INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERIA Y CIENCIAS SOCIALES Y ADMINISTRATIVAS
Ingeniería en Informática
Aplicaciones de Sistemas Digitales
Práctica I Compuertas Lógicas
Participantes: ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________
Profesor:
Fecha de realización:
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS LÓ GIC AS
Práctica I Compuertas Lógicas Objetivo: Describe las compuertas lógicas con base en sus características y funciones particulares. Introducción: Una compuerta lógica es un dispositivo electrónico digital que es la expresión física de un operador booleano (lógica de conmutación). Éstas permiten o retardan el flujo de información. La mayoría de los circuitos y sistemas digitales surgen de los arreglos entre las compuertas lógicas.
Compuerta AND: Las compuertas AND realizan la función multiplicación, pueden tener más de dos entradas y por definición, la salida es 1 si todas las entradas son 1.
Compuerta OR: Las compuertas OR pueden tener más de dos entradas y por definición la salida es 1 si cualquier entrada es 1.La compuerta OR produce la función suma booleana. Y=A+B
Y=AB
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
A 0 0 1 1
Y 0 0 0 1
Compuerta NOT: Si la variable binaria posee un valor 0, la compuerta NOT cambia su estado al valor 1 y viceversa.
Y= A A 0 1
Y 1 0
B 0 1 0 1
Y 0 1 1 1
Compuerta YES: El símbolo triángulo es utilizado para denotar separación. La compuerta YES tiene en su salida el mismo valor que la entrada, por lo que es utilizada para la amplificación de la señal. Si en la entrada se utilizan 5 volts para el binario 1, la salida tendrá también 5 volts. Sin embargo, la corriente producida a la salida es muy superior a la corriente suministrada a la entrada de la misma. De ésta manera, un separador puede excitar muchas otras compuertas que requieren una cantidad mayor de corriente que de otra manera no se encontraría en la pequeña cantidad de corriente aplicada a la entrada del separador.
Y= A A 0 1
Compuerta NAND: Es el complemento de la función AND. El pequeño círculo que se encuentra en la salida del símbolo, implica la negación de la señal de salida. Es decir, primero se realiza la multiplicación de las variables y posteriormente la negación del resultado. Las compuertas NAND pueden tener más de dos entradas.
Y 0 1
Compuerta NOR: Es el complemento de la función OR. El pequeño círculo que se encuentra en la salida del símbolo, implica la negación de la señal de salida. Es decir, primero se realiza la suma de las variables y posteriormente la negación del resultado. Las compuertas NOR pueden tener más de dos entradas.
Y=AB
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 1 1 1 0
Y=A+B
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 1 0 0 0
Página 2
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS LÓ GIC AS
Compuerta XOR: La compuerta lógica XOR realiza una comparación de las entradas, siendo el resultado 0 si las entradas son iguales o 1 cuando son diferentes.
Compuerta XNOR: Es llamada compuerta lógica de equivalencia, porque su salida es "1" cuando las entradas se encuentran en el mismo estado. Y=A + B
Y=A +B
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 0 1 1 0
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 1 0 0 1
Circuito Integrado El Circuito Integrado (CI en adelante), es la colección de una o más compuertas fabricadas en una lámina de silicio. Está formado por 3 partes: Chip (como se le llama cotidianamente a la placa de silicio), cuerpo plástico (que protege al chip del medio ambiente y disipa el calor generado por la corriente) y pines o conectores (que sirven para comunicar al chip con el exterior).
Fig. 1 Circuito Integrado En la práctica utilizaremos los encapsulados DIP (empaque de doble línea) que son como el mostrado en la fig. 1.
El Protoboard El protoboard plástico es una placa de pruebas genérica y reutilizable, usado para construir prototipos de circuitos electrónicos sin soldadura. Normalmente se utilizan para la realización de pruebas experimentales. El protoboard está dividido en dos áreas principales que son los nodos y las pistas.
Fig. 2 Protoboard Los nodos; señalados con líneas rojas y azules tienen conexión (de forma horizontal), por ello conducen a todo lo largo (aunque algunos fabricantes dividen ese largo en dos partes). No existe conexión física entre las líneas. Usualmente son utilizados para conectar en ellas la fuente de alimentación del circuito.
Página 3
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS LÓ GIC AS
Fig. 3 Protoboard que muestra la forma en que son las conexiones entre nodos y pistas. Por su parte, las pistas (en morado) son los puntos de contacto para los pines o terminales de los componentes que colocas en el protoboard, la conexión entre ellas es vertical (formando grupos de 5 puntos verticales) y no existe conexión física entre las pistas. Si es necesario conectarlas debe hacerse mediante alambre.
