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MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 93 PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA DIGITAL Se denomina electrónica digital a la parte de la electrónica que opera sobre valores de tensión discretos (cero o cinco voltios) y que toma como elemento básico el bit. La diferencia entre analógica y digital es que en una señal analógica que tiene como valor mínimo cero voltios y máximo cinco voltios, para pasar de cero a cinco voltios hay que pasar por valores intermedios de tensión, ya que la señal toma todos los valores comprendidos entre cero y cinco (1, 2, 3, etc.); mientras que en una señal digital sólo existen los valores de cero y cinco voltios, para pasar de cero a cinco voltios se hace directamente sin pasar por valores intermedios de tensión, ya que no existen en esta señal. Por lo tanto, existen únicamente dos posibles valores de tensión que se denominan valores discretos de tensión. Hace aproximadamente cincuenta años las primeras “máquinas” digitales tomaban como elemento fundamental el relé, este podía estar en dos estados, abierto o cerrado. Un bit es la representación de los dos posibles estados en que podía estar un relé. Un bit por sí solo define los dos estados de tensión que se pueden encontrar tratando información de tipo digital, puede valer un ‘1’ lógico, que equivale a un valor de tensión de cinco voltios, o puede valer ‘0’ lógico, que equivale a un valor de tensión de cero voltios. La electrónica analógica, a diferencia de la electrónica digital, puede tener multiples valores de tensión, que varían de manera continua. Comparación gráfica entre una señal analógica y otra digital Se crean formas de codificar la información mediante la agrupación de bits que van a generar un sistema de codificación de la información denominado binario. Tomando como elemento de codificación esencial el bit, haciendo grupos de bits, vamos aumentando la complejidad del código. La agrupación de ocho bits se le denomina Byte, y a la agrupación de 1024 Bytes se le denomina Kilobyte o, coloquialmente hablando, “Kas”. Una agrupación de 1024 Kilobytes es denominada Megabyte o, coloquialmente hablando, “Megas”. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 94 SISTEMAS DE NUMERACIÓN Un Sistema de Numeración es una forma de representar cualquier cantidad numérica, de manera que una misma cantidad se puede escribir de muchas formas distintas, según sea el sistema de numeración utilizado. Así, el sistema utilizado normalmente por el hombre es el sistema Decimal o de “base 10”, mientras que el sistema usado internamente por las máquinas electrónicas actuales es el Binario o de “base 2”. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 95 SISTEMA BINARIO Es el sistema de base dos, y utiliza dos dígitos distintos, el ‘0’ y el ‘1’, denominados normalmente con el nombre de “bit”. Es el sistema utilizado normalmente en las actuales máquinas electrónicas digitales. La razón de ello es que es muy fácil diseñar sistemas físicos o electrónicos capaces de adoptar dos valores o posiciones distintas (‘0’ y ‘1’). Un número binario está formado por un conjunto de bits. El valor de cada posición del número aumenta de derecha a izquierda según potencias de 2. Las primeras potencias de 2 son las siguientes: Con un número binario de “n” bits se pueden representar 2n números distintos, desde el 0 hasta el 2n-1. Por ejemplo, el número decimal 13 codificado en binario se consigue mediante sucesivas sumas de potencias de base 2, desde el exponente 0 hasta llegar al exponente más alto necesario, y estas potencias están multiplicadas por el respectivo dígito binario fundamental, el ‘1’ o el ‘0’ (dependiendo de si se necesita que la potencia sea sumada o no para formar el valor del número decimal): Las cifras en negrita son las que forman el código binario. Número en binario => 1 1 0 1 Por lo tanto, en binario se colocan los dígitos fundamentales (‘0’ y ‘1’) de forma ordenada, siendo el dígito más a la derecha el correspondiente al que multiplica a la potencia de exponente 0, y a este bit se le llama de menor peso. El dígito más a la izquierda es el que multiplica a la potencia de mayor exponente, a este último bit se le llama de mayor peso. En este ejemplo, el bit de menor peso es el ‘1’ de la derecha (1 1 0 1) y el de mayor peso es el ‘1’ de la izquierda (1 1 0 1). Este proceso, se realiza para codificar en binario todos los valores decimales. Cuanto más grande sea el valor decimal, se necesitan potencias más elevadas de base 2 para codificarlo, por lo que el número de bits se incrementa. Por ejemplo, el número decimal 23 se codifica de la siguiente forma: Número codificado en binario => 1 1 0 1 0 0 ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR POSICION 8 7 6 5 4 3 2 1 0 VALOR POSICIONAL 256 128 64 32 16 8 4 2 1 POTENCIA 28 27 26 25 24 23 22 21 20 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 96 La tabla de los dieciseis primeros números binarios es la siguiente: ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR DECIMAL BINARIO 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001 10 1010 11 1011 12 1100 13 1101 14 1110 15 1111 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 97 SISTEMA HEXADECIMAL Es el sistema de base 16, y que utiliza dieciséis dígitos distintos: del 0 al 9 más las letras mayúsculas A, B, C, D, E y F, que tienen como valores propios 10, 11, 12, 13, 14 y 15 respectivamente. Es utilizado muy frecuentemente por su facilidad de conversión con el binario, lo cual hace que números binarios muy grandes se manejen más cómodamente en hexadecimal. La conversión de hexadecimal a binario consiste en sustituir cada dígito hexadecimal por el grupo de cuatro bits equivalente, según indica la tabla de los dieciséis primeros números: La conversión de binario a hexadecimal se realiza agrupando los bits en grupos de cuatro a partir del bit situado