención de un circuito a partir de la tabla de verdad . . . . . . . . . . . . . 162 5. Ejemplo de circuito secuencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
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1. Introducción. Multisim es una herramienta EDA (Electronic Design Automation) para el diseño y simulación de circuitos eléctricos y electrónicos. Multisim proporciona avanzadas características que permiten ir desde la fase de diseño a la de producción utilizando una misma herramienta: ofrece entradas esquemáticas; una amplia base de datos; simulación electrónica analógica y digital (tipo SPICE); entradas y simulación de código empleando lenguajes HDL (Hardware Description Language) como VHDL o Verilog; herramientas de síntesis de FPGA/CPLD; y es capaz de generar la placa de circuito impresa PCB (Printed Circuit Board). Las librerías están subdivididas en categorías: fuentes, resistencias, diodos, componentes CMOS, componentes TTL, etc., que incluyen diferentes tipos de circuitos existentes en el mercado. Todos estos elementos están organizados en una base de datos que proporciona una forma sencilla y rápida de localizar los componentes. También dispone de herramientas de simulación como instrumentos virtuales y analizadores, permitiendo incluso la simulación de circuitos de alta frecuencia (más de 100 MHz). Los resultados obtenidos por el programa pueden exportarse a formato gráfico o a formato de tablas, siendo posible editarlos para variar los tipos de letra, colores, etc. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES.
Captura esquemática avanzada incluyendo un editor de símbolos.
Simulación tipo SPICE/XPICE/BSPICE.
Realiza simulación electrónica tanto analógica como digital.
Incluye un mínimo de 9 instrumentos virtuales.
Amplia librería de hasta 16.000 modelos.
Dispone de una herramienta de realización de modelos.
Realiza simulaciones tipo HDL (Hardware Description Language).
Cuenta con herramientas de diseño para radiofrecuencia.
Puede realizar diseños para FPGA/CPLD.
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2. La pantalla de MultiSIM 2001. Cuando se inicia una aplicación MultiSIM 2001, aparece una interfaz de usuario o pantalla1 como la mostrada en la Figura 1. Las principales áreas de esta pantalla son: menús, botones para realizar de manera más rápida determinadas funciones, barra de herramientas con componentes e instrumentos y la ventana del circuito. Interruptor de simulación Menú Botones
Componentes
Instrumentos
Link: edaparts.com
Ventana del circuito
Barra de estado Figura 1. Pantalla inicial de MultiSIM.
La ventana del circuito es el área de la pantalla donde dibujaremos el circuito que queremos verificar. El interruptor permite aplicar o quitar la corriente eléctrica al circuito que hemos dibujado en el área de trabajo, con la finalidad de ponerlo o no en funcionamiento. Al hacer clic con el ratón sobre dicho interruptor, éste pasará a la posición de encendido si se encontraba apagado y viceversa.
1
Nota. La ventana del circuito tiene por defecto el fondo en color negro. Sin embargo, en el resto del documento se empleará el fondo en color blanco. Esta característica se puede modificar dentro del menú Options -> Preferentes.
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2.1. Menús. Las opciones de menú son las siguientes: File, Edit, View, Place, Simulate, Transfer, Tools, Options, Window y Help, y proporcionan muchos tipos de comandos. 2.1.1. Menú File. Dentro de este menú encontramos las funciones típicas (New, Open, Save, Print ...) de cualquier programa con entorno gráfico, que nos permiten abrir un fichero de diseño electrónico, crear uno nuevo, guardar el que tenemos actualmente en la ventana del circuito o imprimirlo. 2.1.2. Menú Edit. Con esta opción (Figura 2) podremos realizar funciones de edición, tales como cortar, copiar, pegar, borrar y rotar objetos seleccionados con el cursor.
Figura 2. Menú Edit.
La última opción Component Properties edita el componente seleccionado con el cursor para configurar sus parámetros. Tiene la misma funcionalidad que hacer doble clic sobre el elemento. 2.1.3. Menú View. Contiene comando para mostrar u ocultar elementos de la pantalla, tales como barras de herramientas, barra de estado, rejilla de la ventana del circuito, etc. 2.1.4. Menú Place. Permite colocar diversos elementos dentro de la ventana del circuito. Las opciones son las siguientes:
Place Component: Abre la ventana de diálogo, mostrada en la Figura 3, para insertar un componente.
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Símbolo que representa al componente seleccionado en la lista
Base de datos
Familia del componente. Las familias son las categorías (disponibles también en la barra de componentes)
Información del componente seleccionado en la lista
Lista de componentes disponibles en la familia indicada en Component family
Información del modelo del componente
Lista de fabricantes del componente
Búsqueda en la base de datos Lista de los componentes de la familia Información detallada del componente Permite al usuario introducir información sobre el componente Editar el componente para modificarlo
Figura 3. Ventana de selección de componentes.