Fig. 4 Distribución y estructura de las líneas de conexión del protoboard.
Diodos emisores de luz (LED’s) Los Diodos Emisores de Luz, son elementos de estado sólido (semiconductores) que emiten energía luminosa al ser alimentados con energía eléctrica. Dependiendo de su operación pueden ser de alta o baja potencia. Los LEDs de baja potencia son diseños sencillos, de potencias de hasta 0.12 W; aplicaciones de señalización o indicación.
se utilizan principalmente para
Fig. 5 Diodo Emisor de Luz Los LED´s se representan con el símbolo que se muestra a continuación,
Página 4
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS LÓ GIC AS
Los diodos están conformados por la unión de dos materiales semiconductores un tipo P (positivo) llamado Ánodo y otro tipo N (negativo) llamado Cátodo (kathodo). Al conectar el diodo en forma directa, es decir, el ánodo al positivo de la fuente y el cátodo al negativo de la misma el LED encenderá, en caso contrario, no lo hace.
Lista de materiales
Software “Simulador de Circuitos Digitales 0.9.5”. Obtenido gratuitamente en www.tourdigital.net. Computadora personal.
Lista de materiales físicos que serán simulados por el software Fuente de alimentación de 5V A 1Amp. C.I. 74LS00 C.I. 74LS02 C.I. 74LS04 C.I. 74LS08 C.I. 74LS32 C.I. 74LS86 UN Dip-Switch 8 Resistencias de 330Ω. 6 LED’s de colores. Alambre de conexiones.
Desarrollo: En esta práctica debemos armar un circuito con el fin de comprobar la tabla de verdad de las compuertas lógicas básicas.
Página 5
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS LÓ GIC AS
Circuito eléctrico
En el anterior circuito se colocan resistencias de 330Ω para limitar la corriente (reducir su valor) que reciben los LED´s con el fin de prolongar su vida útil. Cabe señalar que en el simulador no deberá realizarse esta conexión, por estar trabajando en un ambiente virtual Utilización del simulador 1.- Abrir el simulador gratuito de tourdigital.net para protoboard. A continuación mostramos el icono.
Se desplegará siguiente ventana, donde podrá reconocer un protoboard y múltiples LED´s, entre otros dispositivos
Página 6
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS LÓ GIC AS
Al ser un simulador, las conexiones de los switches y la alimentación son ligeramente diferentes que a la forma física, en este caso: El Dip-Switch está ubicado en la sección baja de la ventana y aparece en color verde o rojo y las conexiones a positivo y negativo ya vienen realizadas, así que, solo debes conectar el switch con el CI, considerando que si el switch se encuentra en la parte baja, introduce al CI un cero (0), y si está situado en la parte alta, introduce un uno (1).
También en la parte baja de la ventana en su extremo izquierdo, encontrarás tres perforaciones resaltadas con color rojo donde dice VCC, es decir, el positivo de la fuente. Y tres perforaciones resaltadas en color negro que dicen GND para el negativo. Cabe señalar que el color azul y el negro son utilizados indistintamente para representar al negativo.
2.- Realice la conexión de voltaje de alimentación desde VCC hacia el nodo rojo y de GND hacia el nodo negro. (el color y el grosor del cable se puede cambiar en el menú cable). Para hacer una conexión debe posicionar el indicador del mouse en el punto a conectar, presionar el botón izquierdo y manteniendo la presión, mueva el mouse hasta el otro punto de la conexión, entonces suelte el botón del mouse.
3.- Seleccione en el menú circuitos, la puerta básica 74LS00.
Página 7
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS LÓ GIC AS
4.- Colóquela al centro de las pistas como se muestra en la siguiente pantalla.
1
2
5.- Siguiendo el diagrama obtenido de la hoja de datos de la compuerta 74LS00 , conecte el CI a voltaje y tierra.
6.- Seleccione una de las cuatro compuertas del circuito integrado y ya sea del Dip-Switch color verde o del Dip-Switch color rojo conecte un interruptor a la entrada 1 y otro a la entrada 2. La salida de la compuerta deberá conectarse a un LED del color que usted prefiera.
1
Para conocer los diagramas vea la página 11 de este documento.
2
El número 74 indica que el CI es de uso comercial, LS se refiere a la serie de baja potencia y finalmente el número 00 (los últimos dígitos de la nomenclatura) se refiere al tipo de compuerta que, en este caso, es una compuerta NAND.
Página 8
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS LÓ GIC AS
7.- Con el mouse presione el switch de encendido y apagado del protoboard. Considerando que cuando el switch se cierra (posición arriba) el valor de la variable correspondiente es alto; y cuando el switch está abierto (posición abajo) el valor de la variable es bajo. Llene la tabla de verdad adjunta, asignando valor alto en la columna de salida de la combinación que encienda el LED, y asignando un cero en la combinación que apague el LED.
