SISTEMAS DIGITALES BSICOS: MONTAJE Y DISEO

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Sistemas Digitales Básicos
2.1 PRÁCTICA 1: INTRODUCCIÓN A LAS PUERTAS LÓGICAS
INTEGRADAS Y AL OSCILOSCOPIO DIGITAL
OBJETIVOS
Esta práctica es la toma de contacto del alumno con el laboratorio de Electrónica Digital. Con
ella se pretende familiarizar al alumno con los circuitos integrados básicos, con la tarjeta de
entrada/salida del laboratorio (interruptores, pulsadores, diodos LED, reloj...) y con el
osciloscopio digital. Para ello se van a realizar una serie de circuitos sencillos con puertas
lógicas básicas (AND y OR).
Al finalizar la práctica el alumno ha de ser capaz de:
•
Identificar las patillas de un circuito integrado,
•
Usar correctamente la tarjeta de entrada/salida,
•
Manejar un osciloscopio digital,
•
Montar circuitos sencillos con puertas lógicas.
MATERIAL
•
Tarjeta de entrada/salida,
•
Circuitos integrados 74HC08 (AND) y 74HC32 (OR), y
•
Osciloscopio digital Tektronix TDS210.
DURACIÓN
1 sesión.
TRABAJO PREVIO
Leer el enunciado de la práctica y el anexo sobre el osciloscopio digital. Anotar las dudas para
preguntárselas al profesor al comenzar la sesión.
INTRODUCCIÓN
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Manual de Prácticas
El elemento digital más básico es la puerta lógica. Estos elementos tienen una o más entradas
y producen una salida que es una función lógica (o booleana) de los valores de las entradas.
Aunque las entradas y las salidas son magnitudes analógicas como voltaje, corriente o incluso
presión hidráulica, 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 puede realizar 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 circuitos
combinacionales, porque sus salidas dependen únicamente de la combinación de los valores
de las entradas.
Aunque una puerta lógica puede construirse a partir de unos cuantos transistores discretos, la
tecnología actual permite integrar en una misma pieza de silicio todos estos transistores.1 Este
fragmento de silicio se encapsula en una pieza de plástico o cerámica formando lo que se
denomina circuito integrado o chip. Alrededor de la periferia del circuito integrado hay una
serie de conectores conocidos como patillas, que sirven para conectar al exterior las puertas
lógicas del chip (ver Figura 2).
Figura 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 que indica que el circuito (integrado) se debe alimentar con tensión (tensión =
VCC = VDD) y referenciar con una masa (masa = GND = VSS).
Mientras que la tensión de masa son 0 V, puesto que es la referencia del circuito, la tensión de
alimentación depende de la familia lógica de las puertas que integra. La familia usada en el
laboratorio funciona con VCC = 5 V.
1
En el momento de escribir este libro (año 2005) es posible integrar en un solo chip varios millones de
transistores.
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Sistemas Digitales Básicos
Fuertemente relacionado con las tensiones de alimentación y masa se encuentran los valores
de tensión de las señales digitales. Así, el valor digital ‘0’ lógico (nivel bajo) es una tensión
cercana a GND, es decir, a 0 V; mientras que el valor ‘1’ lógico (nivel alto) es una tensión
cercana a VCC, que en nuestro caso es de 5 V.
Cada patilla del circuito integrado tiene asociado un número para poder identificar el conector
del esquema eléctrico con el del encapsulado. Todas las patillas se numeran a partir de la
primera (patilla número 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 del circuito integrado, de tal forma que la patilla 1 es la que está a la izquierda de
dicha marca. Otra forma de identificar la primera patilla es mediante un punto (Figura 3 (b))
que se sitúa junto a dicho conector.
(a)
(b)
Figura 3. Numeración de las patillas de un circuito integrado.
A partir de la patilla número 1 el resto de las patillas se numeran en sentido antihorario,
como se puede observar en la Figura 3.
En la documentación que cada fabricante aporta de sus circuitos integrados, se puede observar
que al menos hay una patilla dedicada a la tensión de alimentación y otra patilla dedicada a
masa.
DESARROLLO PRÁCTICO
FUNCIONAMIENTO DE LOS INTERRUPTORES, PULSADORES Y LED
Observe el funcionamiento de uno de los indicadores luminosos (LED – Light Emitting
Diode) verdes de la tarjeta de entrada/salida (véase la Figura 51), conectando su entrada
sucesivamente a 0 V = GND y a 5 V = VCC empleando para ello un cable del laboratorio.
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Manual de Prácticas
Realice el mismo ejercicio conectando la entrada del LED a un interruptor y después a un
pulsador.2 Comente las diferencias y conclusiones en cada uno de los tres casos.