Place Junction: Coloca una unión o conexión al hacer clic sobre el área de dibujo.
Place Bus: Coloca un bus al hacer clic sobre el área de dibujo. Los buses son un conjunto de conductores (cables, pistas de cobre, etc.) en paralelo, que se emplean para conectar dos grupos de pines entre sí. Para dibujarlo hay que hacer clic en el primer punto del bus, arrastrar el cursor hasta el punto final y hacer doble clic. Las conexiones al bus (entradas y salidas) se realizan dibujando una conexión desde cada punto que se unirá al bus hasta el bus. En ese instante aparecerá una pantalla como la mostrada en la Figura 4. En ella hay que indicar el número de la entrada al bus.
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Figura 4. Nombre de la entrada al bus.
Place Input/Output: Añade un pin de entrada/salida a un circuito para usarlo como subcircuito. Para más detalles ver la ayuda: Setting up a Circuit for Use as a Subcircuit.
Place Hierarchical Block: Coloca un circuito en una estructura jerárquica. Para más detalles ver la ayuda: About Hierarchical Design.
Place Text: Incorpora texto a la ventana de dibujo.
Replace Component: Antes de usar este comando es necesario seleccionar el componente del área de dibujo que será reemplazado. Esta opción invoca a la ventana de selección de componentes (Figura 3), en la cual se elegirá el componente que sustituirá al seleccionado.
Place as Subcircuit: Coloca el circuito seleccionado y copiado al portapapeles como un único componente nuevo, es decir, encapsula el contenido del portapapeles en un bloque. Para que el nuevo bloque tenga entradas y salidas, al circuito original habrá que añadirle pines de entrada/salida (Place>Place Input/Output)
Replace by Subcircuit: muy similar al anterior, salvo que no es necesario copiar la selección al portapapeles.
2.1.5. Menú Simulate. Comentaremos sólo algunas de las opciones:
Run:Inicia o para una simulación. Cuando iniciemos la simulación el interruptor cambiará a la posición de encendido y cuando detengamos el funcionamiento, el interruptor se apagará.
Pause:Detiene la simulación en curso.
Default Instrument Setting: Establece la configuración por defecto de los instrumentos basados en análisis transitorio (en el dominio del tiempo), tales como el osciloscopio, analizador de espectros y analizador lógico.
Digital Simulation Setting: Permite elegir entre mejorar la precisión o la velocidad de simulación, cuando se incluye un componente digital al diseño.
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Instruments: Coloca en la ventana de dibujo el instrumento seleccionado. Es una alternativa a emplear la barra de instrumentos situada a la izquierda, y que se explicará en un apartado posterior.
Analyses: Contiene comandos para configurar el análisis del circuito y definir parámetros relacionados con la simulación del circuito tales como: tolerancias, temperatura de la simulación, número de puntos a calcular, visualización de resultados en el osciloscopio (generar gráfico automáticamente o detener después de cada pantalla), etc. La eficacia de la simulación dependerá de los valores escogidos. La mayoría de opciones poseen valores por defecto. Las más utilizadas son:
o
DC Operating Point: Este análisis determina el punto de trabajo de un circuito, también conocido como punto Q, es el punto en el cual el voltaje y la corriente de la fuente se iguala al voltaje y la corriente en la carga. En otras palabras, el voltaje de salida se comporta de maneras ideal, como una reproducción lineal de la entrada. Los resultados se muestran en una tabla que aparece cuando termina el análisis.
o
AC Analyses: Para realizar un análisis en frecuencia habrá que indicar en la caja de diálogo correspondiente la frecuencia inicial y final, el número de puntos a calcular, la escala vertical (si es decimal o logarítmica) y el número de nodos del circuito en los que deseamos ver el resultado. Al hacer clic sobre el botón de simulación se realizará ésta, mostrándose las gráficas de voltaje-frecuencia y fase-frecuencia al concluir la misma.
o
Transient: Este tipo de análisis también conocido como análisis en el dominio del tiempo, calcula la respuesta del circuito en función del tiempo. Si seleccionamos calcular el punto de operación DC (Calculate DC operating point) se realizará en primer lugar un análisis DC y el punto obtenido será la condición inicial en el análisis transitorio (la condición inicial también puede ser introducida por el usuario). Habrá que especificar el inicio y el final del análisis, así como el número de puntos a calcular. Al finalizar la simulación se mostrará la gráfica resultado del análisis.
o
Fourier: El análisis de Fourier dará como resultado la componente continúa, la fundamental y el contenido armónico de una señal. Deberemos indicar el punto del circuito sobre el que deseamos realizar el análisis, la frecuencia fundamental, el número de armónicos, si la escala de representación será logarítmica, lineal o en decibelios, etc.
o
Noise Analyses: Permite detectar la magnitud del ruido en la salida del circuito.
o
Distorsion Analyses: Mide la distorsión armónica.
o
DC Sweep: Este análisis calcula el punto de operación DC de un nodo del circuito para varios valores de las fuentes de continua.
o
Monte Carlo: Se trata de un análisis estadístico que no informa acerca de cómo las variaciones en las propiedades de los componentes afectan al circuito.