Ejemplo. Podemos observar que tanto la variable A (entrada A –alambre verde-), como la variable B (entrada B –alambre naranja-), están en posición baja, es decir valor A = 0, B = 0. Y, observamos que el LED está encendido. Por lo tanto, colocaremos un 1 en la columna Y.
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 1
Tabla de verdad de 2 variables
Página 9
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS Lร GIC AS
En la siguiente combinaciรณn observamos A=0, B=1.
Y el LED estรก encendido. Por lo tanto. A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 1 1
8.- Abriendo y cerrando los switches hasta formar las 4 combinaciones posibles entre los valores de las dos variables de entrada A, B, logramos llenar la tabla de verdad de esta forma: A B Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Fig. 6 Tabla de verdad de la compuerta NAND
Pรกgina 10
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS LÓ GIC AS
9.- Repita los números del 3 al 8 para cada uno de los siguientes CI’s 74LS02, 74LS04, 74LS08, 74LS32 y 74LS86.
Página 11
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS LÓ GIC AS
Nombre del estudiante:_______________________________________________________________________________ Cuestionario: 1.- Observe el comportamiento del LED conectado a la salida de cada compuerta para cada una de las combinaciones de entrada y con esa información llene las siguientes tablas de verdad: A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y
74LS02
A 0 1
Y
74LS04
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1 74LS08
Y
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
74LS32
Y
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y
74LS86
2.- Defina compuerta lógica. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ 3.- ¿Cuál es la compuerta cuya salida es alta solamente cuando todas sus entradas tienen valor alto? _________________________________________________________________________________________________ 4.- ¿Cuál es la nomenclatura para designar a la compuerta con dos entradas cuya salida alta nos indica que sus entradas son contrarias en su valor?____________________________________________________________________________ 5.- Si tuvieras que diseñar una alarma con una sola compuerta de tres entradas, que se activará cuando por lo menos uno de los sensores de su entrada detectara alguna situación anormal, es decir, que el sensor tuviera un valor alto, porque fuese violada la seguridad. ¿Cuál compuerta sería?_________________________________________________________ 6.- La nomenclatura 74LS02 pertenece a la compuerta_____________________________________________________ 7.- Construye este circuito en el software y llena los valores de su tabla de verdad e indica ¿Cuál compuerta básica es equivalente con él?:__________________________________________________________________________________
8.- Dibuja el circuito lógico (con compuertas) de la figura anterior.
9.- Conclusiones
Página 12
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS LÓ GIC AS
Diagramas de las hojas de datos de los diferentes circuitos integrados utilizados en clase. Todo C.I. sea de la procedencia que sea cuenta con una hoja de datos en donde se explican todas sus características de trabajo, así como su configuración interna, su tabla de verdad o tablas dependiendo el tipo. Cuando observas el CI en su parte superior, encontrarás su nomenclatura y una pequeña muesca y/o un círculo, el cual te indica la posición del pin número 1 del integrado, tomándolo como referencia, comienza a contar hacia la derecha para conocer el número y posición de cada pin, cuando llegas al extremo derecho, cambias de lado y sigues el conteo pero ahora comenzando de derecha a izquierda, de tal forma que el primer y último pin están ubicados uno frente al otro. (tal como se muestra en los diagramas más adelante). Algunos CI incluyen también otro circulo al centro, el cual en este caso no te indica nada. Todos los integrados necesitan ser alimentados con energía eléctrica en sus pines denotados como VCC para el positivo y GND para el negativo.
74LS00. En esta imagen puede observar que se tienen 4 compuertas en este CI. Se ha seleccionado la segunda compuerta (ubicada en la parte derecha baja), en virtud de que solo se utilizará una de ellas, y usted puede elegir la que más convenga a sus necesidades. El PIN (nombre que reciben las terminales) 4 será la variable A, y el pin 5 la variable B. La salida es el PIN 6. El PIN 14 denotado con VCC, es la alimentación del positivo de la fuente. Por otro lado GND, es la alimentación negativa.
74LS02
74LS08
74LS04
74LS32
74LS86
Página 13
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS LÓ GIC AS
Por último, el simulador no necesita una instalación, solo debes descargarlo de la página www.tourdigital.net, crear una carpeta en la unidad C, copiar el archivo a esa carpeta y generar un acceso directo en el escritorio.
Después entrar a
Página 14
I P N_UPIICSA_A APLIC ACIONES D E SI STEM AS DI GITALES_COMPUERTAS Lร GIC AS
Pรกgina 15