PUERTA LÓGICA AND
Coloque un circuito integrado 74HC08 (cuatro puertas AND de dos entradas) en el zócalo de
dispositivos discretos de la tarjeta de entrada/salida (véase la Figura 51) y realizar los
siguientes apartados.
a. Conectar la alimentación y la masa en sus patillas correspondientes. ¿A qué
patilla conectamos cada una? Consultar la documentación del fabricante
(consulte el capítulo 5).
b. En cada circuito integrado 74HC08 disponemos de 4 puertas lógicas AND de
dos entradas cuyas patillas son las indicadas en la Figura 2. Comprobar el
funcionamiento correcto del circuito integrado ensayando las cuatro
combinaciones posibles a la entrada de UNA de las puertas. Para ello, conectar
sendos interruptores a las entradas y un LED de la tarjeta de entrada/salida a la
salida.
c. Escribir en una tabla los valores de la salida para cada combinación de las
entradas de la puerta lógica anterior. Enhorabuena, acaba de escribir su primera
tabla de verdad.
d. Explicar de forma teórica los valores que se obtendrían a la salida (patilla
número 3) al fijar en la patilla 1 una tensión de 0 V = GND y en la patilla 2 una
señal triangular de 1 Hz, 5 Vpico-pico, y 2’5 V de tensión media.
PUERTA LÓGICA OR
Repetir los apartados del ejercicio anterior para el circuito integrado 74HC32 (cuatro puertas
OR de dos entradas).
OSCILOSCOPIO DIGITAL
a) Montar el esquema de la Figura 4, compuesto por una puerta lógica AND (74HC08),
un interruptor, una señal de reloj de 1 Hz y un LED, en una tarjeta de entrada/salida.
Observar visualmente el resultado. Explicar y razonar el funcionamiento del circuito y
el resultado obtenido para las dos posiciones del interruptor.
2
Tanto los interruptores como los pulsadores están conectados internamente a VCC y a GND, por lo que no es
necesario alimentarlos con cables externos.
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Sistemas Digitales Básicos
Figura 4. Esquema de bloques del circuito a 1 Hz.
b) Cambiar la frecuencia de 1 Hz a 1 kHz, en el montaje anterior. Observar visualmente
el resultado. Explicar y razonar el funcionamiento del circuito y el resultado obtenido
para las dos posiciones del interruptor.
c) ¿Se obtienen resultados equivalentes en los dos apartados anteriores? ¿Los resultados
son los esperados? ¿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 a 1 kHz; el Canal 2 del osciloscopio (CH 2) a la salida de la puerta
AND y ajustar MANUALMENTE las señales a la pantalla (ver el anexo). ¿Coincide
lo observado en la pantalla del osciloscopio con lo explicado anteriormente?
e) Dibujar aproximadamente lo observado en la pantalla del osciloscopio y relacionar los
resultados observados en los apartados b) y d).
f) Medir con el osciloscopio digital la frecuencia, el período, el valor medio, la amplitud
y el valor eficaz de la señal del Canal 1 del osciloscopio empleada en el apartado d).
Consultar el anexo para realizar estas medidas.
g) Medir con el osciloscopio digital el tiempo de retardo de la puerta. Para ello, dado que
este tiempo es muy pequeño, es necesario disminuir la base de tiempos hasta 50
ns/div.3
ANEXO
INTRODUCCIÓN AL OSCILOSCOPIO DIGITAL TEKTRONIX TDS210
3
Antes de disminuir la base de tiempos hay que asegurarse de que el origen de tiempos (flecha en la parte
superior de la pantalla) está justo en el centro de la cuadrícula. Si lo está, se leerá en la parte superior derecha de
la pantalla “M Pos: 0.000s”.
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Manual de Prácticas
El osciloscopio es una de las herramientas fundamentales del ingeniero electrónico. Algunos
autores incluso de atreven a llamarlo “los ojos” del ingeniero, ya que mediante su uso es
posible visualizar la variación de las señales eléctricas en función del tiempo, incluso cuando
estas variaciones son del orden de GHz (Giga-Hertzios). En este anexo se da una pequeña
introducción a su funcionamiento y a su manejo.
En la Figura 5 se muestra la pantalla del osciloscopio digital Tektronix TDS210, que será el
usado en el laboratorio. En primer lugar cabe destacar que se pueden visualizar dos señales
simultáneamente. Se dice entonces que el osciloscopio es de dos canales. Éstos son los más
comunes, aunque los hay también de 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 en este curso, normalmente interesa no solo observar la evolución de una señal, sino
su relación con otra u otras señales. Por ejemplo, para estudiar el funcionamiento de un
circuito lo normal será visualizar la señal de entrada y la de salida, para averiguar si el
comportamiento del circuito es el esperado.