Postprocess:Abre la ventana de post-procesamiento, la cual se emplea para combinar los resultados de varios análisis. Es necesario, por tanto, haber
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ejecutado previamente al menos un análisis del circuito.
Auto Fault Option: Aplica fallos sobre componentes seleccionados de forma aleatoria. Se puede escoger el número de fallos de cada tipo que se aplicarán.
Global Component Tolerances: Los componentes virtuales son por defecto ideales, es decir, no poseen resistencia interna. Con esta opción se introducen variaciones de forma aleatoria para simular el comportamiento de componentes reales.
2.1.6. Menú Transfer. Dentro de este menú se encuentran distintos comandos que permiten guardar o exportar los datos de nuestro diseño con el fin de que sean empleados por otras aplicaciones (MathCAD, Excel, etc.). Al elegir una de las opciones se mostrará una ventana de diálogo para seleccionar o introducir el nombre del fichero al que se transferirán los datos. 2.1.7. Menú Tools. Incorpora comandos para incorporar, borrar o modificar componentes de la base de datos. 2.1.8. Menú Options. Contiene las siguientes opciones:
Preferences: (Figura 5) Permite especificar las preferencias del usuario, tales como: el color del fondo o conexiones; mostrar u ocultar diversos parámetros de los componentes; mostrar u ocultar la rejilla; tamaño de la página; fuente del texto; etc.
Figura 5. Ventana de preferencias.
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Modify Title Block: Datos que aparecen en el cajetín de la página (autor, título, revisión, fecha, etc.). Este cajetín se muestra en la esquina inferior derecha de la ventana de trabajo.
Global Restricions: Establece las restricciones globales para otros usuarios de MultiSim. Estas restricciones se pueden controlar mediante el empleo de contraseñas.
Circuit Restrictions: Similar al anterior, salvo que para un circuito particular.
2.1.9. Menú Windows. Nos informa sobre las ventanas visibles o activas en nuestra aplicación MultiSim. 2.1.10. Menú Help. Permite el acceso a los distintos ficheros de ayuda.
2.2. Componentes. La barra de herramientas de componentes, que se muestra en la Figura 6, presenta una serie de botones con las diferentes categorías de elementos que podremos añadir a nuestro circuito.
Figura 6. Barra de componentes.
Al hacer clic sobre cada botón se mostrará un menú desplegable (Figura 7) con los modelos de componentes disponibles dentro de cada categoría. Cada componente puede ser colocado en la ventana del circuito con una operación clic/arrastrar desde su icono. Una vez colocado las conexiones se realizan sobre el icono. A continuación resumiremos las categorías más empleadas. Para obtener más información de cada componente se puede seleccionar la función Help en el menú superior
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(i)
(j)
(f)
(e)
(d)
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(c)
(b)
(a)
(g)
(h)
Figura 7. Distintas categorías de componentes.
2.2.1. Fuentes
.
Dentro de la categoría Sources aparecerán los elementos que se observan en la Figura 7.a, entre los que se encuentran el símbolo de masa, fuente de voltaje y de corriente continua, alterna, fuentes de voltaje y corriente controladas, generadores de reloj, señales moduladas en amplitud (AM) y frecuencia (FM), etc. 2.2.2. Componentes básicos
.
Al hacer clic sobre el botón de componentes básicos aparecerán en una ventana una serie de elementos que podemos incorporar a nuestro diseño (Figura 7.b). Encontramos elementos como: resistencias, condensadores, bobinas, transformadores, relés, conmutadores, etc. En algunos casos, como sucede con las resistencias, tenemos dos opciones: bien seleccionar el elemento de una lista de valores comerciales (opción izquierda), bien seleccionar un elemento genérico o virtual (opción derecha) y configurar su valor editando el componente. Para editarlo, basta con seleccionarlo y hacer doble clic. El valor se introducirá en el parámetro correspondiente de la lengüeta Value.