más a la derecha (bit de menor peso). Cada uno de esos grupos da lugar a un dígito hexadecimal. Por ejemplo, el número binario 11001000111001010 es el número hexadecimal 191CA. El proceso de conversión es el siguiente: 1 1001 0001 1100 1010 1 9 1 C A ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR DECIMAL BINARIO 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001 10 1010 11 1011 12 1100 13 1101 14 1110 15 1111 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 98 ALGEBRA DE BOOLE Algebra de Boole es el álgebra matemática que se aplica a los números binarios. Este álgebra tiene tres operaciones básicas entre bits: - Suma lógica (OR): el símbolo de la suma se sustituye por OR a + b => a OR b Equivale a la “o” de las frases disyuntivas: es verdadero si alguna de las proposiciones es verdadera, y falsa si las dos son falsas. Por ejemplo:“María es rubia o alta”.La frase es verdad si María cumple alguna de las características. De forma electrónica, la suma lógica (OR) se representa como dos interruptores en paralelo; siendo equivalente un interruptor abierto a un 0 y un interruptor cerrado a un 1: Simbología electrónica utilizada para representar una suma lógica (OR) Por lo tanto, a nivel de bits la suma lógica se interpreta como que el resultado es 1 si alguna entrada es 1. - Producto lógico (AND): el símbolo del producto se sustituye por AND a x b => a AND b ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 99 Equivale a la “y” de las frases copulativas: es verdadero si las dos proposiciones son verdaderas, y falsa si alguna es falsa. Por ejemplo: “María es rubia y alta”. La frase es verdad si María cumple las dos características. De forma electrónica, el producto lógico (AND) se representa como dos interruptores en serie; siendo equivalente, de nuevo, un interruptor abierto a un 0 y un interruptor cerrado a un 1: Simbología electrónica utilizada para representar el producto lógico (AND). Por lo tanto, a nivel de bits el producto lógico se interpretacomo que el resultado es 1 si las dos entradas son 1. - Complementación (negación): cambia el resultado al valor contrario a NOT Es verdadero si la proposición es falsa, y falsa si es verdadera. A nivel de bits la negación se interpreta como que el resultado es 1 si la entrada es 0 y viceversa. PUERTAS LOGICAS El avance de la tecnología ha llevado a la realización física de unos elementos denominados “puertas lógicas” que realizan las operaciones binarias del Algebra de Boole (suma lógica, producto lógico y complementación lógica). En este caso las variables binarias son señales eléctricas de tensión de nivel alto (H o ’1’) o tensión de nivel bajo (L o ’0’). Las puertas básicas son las correspondientes a las tres operaciones lógicas: suma, producto y complementación. El funcionamiento de cada tipo de puerta se interpreta mediante las denominadas tablas de verdad. Estas tablas informan de la salida que facilita la puerta, dependiendo de los valores de sus entradas. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 100 PUERTA OR Símbolo electrónico de una puerta OR La salida de esta puerta da como resultado nivel alto (‘1’) si alguna entrada es ‘1’. Tabla de verdad de la puerta lógica OR PUERTA AND Símbolo electrónico de una puerta AND La salida de esta puerta da como resultado ‘1’ si las dos entradas son ‘1’. Tabla de verdad de la puerta lógica AND ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR a b a OR b 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 a b a AND b 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 101 PUERTA NOT (INVERSORA) Símbolo electrónico de una puerta inversora (NOT) La salida de esta puerta da como resultado el nivel lógico contrario que haya en la entrada. La forma de representar esta salida es con el mismo nombre pero con un guión encima ( a- ) se dice entonces que la variable “a” está negada. Tabla de verdad de la puerta lógica NOT Mediante combinaciones de estas puertas lógicas básicas se obtienen otras dos puertas de muy amplio uso. Hay que tener en cuenta que, en una puerta lógica, una entrada con un círculo significa que es una entrada invertida (a través de un inversor), e igualmente, una salida con un círculo significa salida a través de un inversor. PUERTA NOR Símbolo electrónico de una puerta NOR Esta puerta equivale a una puerta OR, en cuya salida tiene conectada una pue r t a inversora (puerta NOT). Tabla de verdad de la puerta lógica NOR ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR a a 0 1 1 0 a b a NOR b 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 102 PUERTA NAND Símbolo electrónico de una puerta NAND Esta puerta equivale a una puerta AND con un inversor conectado a su salida. Tabla de verdad de la puerta lógica NAND Las puertas más utilizadas son la NOT, NOR y NAND. A su vez, las puertas NOR y NAND pueden funcionar como puertas inversoras conectando sus entradas apropiadamente. Una forma de conseguirlo es cortocircuitando sus entradas a una sola. Puertas NOT realizadas mediante conexión única en puertas NOR y NAND Existe una función especial dentro de la suma lógica. Esta función es la suma exclusiva, denominada OR-Exclusiva o XOR. Para realizar esta función hay dos nuevas puertas lógicas. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR a b a NAND b 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 103 PUERTA XOR Símbolo electrónico de una puerta XOR La función OR-Exclusiva vale 1 cuando hay un número impar de varia- bles de entrada a 1, y vale 0 cuando dicho número es par. Tabla de verdad de la puerta lógica XOR PUERTA XNOR Símbolo electrónico de una puerta XNOR La función NOR-Exclusiva es la inversa de la OR-Exclusiva, es decir, es la misma puerta pero con una puerta inversora a la salida. Tabla de verdad de la puerta lógica XNOR ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR a b a (+) b 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 a b not a (+) b 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 104 FAMILIAS LÓGICAS Antes del descubrimiento de las válvulas de vacío y del nacimiento de la Electrónica, las funciones lógicas booleanas eran realizadas mediante relés (interruptores mecánicos operados eléctricamente mediante un electroimán). Con la aparición de los diodos se ideó una nueva forma de realizar las puertas lógicas, y surgió una primera tecnología o “familia lógica” cuyo circuito básico era el mostrado en la figura: Ve1, Ve2: entradas de la puerta lógica. Vs: salida de la puerta lógica. Vcc: tensión de alimentación Circuito interno de una puerta AND realizada con diodos Tabla de verdad de la puerta lógica AND con diodos ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR V1 V2 VS 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 105 Este circuito está alimentado por una fuente de tensión denominada Vcc. Los valores de entrada Ve1, Ve2 están conectados a masa si son ‘0’ y con valor de tensión si son ‘1’. La tensión de salida Vs vale ‘0’ si está conectada a masa y ‘1’ si tiene tensión. Por eso, al realizar su tabla de verdad se comprueba que es una puerta AND. Cuando una entrada vale ‘0’ su diodo correspondiente está en directo (equivale eléctricamente a un cortocircuito), mientras que si vale ‘1’ está en inverso (equivale eléctricamente a un circuito abierto). Por eso, cuando alguna entrada esté a ‘0’ (conectada a masa), su correspondiente diodo está en directo y la salida vale también ‘0’; mientras que si las dos entradas son ‘1’, los dos diodos están en inverso y la salida está conectada a la alimentación (Vcc), por lo que vale ‘1’. Esta familia presentaba problemas de todo tipo, debido a que los diodos no eran ideales. Con la invención del transistor aparecieron las primeras familias lógicas comerciales: la DCTL (Lógica de Transistores acoplados directamente) y la RTL (Lógica Resistor- Transistor). A, B: entradas de la puerta lógica. S: salida de la puerta lógica. Circuito interno de una puerta NOR de la familia DCTL ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 106 A, B: entradas de la puerta lógica. S: salida de la puerta lógica. Circuito interno de una puerta NOR de la familia RTL Tabla de verdad de la puerta lógica NOR (DCTL y RTL) ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 107 Estas familias tuvieron poca difusión, ya que tenían en general malas características en cuanto a velocidad de conmutación (velocidad en conseguir en el terminal de salida el resultado de la operación realizada con los datos de entrada), influencia de ruido externo, disipación de potencia, etc. La primera familia lógica de uso generalizado fue la DTL (Lógica Diodo-Transistor), que luego sería sustituida por la TTL, compatible con ella. La puerta básica es una puerta NAND implementada por el siguiente circuito: A, B: entradas de la puerta lógica. S: salida de la puerta lógica. Circuito interno de una puerta NAND de la familia DTL Tabla de verdad de la puerta lógica NAND (DTL) ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR A B S 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 108 Esta familia tenía como ventajas una gran variedad de puertas disponibles, y baja generación de ruido, pero su velocidad de conmutación era relativamente baja, y presentaba poca inmunidad al ruido externo. Apareció después la familia TTL (Lógica Transistor-Transistor) que es la más utilizada actualmente en niveles de integración medios. Presenta como ventajas la compatibilidad de interconexión con DTL, una gran variedad de puertas y circuitos lógicos, buena inmunidad al ruido, menor coste de fabricación que las DTL, menor tiempo de retardo y menor potencia de disipación. Esta familia constituye actualmente la serie de integrados 74XX... o 54XX..., y trabaja normalmente con niveles lógicos de 0 y 5 voltios, al igual que DTL. Un ‘1’ lógico equivale a tensión alta (H) y son 5 voltios, mientras queun ‘0’ lógico equivale a tensión baja (L) y son 0 voltios. La puerta básica en TTL es la NAND. En estas puertas, una entrada dejada al aire (sin conectar) equivale a un ‘1’ lógico. Existen varias subfamilias derivadas de la TTL: - STTL (TTL Schottky): es la serie 74SXX... Construida a base de transistores Schottky de conmutación rápida, cuya característica fundamental es su gran velocidad de conmutación. - HTTL (High-speed TTL): serie 74HXX... Son puertas TTL de alta velocidad. - LPTTL (Low-power TTL): serie 74LXX... Puertas TTL de baja disipación térmica. - - LSTTL (Low-power Schottky TTL): serie 74LSXX... Son TTL Schottky de baja disipación. Es la familia más moderna y la de mejores características. Existen algunas familias muy extendidas en la actualidad (tanto o más que TTL), de fácil compatibilidad con TTL y construidas a base de transistores unipolares MOSFET. Son las familias P-MOS (con transistores de canal P), N-MOS (con transistores de canal N) y C-MOS (MOSFET complementarios, canal N y P simultáneamente), esta última familia es la de mayor difusión en niveles de integración media. Presentan como ventajas una disipación de potencia ínfima, una tensión de alimentación variable (de 3 a 18 voltios) y una gran densidad de integración a bajo precio. Sin embargo, su velocidad de conmutación es baja, y no son directamente conectables con TTL por lo general. Estas familias constituyen las series 40XX... y 41XX... ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 109 MODULOS COMERCIALES A continuación se muestra una tabla que contiene distintos integrados comerciales de puertas lógicas, clasif icados por el t ipo de puertas que contienen. Se han suprimido las letras que normalmente aparecen después del número 74 (familia TTL), y que indican la subfamilia y las características técnicas del integrado (consumo, velocidad de conmutación, etc.). Existen integrados que contienen diferentes tipos de puertas lógicas, que realizan funciones específicas; por ejemplo dos puertas AND cuyas salidas se conectan a la entrada de una puerta OR, etc. Normalmente se trata de funciones específicas muy utilizadas en la práctica, de ahí que se fabriquen integrados especiales con estas funciones El esquema de los circuitos internos de estos integrados comerciales son facilitados por las hojas de características (DATA-BOOK) del fabricante. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR ENTRADAS CODIGO DE INTEGRADO Nº PUERTAS/ INTEGRADO FAMILIA LOGICA NAND 2 7400 4 TTL 3 7410 3 TTL 4 7420 2 TTL 8 7430 1 TTL NOR 2 7402 4 TTL 3 7427 3 TTL INVERSORES (NOT) 1 7404 6 TTL OR 2 7432 4 TTL 4 7423 2 TTL AND 2 7408 4 TTL 3 7411 3 TTL 4 7421 2 TTL OR - EXCLUSIVA (XOR) 2 7486 4 TTL 2 74136 4 TTL HIBRIDO AND - OR - INVERSOR 2 7451 2 TTL 3 7459 2 TTL MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 110 CIRCUITOS COMBINACIONALES Existen dos tipos generales de circuitos lógicos: combinacionales y secuenciales. Los circuitos combinacionales son aquellos cuyas salidas, en un determinado instante, son función exclusivamente del valor de las entradas en ese instante. Sin embargo, en los circuitos secuenciales las salidas obtenidas en cada instante de tiempo dependen del valor de las entradas y también del valor de esas mismas salidas en el instante anterior (las salidas dependen del tiempo o momento en que sean tomadas). El progreso en las técnicas de integración de circuitos ha permitido la realización en circuito integrado de sistemas combinacionales complejos, que permiten una disminución en el número de elementos y en el tiempo empleado en los diseños, además de aumentar la inmunidad al ruido, al ser menor el número de conexiones externas. De entre estos circuitos avanzados, los más usuales son los decodificadores, codificadores, multiplexores, demultiplexores y comparadores, existiendo diferentes tipos de cada uno de ellos. Estos circuitos pueden trabajar de dos formas: - Lógica positiva: el terminal está activo cuando está a nivel alto de tensión(‘1’ lógico). - Lógica negativa: el terminal está activo cuando está a nivel bajo de tensión (‘0’ lógico). DECODIFICADORES Un decodificador típico es un circuito que tiene como entrada una información codificada en binario, y tiene tantas salidas como posibles combinaciones binarias distintas de entrada, activándose en cada momento una sola de ellas, la correspondiente a la combinación binaria que se aplique a la entrada. Por tanto, un decodificador con “n” entradas tendrá en general 2n salidas. Por ejemplo, si el decodificador tiene 2 entradas, tiene 4 (22) salidas. La clasificación más utilizada para distinguir a los decodificadores se realiza en base al número de entradas y salidas del circuito. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 111 DECODIFICADOR “2 A 4” Y “3 A 8” El decodificador “2 a 4”, o decodificador de dos entradas, tiene dos entradas de código y cuatro terminales de salida. Además, suele incorporar una entrada de “inhibición” tal que, cuando está activada, inhibe todas las salidas desactivándolas a valor 0. Su tabla de funcionamiento es la mostrada a continuación: Tabla de verdad de un decodificador 2 a 4 E0, E1: entradas digitales. S0, ..., S3: salidas. I: inhibición. Decodificador 2 a 4 ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR I E1 E0 S0 S1 S2 S3 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 X X 0 0 0 0 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 112 Circuito interno de un decodificador 2 a 4 Este tipo de circuitos integrados son realizados con frecuencia a base de puertas NAND, de más fácil y barata integración en TTL. Resultan así circuitos decodificadores que funcionan a su salida con “lógica negativa” (la salida activa es 0, y todas las demás valen 1), y no con la “lógica positiva” normal del ejemplo anterior. Un decodificador 2 a 4 con lógica negativa de salida tiene una tabla de funcionamiento como la siguiente (los 1 lógicos se convierten en 0 y viceversa): Tabla de funcionamiento de un decodificador 2 a 4 con lógica negativa ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR I E1 E0 S0 S1 S2 S3 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 X X 1 1 1 1 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 113 Decodificador 2 a 4 con lógica negativa de salida En todo diagrama de bloques, una salida dibujada con un círculo indica salida con lógica negativa, y sin círculo significa lógica positiva. Existen muchos circuitos con entradas de inhibición. Pero a veces esta entrada es llamada de diferentes maneras: - Inhibición (I): desactiva el integrado. - Disable (D): desactiva el integrado. - Enable (Enb): activa el integrado. En función del nombre dado y del tipo de lógica (positiva o negativa) indicado en el diagrama de bloques, es cómo se sabe la manera en que actúa dicha entrada; es decir, con qué nivel lógico desactiva, ‘0’ o ‘1’. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 114 DECODIFICADOR 3 A 8 Este decodificador tiene tres entradas de código y ocho salidas decodificadas, además de la entrada de inhibición. Decodificador 3 a 8 El decodificador 3 a 8 de la figura tiene lógica negada de salida, por lo tanto, el código binario de la entrada activa el terminal de salida correspondiente poniéndolo a nivel bajo (‘0’). Por ejemplo, si la entrada es el código binario 001, el terminal de salida que se activa es el S1, y lo pone a ‘0’, dejando los restantes terminales de salida a ‘1’; es decir, el código de salida es 11111101. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 115 DECODIFICADOR DECIMAL Este decodificador no se ajusta a la norma típica de entradas y salidas de los decodificadores binarios, ya que posee cuatro líneas de entrada de código y sólamente diez salidas decodificadas. Está pensado para realizar la decodificación del código BCD Natural, es decir, para activar la línea de salida correspondientea una cifra decimal de entrada (de 0 a 9) codificada en binario con cuatro bits. Decodificador decimal En este circuito, todas las salidas quedan inactivas cuando se presenta a la entrada alguna configuración binaria no perteneciente al código BCD Natural (combinaciones prohibidas, del 10 al 15), o bien cuando se activa la entrada de inhibición (I). ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 116 DECODIFICADOR HEXADECIMAL Tiene cuatro líneas de entrada y dieciseis de salida, que sirven para decodificar cualquier número de entrada codificado en binario natural de cuatro bits. En este circuito no existen configuraciones prohibidas de entrada, ya que existe una salida para cada una de las dieciseis posibles combinaciones binarias de entrada. Decodificador hexadecimal El decodificador hexadecimal es muy utilizado en aplicaciones que requieren el uso de microcontroladores, puesto que la programación de los mismos se realiza, normalmente, en numeración hexadecimal. Este decodificador hexadecimal se puede utilizar para construir decodificadores superiores, tales como el decodificador “5 a 32” o el “6 a 64”. Por ejemplo, un decodificador 5 a 32 utiliza dos decodificadores hexadecimales y un inversor, de manera que el quinto bit maneja un decodificador u otro dependiendo de su valor lógico (‘0’ o ‘1’). ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 117 Decodificador 5 a 32 mediante la conexión de dos ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 118 CONVERSORES DE CODIGO Aparte de su aplicación directa como decodificadores de código, los decodificadores se pueden usar como conversores de código. Un conversor de código es un circuito que tiene por entrada una información binaria codificada en un determinado código, y convierte dicha información a otro código diferente. Los conversores de código sencillos se suelen diseñar mediante un decodificador seguido de un codificador, pero hay excepciones. Una de estas excepciones es el circuito conversor de código BCD Natural a “código de siete segmentos”, código este capaz de hacer lucir correctamente a un display LED de siete segmentos. Este circuito recibe el nombre general de “Decodificador BCD a 7 segmentos”, y se encuentra normalmente integrado en una pastilla, siendo un componente de amplia utilización. Display de siete segmentos ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 119 Los displays de siete segmentos son elementos visualizadores para cifras numéricas, compuestos por siete segmentos luminosos, bien a base de diodos LED o bien mediante cristales líquidos. Los más utilizados son los basados en diodos LED, ya que son excitados fácilmente mediante tensiones continuas de tipo TTL (5 o 0 voltios). Existen a su vez dos tipos generales de displays tipo LED: “Anodo común” y “Cátodo común”. - Anodo común: los ánodos (terminales P) de los siete diodos LEDs están unidos a un mismo punto eléctrico conectado externamente a tensión positiva (+Vcc). Conexión de diodos LED en configuración de Anodo Común Cada cátodo independiente ha de ser excitado con una tensión baja para que el diodo esté en directo y el segmento correspondiente se ilumine. Por tanto se considera que este tipo de displays funcionan con lógica negativa de entrada, ya que se necesita un 0 lógico de entrada para hacer lucir el segmento. - Cátodo común: los siete cátodos (terminales N) están unidos y son conectados a una tensión baja (normalmente masa), para que cada ánodo independiente sea excitado con una tensión positiva que haga entrar en conducción al diodo y así luzca el segmento correspondiente. Funciona, por tanto, con lógica positiva de entrada, ya que necesita un 1 lógico para hacer lucir los diferentes segmentos. Conexión de diodos LED en configuración de Cátodo Común ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 120 Para ambos tipos de displays es necesario añadir una resistencia limitadora de corriente para cada uno de los segmentos, cuyo valor se obtiene en función de la corriente que se desea que circule por cada diodo LED en conducción (a mayor corriente, mayor luminosidad). D0, ..., D3: código binario BCD de entrada Conexión entre un decodificador BCD a 7 segmentos y un display También existen diferentes modalidades de decodificadores BCD a 7 segmentos en función de su comportamiento ante combinaciones binarias de entrada no pertenecientes al BCD Natural (del 10 al 15 en binario). En estos casos el decodificador puede hacer que el display permanezca apagado, o bien que represente los correspondientes caracteres hexadecimales (A, b, C, d, E, F); esto depende del tipo de decodificador utilizado. Caracteres posibles de un display de siete segmentos ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 121 La tabla de verdad de éste último decodificador para displays de cátodo común (lógica positiva de entrada) es la siguiente Tabla de funcionamiento del conversor a siete segmentos ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR BCD HEX BINARIO CODIGO 7 SEGMENTOS D C B A a b c d e f g 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 2 2 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 3 3 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 4 4 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 5 5 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 6 6 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 7 7 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 8 8 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 9 9 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 - A 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 - B 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 - C 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 - D 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 - E 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 - F 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 122 CODIFICADORES Estos elementos realizan la función inversa de los decodificadores, es decir, poseen en general 2n entradas y “n” salidas