Para facilitar la medición de las señales, la pantalla está dividida por una cuadrícula, de forma
que el eje horizontal es el eje de tiempo y el vertical es el eje de tensión. Para evitar
confundir la señal con los ejes, éstos no se dibujan, aunque sí se muestra su origen mediante
dos pequeñas flechas situadas en los bordes de la cuadrícula. Así, la flecha situada en la parte
superior de la pantalla es el origen del eje de tiempos y las dos flechas situadas en el lateral
izquierdo (con un ‘1’ y con un ‘2’) muestran los orígenes de los ejes de tensiones de cada
uno de los dos canales.
Origen del
tiempo
Posición del origen
del tiempo
Menú
actual
Nivel de
disparo
Origen del
Canal 1
Opciones
del menú
Origen del
Canal 2
Ganancias de
los canales
Base de
tiempos
Condiciones
de disparo
Línea de
mensajes
Figura 5. Pantalla del osciloscopio digital.
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Sistemas Digitales Básicos
Los mandos del osciloscopio, mostrados en la Figura 6, permiten controlar cómo se dibujan
las señales en la pantalla. La columna etiquetada como “HORIZONTAL” controla el eje de
tiempos (X) y las dos columnas etiquetadas como “VERTICAL”controlan el eje de tensiones
(Y) de cada uno de los dos canales. Dentro de cada una de estas columnas, el mando
“POSICIÓN” permite variar el origen de cada uno de los ejes.4
El otro mando presente en cada columna permite variar la escala de la representación. Así el
mando etiquetado como “SEC/DIV” en la columna “HORIZONTAL” permite, como su
propio nombre indica, variar el tiempo que representa cada cuadro de la pantalla. La escala
actual se indica en el centro de la parte inferior de la pantalla. Así, en el ejemplo de la Figura
5 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 esta información 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 canal correspondiente, es decir, los voltios de cada cuadro en vertical. Las ganancias de
cada canal se muestran en la parte inferior izquierda de la pantalla, etiquetadas como CH1
para el Canal 1 y CH2 para el Canal 2. En el ejemplo de la Figura 5, la ganancia del Canal 1
es de 5.00 V/Div, lo cual implica que cada cuadrícula vertical de la pantalla representa 5 V.
Según esto la señal mostrada en la pantalla tiene una amplitud pico-pico de 5 V.
4
Compruébelo y verá que, al mover el mando, se mueven las flechas que indican el origen de los ejes. Nótese
que incluso se pueden llevar los ejes fuera de la pantalla, lo cual no suele ser muy aconsejable.
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Manual de Prácticas
Figura 6. Mandos del osciloscopio digital.
Para que estas medidas sean correctas, es necesario configurar en el osciloscopio la ganancia
de la sonda que estamos usando. Existen sondas que dejan pasar la señal tal cual (x1) y
sondas que dividen la tensión entre 10 (x10), entre 100 (x100) o entre 1000 (x1000) para
perturbar menos al circuito que se está 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 la derecha 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 a x10, de x10 a x100, de x100
a x1000 y de x1000 de nuevo a x1.
MEDIDAS CON EL OSCILOSCOPIO DIGITAL
5
¡¡CUIDADO!! Si se pulsa dos veces seguidas esta tecla, el canal correspondiente se desactiva y deja de
mostrarse en la pantalla. Para que vuelva a aparecer basta con volver a pulsar otra vez sobre la tecla “MENU”.
Esta funcionalidad es útil cuando sólo necesitamos visualizar uno de los canales del osciloscopio.
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Sistemas Digitales Básicos
El osciloscopio que se emplea en el laboratorio permite realizar distintos tipos de medidas
sobre las señales que se están visualizando.
Si pulsamos la tecla “MEDIDAS” (ver Figura 6) accedemos a un menú en el que la primera
opción nos permite elegir entre cambiar el Tipo de medida a realizar o el canal (Fuente) a
medir. Se pueden realizar cuatro medidas simultáneamente de los canales que se quiera. Los
tipos de medidas que se pueden hacer son: Frecuencia, Período, Vmedia, Vpico-pico y Vrms.
MEDIDA DEL TIEMPO DE RETARDO DE UNA PUERTA LÓGICA
Aunque no lo parezca, las puertas lógicas no son elementos ideales, sino que están formadas
por circuitos 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 y la 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 la primera opción se indica el Tipo de cursor, que puede ser para medir Tensión, para
medir Tiempo o Sin cursores.
En la segunda opción se puede elegir sobre qué canal (Fuente) se realiza la medida. En el
resto de apartados del menú se indican la diferencia entre los cursores y la posición absoluta
de cada uno de ellos.
Los cursores se manejan con los mandos “CURSOR 1” y “CURSOR 2” (ver Figura 6)6 que
hay en la columna “VERTICAL” de los controles del osciloscopio.
6
Los mandos de los cursores son los mismos mandos que los empleados para variar la posición de los ejes.