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2.2.3. Diodos . Entre los tipos de diodos disponibles (Figura 7.c), además del diodo semiconductor, se encuentran el diodo zéner, LED, Shockley, diac, triac y circuitos con diodos como el puente rectificador. 2.2.4. Transistores . Están disponibles diversos tipos de transistores comerciales y virtuales (Figura 7.d), como NPN, PNP, JFET de canal n y de canal P, MOSFET de canal n y de canal p de tres y de cuatro terminales y transistores GaAsFET. 2.2.5. Componentes analógicos . Los circuitos analógicos disponibles (Figura 7.e) son amplificadores operacionales y comparadores, tanto comerciales como virtuales y una serie de elementos especiales entre los que se encuentran amplificadores de instrumentación, filtros o amplificadores de vídeo. 2.2.6. Componentes digitales TTL y CMOS . Al marcar cualquiera de estas dos opciones aparece en pantalla un menú como el de la Figura 7.f y Figura 7.g, respectivamente, con las subfamilias de cada tecnología (TTL y CMOS).
Figura 8. Selección de una puerta NAND de un integrado 7400.
Si se desea incorporar una puerta lógica hay que seleccionar en la ventana correspondiente el nombre del circuito integrado que la contiene y la posición que ocupa en el integrado, es decir, si es la primera puerta lógica elegiremos: Section A, si es la segunda: Section B, etc. En la Figura 8 se muestra como incluir una puerta NAND del C.I. 7400. 2.2.7. Componentes digitales miscelánea . Esta categoría (Figura 7.h) engloba diversos componentes digitales. En primer lugar permite incluir componentes virtuales, tales como, puertas lógicas, codificadores, comparadores, etc., por lo que evita el tener que escoger a priori una
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tecnología o un circuito integrado. Otras opciones incluyen dispositivos de memoria, buffers, etc. 2.2.8. Mixtos . En esta categoría (Figura 7.i) encontramos convertidores analógico-digitales y digitales-analógicos de corriente y de voltaje, monoestables, switch analógicos y el temporizador 555. 2.2.9. Indicadores . Al seleccionar esta opción (Figura 7.j), aparecerán elementos tales como, voltímetro, amperímetro, indicadores luminosos como bombillas, diodos leds, displays, barras de leds y un indicador acústico. Todos estos elementos nos permitirán comprobar si nuestro diseño se comporta como deseamos.
2.3. Instrumentos. Además de los componentes que integran nuestro diseño, y que hemos visto en la sección anterior, MultiSim incorpora una serie de instrumentos para que la verificación del circuito se realice de forma rápida y sencilla. Estos instrumentos se muestran en la Figura 9.
Figura 9. Instrumentos.
Como sucedía con los componentes, cada instrumento puede ser colocado en la ventana del circuito con una operación clic/arrastrar desde su icono. El instrumento, una vez colocado, puede ser editado para verlo en detalle haciendo doble clic sobre el mismo. La vista en detalle del instrumento nos permitirá seleccionar o cambiar controles como si se tratara de un instrumento real. A continuación se exponen los instrumentos más empleados. 2.3.1. Multímetro
.
El multímetro se emplea para medir voltaje (en alterna AC, o en continua DC), corriente (AC o DC), valores de resistencia, y las pérdidas en decibelios entre dos puntos. El detalle de este instrumento se muestran en la Figura 10. El multímetro es de autorango, es decir, no es necesario especificar el rango de medición (se ajusta automáticamente). Los valores por defecto de resistencia y corriente interna del instrumento, son practicamente ideales y pueden modificarse mediante el botón Set. Pantalla Opciones
Configuración
Tipo de corriente o voltaje a medir Terminal (AC o DC) negativo
Terminal positivo Figura 10. Multímetro.
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150 Entre los modos de multímetro se encuentran: a)
b)
funcionamiento
del
Amperímetro. Esta opción mide la intensidad de la corriente que circula en un punto o nodo del circuito. El amperímetro debe conectarse en serie en el punto del circuito que se desea medir. Hay que tener cuidado con la polaridad del instrumento (la corriente eléctrica circula del lado positivo hacia el lado negativo de la batería). En la Figura 11 se puede observar un ejemplo con un amperímetro conectado correctamente (el valor medido es positivo). Al usar el amperímetro la resistencia interna es por defecto muy baja (1n Ohm).
Figura 11. Multímetro empleado como amperímetro.
Voltímetro. En esta posición el multímetro mide el voltaje existente entre dos puntos del circuito. El voltímetro debe conectarse en paralelo con el elemento cuyo voltaje se desea medir. En la Figura 12 se muestra un ejemplo en el cual la conexión del voltímetro es correcta, ya que obtenemos un voltaje positivo. Al usar el voltímetro la resistencia interna es por defecto muy alta (1M Ohm). Figura 12. Multímetro empleado como voltímetro.
c)
Ohmímetro. Nos permite medir la resistencia entre dos puntos del circuito. Para realizar una medición correcta se deben desconectar2 las fuentes de voltaje del circuito. En la Figura 13 aparece un ejemplo de una medida de resistencia.