de código en las que aparece codificado en binario puro el valor de la entrada que haya sido activada. Si no se activa ninguna entrada, la salida también permanece inactiva (número binario cero). Por ejemplo, un codificador con 8 (23) entradas tiene 3 salidas. Existen dos tipos principales de codificadores, en función de su comportamiento ante varias entradas activas simultáneamente: - Codificadores sin prioridad: en este tipo sólo se puede activar una única entrada cada vez. Si se activan varias simultáneamente aparece en las salidas una mezcla de valores inoperantes de las combinaciones binarias correspondientes a las entradas activas, esta salida no tiene ninguna utilidad ya que es errónea. - Codificadores con prioridad: en este tipo de codificadores se pueden activar varias entradas simultáneamente, codificándose a la salida el número binario correspondiente a la entrada de mayor valor decimal, sin tener en cuenta las demás; es decir, tienen prioridad las entradas de mayor valor. El circuito básico de un codificador “8 a 3” sin prioridad, es el siguiente: E0, ..., E7: entradas digitales. S0, S1, S2: código binario de salida. Codificador 8 a 3 sin prioridad ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 123 La tabla de funcionamiento de un codificador 8 a 3 con prioridad es la siguiente: Tabla de verdad de un codificador 8 a 3 con prioridad E0, ..., E7: entradas digitales. S0, S1, S2: código binario de salida. P0, P1: controles de prioridad. Codificador 8 a 3 con prioridad. Este codificador incluye una entrada de inhibición (I) activa con 1 lógico, y añade también un par de salidas especiales (P0 y P1) que funcionan del siguiente modo: - P0 se activa con ‘0’ si todas las entradas de valor decimal están inactivas. - P1 se activa con ‘0’ si existe alguna o varias entradas de valor decimal activas. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR I E0 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 S2 S1 S0 P1 P0 1 X X X X X X X X 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 X X X X X X X 0 0 0 0 0 1 0 X X X X X X 0 1 0 0 1 0 1 0 X X X X X 0 1 1 0 1 0 0 1 0 X X X X 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 X X X 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 X X 0 11 1 1 1 1 0 1 0 1 0 X 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 124 Aprovechando estas dos salidas se construyen codificadores superiores, mediante varios codificadores 8 a 3 con prioridad. Por ejemplo, un circuito codificador 16 a 4 con prioridad es el siguiente: Codificador 16 a 4 mediante la conexión de dos codificadores 8 a 3 ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 125 MULTIPLEXORES Un multiplexor es un circuito que tiene 2n entradas de información (canales), una sola salida y un mecanismo de selección que determina cuál de las entradas es la que transfiere su información a la única salida. En resumen, se comporta como un conmutador de entrada múltiple y salida única, pero cuyo control no es mecánico, sino electrónico. Esquema de la función de un multiplexor mediante conmutadores Las entradas de información pueden ser señales de tipo digital o bien señales analógicas, distinguiendo así dos grandes grupos de circuitos multiplexores: digitales y analógicos. En ambos tipos el mecanismo de selección consta de otras “n” entradas digitales de control en las que se introduce un número binario puro, el correspondiente a la entrada de información seleccionada. En definitiva, este circuito de selección no es mas que un decodificador de “n” entradas en el que cada salida del decodificador permite o bloquea el paso de una de las entradas de información del multiplexor hacia la salida del multiplexor. MULTIPLEXORES DIGITALES Los circuitos multiplexores digitales TTL más utilizados en la práctica están clasificados dependiendo del número de entradas de información. Estas entradas de información se denominan canales. Los más utilizados son los de dos canales los de cuatro canales, de ocho y de dieciséis. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 126 MULTIPLEXOR DE DOS CANALES Este circuito tiene dos entradas de información o canales (E1 y E0), una única salida multiplexada (S) y una sola entrada de control o selección (C). Puede incorporar también una entrada de inhibición (I) para desactivar la salida. La tabla de verdad y diagrama de bloques del circuito completo son los siguientes: E0, E1: entradas. S: salida. I: inhibición. C: selector de canal Multiplexor de dos canales. Tabla de funcionamiento de un multiplexor de dos canales ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR I C E0 E1 S 1 X X X 0 0 0 0 X 0 0 0 1 X 1 0 1 X 0 0 0 1 X 1 1 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 127 Circuito interno de un multiplexor de dos canales En la práctica se encuentran cuatro de estos multiplexores elementales de dos canales en un solo integrado (74157, 74158, ...), formando un bloque denominado cuádruple multiplexor de dos canales, y cuya utilidad es la de seleccionar hacia la salida uno de entre los dos posibles canales de cuatro bits cada uno. - E0.1, ..., E0.4: entradas del primer canal de 4 bits. - E1.1, ..., E1.4: entradas del segundo canal de 4 bits. - S1, ..., S4: salida binaria de 4 bits. - I: inhibición. - C: selector de canal. Cuádruple multiplexor de dos canales ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 128 MULTIPLEXOR DE CUATRO CANALES Tiene cuatro entradas de información, una única salida, dos entradas de control para selección y una posible entrada de inhibición. El circuito de control actúa como un decodificador 2 a 4. En la práctica se suelen encontrar integrados que contienen dos de estos multiplexores (74153, 4052, ...), normalmente con las entradas de control e inhibición compartidas, lo cual permite multiplexar entre cuatro “buses” de dos bits cada uno. Este bloque se llama doble multiplexor de cuatro canales. Doble multiplexor de cuatro canales