Figura 13. Multímetro empleado como ohmímetro.
2.3.2. Generador de funciones
.
El generador de funciones es un instrumento para generar señales u ondas: sinusoidales, triangulares o cuadradas. Cuando se hace doble clic, en el símbolo del generador de funciones, éste se amplía (Figura 14) con la finalidad de seleccionar la amplitud (Amplitude), la frecuencia (Frequency), forma de onda de la señal, etc.. Ana Toledo
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El generador de funciones posee tres terminales (positivo, común y negativo) a través de los cuales se aplica la señal al circuito. El terminal común proporciona un nivel de referencia de la señal, de modo que para referenciar una señal a masa, el terminal común se conecta a la masa del circuito. Entre el punto común y el conector de salida positivo o el conector de salida negativo, el generador proporcionará el voltaje de pico de la señal, y el voltaje real de salida pico a pico (doble del valor de pico) lo obtenemos entre los terminales positivo y negativo.
Formas de onda Frecuencia Duty cycle Configuración
Amplitud Offset DC
Terminal positivo
Terminal negativo Terminal común Figura 14. Generador de señales.
2.3.3. Medidor de potencia
.
Este instrumento permite medir la magnitud de la potencia activa, es decir, el producto de la diferencia de voltaje y la corriente que circula en el circuito o parte de él. Como se aprecia en la Figura15, el resultado se muestra en watios. También se indica el factor de potencia, es decir, el coseno del ángulo formado entre el voltaje y la corriente.
Factor de potencia (de 0 a 1) Terminales de voltaje
Potencia activa en W
Terminales de corriente
Figura 15. Medidor de potencia.
2.3.4. Osciloscopio
.
Es un instrumento de dos canales que nos permite ver y medir la forma de onda en voltajes pico a pico, a diferencia del multímetro que registra voltajes eficaces o RMS. El osciloscopio se extrae, conecta y desconecta de la misma manera que el multímetro. Haciendo doble clic, con el botón izquierdo del ratón en el símbolo del osciloscopio, éste se amplía con la finalidad de poderlo manipular y leer con facilidad (Figura 16). Posee todos los controles básicos de un osciloscopio real de dos canales: base de tiempos (escala en el eje horizontal), voltios/división (eje vertical) y disparo externo.
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152 Cursor 1
Cursor 2
Pantalla
Valores (x,y) de los cursores
Voltios/división
Base de tiempos Canal A
Canal B
Figura 16. Osciloscopio.
2.3.5. Diagrama de Bode
.
Permite analizar la respuesta en frecuencia de un circuito y medir relaciones de magnitudes como la ganancia del voltaje en decibelios o el desfase en grados. Es muy útil para analizar filtros. La vista en detalle de este instrumento aparece en la Figura 17.
Figura 17. Diagrama de Bode.
2.3.6. Generador de palabras
.
Es un instrumento especializado que se emplea para enviar códigos digitales o patrones de bits a un circuito con la finalidad de verificar su comportamiento. Se puede generar un flujo de 1024 (210) palabras de 32 bits cada una.
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En la parte izquierda del generador de palabras (ver detalle en la Figura 18) se observan las filas de códigos de ocho caracteres hexadecimales, es decir, valores comprendidos entre 00000000 y FFFFFFFF (en decimal desde 0 a 232-1). En el campo Binary se observa el valor binario correspondiente. Cada fila representa una palabra de 32 bits. Cuando se activa el generador, una fila se envía en paralelo por los 32 terminales del componente, siendo el terminal señalado como 0 bit de menor Nº de fila actual, inicial, final peso. Tipo de transferencia - Cíclica - Ráfaga - Paso a paso - Con ptos de ruptura - Según patrón
Códigos hexadecimales
Tipo de disparo (ascendente/descendente, interno/externo)
Frecuencia Valor binario Terminales de salida Figura 18. Generador de palabras.
Para cambiar el valor de una palabra, tras seleccionarla, podemos escribir su nuevo valor, en binario en el campo Binary, en hexadecimal en la parte izquierda de la ventana, o en caracteres ASCII en la caja de texto ASCII. A la hora de generar una secuencia podemos establecer cuál será la primera palabra a transferir, indicando su dirección (número de fila) en el campo Initial, la última palabra, indicando su dirección en el campo Final y como se realizará la transferencia. Para esto existen diversas opciones:
Cycle : La secuencia se reproduce automática e indefinidamente a la frecuencia especificada. Una vez alcanzado el último valor (Final) la secuencia comenzará de nuevo por la fila señalada como inicial.
Burst : La secuencia se reproduce a la frecuencia especificada pero sólo una vez.
Step : Pulsaremos este botón cada vez que queramos avanzar una fila en la secuencia de salida.
Breakpoint: Pulsaremos este botón cuando queramos detener o restaurar el flujo de palabras en una palabra determinada. Para añadir un breakpoint seleccionaremos la palabra en la parte izquierda de la ventana donde deseamos que se detenga la secuencia y haremos clic sobre Breakpoint. Para elimar dicho punto, lo seleccionaremos y volveremos a pulsar Breakpoint. Puede colocarse más de un punto de parada y éstos sólo estarán presentes con las opciones Cycle y Burst.
También existe la opción (Pattern) de seleccionar la secuencia de una lista (Figura 19) de patrones predefinidos:
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Opciones: • Clear buffer: Todos los valores a cero.
Figura 19. Secuencias.
•
Open: Fichero de secuencia con extensión “.dp”.
•
Save: Guardar la secuencia en un fichero “.dp”.
•
Up Counter: Contador ascendente.
•
Down Counter: Contador descendente.
•
Shift Right: derecha.
•
Shift Left: izquierda.
Desplazamiento Desplazamiento
de
un
bit
a
la
de
un
bit
a
la
La salida sólo estará disponible en los terminales cuando se conecte algún circuito al generador de palabras y se haya pulsado el icono . El valor binario de la palabra correspondiente aparecerá en los terminales de salida. 2.3.7. Analizador lógico
.
El analizador lógico permite visualizar hasta 16 formas de onda digitales en función del tiempo. En la Figura 20 se muestra el detalle de este instrumento. Para conocer de forma fácil y rápida el valor hexadecimal en un instante determinado, este instrumento incorpora dos cursores que pueden ser arrastrados con el ratón. Estos valores2 pueden leerse en la caja de texto T1 (cursor 1) y T2 (cursor 2). Cursor 1
Cursor 2
Pantalla
Terminales binarios de entrada
Pausa Puesta a 0 Valores (x,y) de los cursores 2
Frecuencia
Base de tiempos
Figura 20. Analizador lógico.
Nota: Se considerará como bit menos significativo la señal conectada al terminal superior.
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2.3.8. Convertidor lógico
155
.
El convertidor lógico es otro instrumento especializado empleado en diseños digitales para realizar varios tipos de conversiones (Figura 21). El convertidor lógico permite obtener la tabla de verdad o la expresión booleana del circuito lógico conectado a él. Este convertidor puede también convertir una expresión booleana a una tabla de verdad o a un circuito con puertas lógicas o, a partir de una tabla de verdad obtener la ecuación booleana simplificada o sin simplificar y el circuito. Hay ocho terminales para conectar las entradas de las puertas lógicas y un terminal para conectar la salida. Su funcionamiento se verá en ejemplos posteriores. Entradas
Salida
Circuito -> Tabla verdad Tabla verdad -> Expresión Tabla verdad -> Expresión simplificada Expresión -> Tabla verdad Expresión -> Circuito Expresión -> Circuito NAND
Expresión Figura 21. Convertidor lógico.
3. Creación y simulación de un circuito digital. El diseño se lleva a cabo sobre la ventana principal incorporando los componentes que sean necesarios y realizando las conexiones oportunas. Dado que se trata de diseños digitales, a lo largo de esta guía emplearemos, generalmente los componentes genéricos que se encuentran dentro de la categoría Misc
en
. Una vez pulsado este botón aparecerá en pantalla una la primera opción ventana como la mostrada en la Figura 22. Tras seleccionar el componente correspondiente en la lista, pulsaremos el botón OK de la ventana y lo colocaremos sobre el área de dibujo. En la Figura 23 se muestra un ejemplo de un circuito con tres puertas lógicas. Podemos emplear tantos módulos de un componente o componentes diferentes como queramos.
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Figura 22. Componentes digitales genéricos.
Una vez colocado el primer componente para modificar sus características basta con hacer doble clic con el puntero del ratón sobre el mismo. Los parámetros que se pueden configurar son los siguientes:
Dentro de la lengüeta Label indicaremos: - Referencia o identificador (Reference ID). Cada componente del circuito tendrá un identificador que lo diferenciará del resto de componentes. El programa otorgará por defecto, referencias distintas a los componentes. - Un nombre o etiqueta (Label) para el componente. En Display indicamos qué elementos del componente (etiqueta, modelo y referencia) serán visibles en pantalla. En Value se especifica el valor del componente. En la mayoría de elementos que vamos a emplear en nuestros diseños digitales (como las puertas lógicas) los parámetros de Value son el modelo y la función del mismo, y no son configurables por el usuario. Por último, la caja de diálogo Fault permite incorporar fallos o averías al circuito, tales como pérdidas, cortocircuitos o circuitos abiertos. Con esta opción se facilita la detección de fallos en los sistemas reales. Una vez colocados los componentes que integran el circuito y modificados sus parámetros, cuando sea necesario, se realizarán las conexiones. Para conectar dispositivos entre sí, o a instrumentos, situaremos el cursor sobre un terminal y arrastraremos el ratón hasta el otro terminal al que se desea unir.
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Figura 23. Construcción de un diseño.
3.1. Simulación. A continuación vamos a describir cómo simular el funcionamiento de circuitos basados en puertas lógicas. Las entradas del circuito las vamos a simular con el generador de palabras y mediante el analizador lógico se visualizarán las entradas y la salida. En la Figura 24 se muestra el circuito objeto de la simulación. Se aprecia que las cuatro entradas del circuito se han conectado al generador de palabras y las señales que se quieren visualizar (entradas y salida) al analizador lógico.
Figura 24. Circuito a simular
Para verificar el circuito elegimos una secuencia en las entradas que genere todas las posibles combinaciones de 4 bits, como sucede con un contador ascendente (de 0 a 15). Para ello editamos el Generador de palabras, pulsamos el botón Pattern y elegimos la opción: Up counter. Para probar todas las posibles combinaciones de las cuatro entradas (valores desde 00002 a 11112) se selecciona
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como valor inicial de la secuencia de entrada el código 0000 (00000 binario) y como valor final el código hexadecimal 000F (1111 binario). Por último elegimos el modo ráfaga (Burst) para que la secuencia se repita una sola vez (Figura 25).
Figura 25. Generación de la secuencia de entrada
De igual manera editamos el analizador lógico haciendo doble clic sobre su icono y ajustamos el reloj para asegurar que la frecuencia es mayor que la del generador de señales3. Finalmente cuando se presione el interruptor ,el circuito responderá a las entradas y las formas de onda aparecerán en el analizador lógico como muestra la Figura 26. Las formas de onda se pueden ampliar o reducir ajustando la base de tiempos en Clock/Div.
Figura 26. Formas de onda en el analizador lógico. 3
Nota. Es habitual considerar el doble de la frecuencia del circuito. Si se elige un valor excesivamente alta respecto a la frecuencia del circuito la simulación se ralentizará.
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Para comprobar un circuito digital también se pueden emplear indicadores luminosos que encontramos en el casillero Indicators. Los indicadores luminosos se conectan a las salidas de las puertas lógicas o circuitos integrados. Los valores binarios de las entradas de un circuito los podemos establecer, además de empleando el generador de palabras (como se vio con anterioridad), con conmutadores que encontramos en el casillero de elementos básicos (Basic). A estos conmutadores podemos asociar teclas de forma que su posición varíe de manera sencilla, aplicando ‘1’ o ‘0’ lógico a la entrada correspondiente. En el circuito de la Figura 28 se analiza el funcionamiento de una puerta AND empleando interruptores en las entradas y un indicador luminoso en la salida. Para dibujar un interruptor seleccionaremos el botón
de la categoría de
. Se abrirá una ventana, como la mostrada en la Figura componentes básicos 27.a, con los distintos tipos de interruptores. En este ejemplo hemos empleado un interruptor de dos contactos SPST. Una vez colocado en el área de trabajo podemos asociarle una tecla (Figura 27.b) haciendo doble clic sobre el mismo. (a) (b)
Figura 27. (a) Selección del tipo de interruptor. (b) Tecla asociada
El circuito final se muestra en la Figura 28. Un extremo de cada interruptor se ha conectado a masa y el otro extremo a alimentación (5V) a través de una resistencia de pull-up. Esta resistencia la podemos encontrar en categoría de componentes básicos.
dentro de la
En esta configuración una entrada a la puerta lógica tendrá el valor ‘0’ lógico cuando el interruptor correspondiente esté cerrado (conexión a masa) y ‘1’ lógico cuando el interruptor correspondiente esté abierto (conexión a alimentación). Para realizar la verificación del circuito, una vez presionado el interruptor de inicio de simulación, probaremos las distintas combinaciones de las dos entradas presionando las teclas asociadas a los interruptores (A y B en este caso).
Ana Toledo
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Observaremos que sólo cuando los dos interruptores se encuentren abiertos (las dos entradas a ‘1’) se enciende el diodo led, es decir, la salida es ‘1’.
Figura 28. Esquema con conmutadores e indicadores luminosos.
4. Simplificación lógica. En este apartado vamos a explicar con más detalle cómo podemos emplear el convertidor lógico descrito con anterioridad.
4.1. Obtención de la tabla de verdad y la expresión booleana de un circuito. Una vez dibujado nuestro circuito podemos obtener de manera sencilla su tabla de verdad. Bastará con conectar las entradas y las salidas del mismo al convertidor lógico, que se encuentra dentro del menú desplegable de Instrumentos. En la Figura 29 se presenta como ejemplo la obtención de la tabla de verdad de un circuito formado por dos puertas OR y una AND. Las entradas del circuito se conectan a los terminales de entrada del convertidor lógico (desde la A a la H) y la salida al terminal de salida del convertidor (el situado más a la derecha). En la vista en detalle del convertidor lógico, si pulsamos la opción aparecerá en la parte de la izquierda de la ventana la tabla de verdad del circuito (todas las combinaciones de las entradas con su salida correspondiente) y si hacemos clic en obtendremos en el cuadro de texto inferior la expresión booleana (sin simplificar) correspondiente a esa tabla de verdad. El programa MultiSim usa la notación de comilla simple para indicar que una variable está negada. De esta forma el sumando A’ B’ C’ D de la expresión de la Figura 29 es A ⋅ B ⋅ C ⋅ D . La
expresión booleana simplificada la podemos obtener y para el ejemplo anterior será AB + C + D.
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pulsando
en
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Figura 29. Obtención de la tabla de verdad y expresión booleana de un circuito.
4.2. Obtención de un circuito a partir de la expresión booleana. Mediante el uso de los dos últimos botones del convertidor lógico, podemos construir un circuito lógico a partir de su expresión booleana. Si escribimos la expresión booleana, por ejemplo AB+C’D, lo que equivale a A ⋅ B + ⋅C ⋅ D , en el campo correspondiente del convertidor lógico (caja de texto inferior) y pulsamos se genera un circuito para la expresión, como se muestra en el la el circuito que aparece en pantalla Figura 30a. Si pulsamos empleará sólo puertas NAND de dos entradas (Figura 30b). Con la opción obtendremos la tabla de verdad de la ecuación booleana correspondiente (Figura 30.c).
(b)
(a)
(c)
Figura 30. Obtención de un circuito a partir de la expresión booleana.
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4.3. Obtención de un circuito a partir de la tabla de verdad. El convertidor lógico también permite obtener la expresión booleana de un circuito a partir de su tabla de verdad. Una vez abierta la vista en detalle del convertidor pincharemos sobre los botones de la parte superior del convertidor (A, B, C, … H) (Figura 31) hasta alcanzar el número de variables de nuestro circuito (en el ejemplo se emplean las variables A, B, C y D). Se observa como al ir seleccionando las variables aparecen en pantalla todas las combinaciones binarias de las mismas. Una vez establecido el número de variables, al colocar el ratón sobre la parte derecha de la tabla de verdad y hacer clic podemos cambiar el valor de la salida para cada combinación de entradas.
Figura 31. Obtención de un circuito a partir de la tabla de verdad.
se mostrará en el casillero inferior la Al pulsar el botón expresión booleana canónica (sin simplificar) o la simplificada si pulsamos . Como se describió en el apartado anterior, a partir de dichas expresiones podemos obtener el ircuito general o el circuito con puertas NAND de dos entradas.
5. Ejemplo de circuito secuencial. En esta sección vamos a realizar un ejemplo de un circuito secuencial. En concreto se diseñará un contador de decenas (de 0 a 9) y su valor se visualizará en un display de siete segmentos. El contador lo hemos seleccionado de los componentes digitales genéricos que se encuentran dentro de la categoría Misc componente CNTR_4ABIN (contador de 4 bits).
en la primera opción
, el
Arrastramos el bloque a la ventana de dibujo y añadimos el decodificador BCD/7segmentos de la misma categoría llamado BCD_7SEG_DCD. Por último añadimos el display de siete segmentos ubicado dentro de la opción Indicators.
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El circuito final se muestra en la Figura 32. La entrada de reloj (A) se ha unido al generador de palabras. El generador de palabras presenta la ventaja de permitir simulaciones paso a paso, por lo que el diseño es en ocasiones más fácil de verificar. Las salidas binarias del contador se han unido al decodificador BCD-7 segmentos y las de éste al display. Para que el circuito funcione correctamente se deben desactivar las entradas no empleadas, como BI, LT y RBI.
Figura 32. Circuito secuencial
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