MULTIPLEXOR DE OCHO CANALES Realiza la misma función que los anteriores, pero con un “bus” de entrada de ocho bits Multiplexor de ocho canales ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 129 MULTIPLEXOR DE DIECISEIS CANALES Es el mismo multiplexor que el de ocho canales, pero que tiene ampliada su entrada a dieciseis canales. Multiplexor de dieciséis canales Mediante este multiplexor se obtienen multiplexores superiores. Por ejemplo, un multiplexor de treinta y dos canales se consigue mediante dos multiplexores de dieciséis canales y alguna circuitería adicional. Multiplexor de 32 canales mediante la conexión de dos multiplexores de 16 canales ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 130 MULTIPLEXORES ANALÓGICOS Son circuitos CMOS (no TTL) que permiten seleccionar una de las 2n posibles entradas analógicas de información para hacerla llegar a la única salida analógica. El mecanismo de selección consta de “n” entradas digitales en las que se codifica en binario el número de la entrada analógica seleccionada, y consiste en un decodificador de “n” entradas cuyas salidas abren o cierran un conjunto de 2n “interruptores bidireccionales analógicos” CMOS, uno para cada canal de entrada. Por ejemplo, el esquema interno correspondiente a un multiplexor analógico de cuatro canales es el siguiente: E0, ..., E3: entradas analógicas. S: salida analógica. C0, C1: selector digital de canal. Esquema interno de un multiplexor analógico de cuatro canales ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 131 El interruptor bidireccional es un componente que no existe en la familia TTL, y que se comporta igual que un interruptor que conduce o no según que su entrada de control (C) sea de nivel de tensión alto o bajo, respectivamente (interruptor activo con C = 1). E: entrada. S: salida. C: control de apertura. Símbolo electrónico de un interruptor bidireccional analógico. En conducción, este dispositivo presenta baja impedancia con una resistencia comprendida entre 50 y 200 ohmios (se considera un cortocircuito), mientras que en corte presenta alta impedancia con una resistencia que alcanza varios Megaohmios (se considera un circuito abierto). Las tensiones analógicas que puede manejar en sus entradas pueden ser de hasta +7,5 voltios normalmente. Existen multiplexores analógicos de cuatro canales, de ocho y de dieciseis, de igual forma que con los multiplexores digitales. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 132 DEMULTIPLEXORES Realizan la función inversa de un multiplexor, es decir, se comportan como conmutadores de entrada única y salida múltiple, existiendo un mecanismo de control que selecciona la salida hacia la que se envía la información de entrada. Por tanto, un demultiplexor tendrá en general una entrada de información (que puede ser digital o analógica), 2n salidas y “n” entradas de control en las que se introduce el número binario correspondiente a la salida seleccionada. La tabla de verdad y circuito interno correspondiente a un típico demultiplexor digital de cuatro canales son los siguientes: Tabla de funcionamiento de un demultiplexor de cuatro canales E: entrada digital. S0, ..., S3: salidas. I: inhibición. C0, C1: selectores de canal. Demultiplexor de cuatro canales ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR E C1 C0 S0 S1 S2 S3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 133 En la práctica este circuito no existe como demultiplexor propiamente dicho, ya que equivale a un decodificador 2 a 4 con lógica positiva de salida y una entrada de inhibición (activa con 0) por la que se introduce la información de entrada. Decodificador 2 a 4 Es por esta razón por la que no son frecuentes los circuitos integrados demultiplexores digitales como tales, sino que existen circuitos decodificadores-demultiplexores, que son decodificadores con una entrada especial de inhibiciónpor la que se introduce la información a demultiplexar. De este modo, se pueden encontrar demultiplexores digitales de cuatro canales, de ocho y de dieciséis, y mediante estos últimos construir demultiplexores mayores. Los demultiplexores analógicos son normalmente los mismos circuitos multiplexores analógicos explicados anteriormente (suelen presentarse en forma de multiplexores/demultiplexores analógicos). Esto es debido al carácter bidireccional de los interruptores analógicos CMOS. Esquema interno de un demultiplexor analógico de cuatro canales ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 134 COMPARADORES Un comparador de “n” bits es un circuito combinacional que tiene por entradas dos números binarios de “n” bits cada uno (A y B), determinando a su salida si uno es menor, mayor o igual que el otro. Para ello dispone de tres salidas típicas: A B, A = B y A B. En TTL existen comparadores de cuatro y cinco bits, si bien mediante varios de éstos se pueden construir comparadores mayores. Un típico circuito comparador de cuatro bits es el integrado 7485, que se fabrica con tres entradas adicionales de control (C , C=, C ), además de las ocho entradas correspondientes a los dos números binarios A y B de cuatro bits cada uno. Comparador de cuatro bits. A0, ..., A3: dato A de 4 bits. C , C=, C : señales de control. B0, ..., B3: dato B de 4 bits. A B, A=B, A B: salidas resultado de comparación. Dichas entradas de control actúan sobre las tres salidas del comparador sólo en caso de igualdad (A = B) entre los dos números de entrada, activándose cualquiera de ellas (no necesariamente la de A = B) en función de cuál sea la entrada de control activada (C , C=, C ). La tabla adjunta muestra el funcionamiento de este integrado. Tabla de verdad de un comparador de cuatro bits ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR A y B C> C= C< A > B A = B A < B A > B X X X 1 0 0 A < B X X X 0 0 1 A = B 0 0 0 0 1 0 A = B 1 1 1 0 1 0 A = B 0 0 1 0 0 1 A = B 0 1 0 0 1 0 A = B 1 0 0 1 0 0 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 135 Estas entradas de control permiten construir comparadores superiores utilizando sólamente integrados 7485, sin ningun circuito adicional. Por ejemplo, un comparador de ocho bits se puede conseguir asociando dos comparadores de cuatro bits cada uno. Comparador de 8 bits mediante la conexión de dos comparadores de 4 bits SUMADORES La suma es la operación básica utilizada en el sistema de numeración en base dos. En la suma de dos números binarios de un solo bit cada uno (a y b), se obtienen como resultado dos bits, uno de suma (S) y otro de posible “acarreo” (C). ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 136 SEMISUMADOR Esta operación se realiza mediante un circuito combinacional llamado semisumador, cuya tabla de verdad y circuito son los siguientes: Tabla de funcionamiento de un semisumador La fórmula matemática que rige este proceso es: a + b C S El resultado de la suma es S, y si el valor de la suma sobrepasa el rango permitido, o sea 1 + 1, el resultado es un 0 y acarreo 1. A: primer bit de entrada. B: segundo bit de entrada. S: suma de los dos bits. C: acarreo resultante. Semisumador de dos bits Circuito interno de un semisumador ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR a b S C 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 137 SUMADOR TOTAL Sin embargo, para operaciones de suma binaria con números de más de un bit, se utiliza otro circuito más práctico, el sumador total, que suma dos bits pero teniendo en cuenta el posible acarreo (Cn) generado en una etapa anterior de suma. Tabla de verdad de un sumador total La operación que realiza el sumador total es: Cn a + b Cn+1 S A: primer bit de entrada. B: segundo bit de entrada. S: suma de los dos bits. C: acarreo inicial de entrada. C1: acarreo resultante de salida. Sumador total ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR a b Cn S Cn+ 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 138 Por ejemplo para sumar dos números binarios de dos bits cada uno, se necesitan dos sumadores totales. Sumador de dos bits mediante la conexión de dos sumadores totales En C0 se fuerza un ‘0’ para que no halla acarreo inicial. El acarreo C1 del primer sumador (suma de los dos bits de menor peso, a0 y b0) se conecta con el terminal de acarreo inicial del segundo sumador, por lo que se consigue la suma de a1 con b1 y con el acarreo C1. Este segundo sumador da el resultado de la suma total por los terminales S1 y S0 y el acarreo final por Cf. Cf C1 C0 a1 a0 + b1 b0 Cf S1 S0 ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 139 CUADRUPLE SUMADOR TOTAL La utilización en serie de varios sumadores totales permite la suma de dos números binarios de varios bits cada uno. En la práctica se utiliza mucho el cuádruple sumador total (integrado 7483), que permite sumar números de cuatro bits: C0 a4 a3 a2 a1 +b4 b3 b2 b1 C4 S4 S3 S2 S1 En este circuito, los acarreos intermedios se suman sucesivamente a los siguientes bits, en orden de menor a mayor peso, al igual que se realiza en una suma decimal. Cuádruple sumador total ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 140 Igualmente, la utilización en serie de varios cuádruples sumadores totales permite la suma de números de más de cuatro bits. Por ejemplo, de ocho bits que es denominado óctuple sumador total. Octuple sumador total mediante la conexión de dos cuádruples sumadores Esta técnica de suma binaria a base de bloques sumadores totales conectados en serie, llamada suma en paralelo con acarreo en serie, tiene como desventaja la poca velocidad de operación, ya que el acarreo se propaga a través de los sucesivos sumadores, y el resultado tarda algún tiempo en aparecer de forma estable en las salidas. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 141 MODULOS COMERCIALES La nomenclatura y los códigos de integrado de los sistemas combinacionales más utilizados, se muestran en la siguiente tabla. La tabla está clasificada según los distintos tipos de sitemas combinacionales existentes. El código de los integrados pertenecientes a la familia lógica TTL empieza por el número 74, después pueden o no seguir a este número una o varias letras que designan el tipo de características que posee dicho integrado (consumo, velocidad de conmutación, etc.), y por último, detrás de estas letras viene una cifra que designa el tipo de circuito. En la tabla adjunta se han suprimido las letras que designan las características del integrado. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR TIPO CTO. COMBINACIONAL CODIGO DE INTEGRADO FAMILIA LOGICA DECODIFICADORES 2 a 4 74139 TTL 3 a 8 74138 TTL Hexadecimal 74154 TTL BCD - decimal 74141 TTL BCD - 7 segmentos (Anodo) 7447 TTL BCD - 7 segmentos (Cátodo) 7446 TTL CODIFICADORES 8 a 3 con prioridad 74148 TTL 10 a 4 con prioridad 74147 TTL MULTIPLEXORES Cuádruple de 2 canales 74157, 74158 TTL Doble de 4 canales 74153, 4052 TTL 16 canales 74150 TTL 8 canales de 1 bit 74151 TTL 8 canales de 2 bits 74351 TTL DEMULTIPLEXORES 4 a 16 74154 TTL Doble de 2 a 4 74155 TTL COMPARADORES 4 bits 7485 TTL 8 bits 74689 TTL SUMADORES Cuádruple total de 4 bits 7483 TTL Semisumador de 2 bits 7482 TTL 4 bits con acarreo rápido 74283 TTL MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 142 CIRCUITOS SECUENCIALES Un sistema secuencial se caracteriza por que las variables de salida (unos o ceros lógicos), en un determinado instante, dependen de la variables de entrada (unos o ceros) en ese instante y del valor que en el instante anterior tuvieran las propias variables de salida. Son sistemas capaces de memorizar ciertainformación de lo sucedido con anterioridad en un determinado momento, y utilizar esta información, conjuntamente con una combinación lógica de sus entradas, para determinar el futuro estado del sistema considerado. Diagrama de bloques de un sistema secuencial Un sistema secuencial esta compuesto de dos partes bien diferenciadas: - Una parte de almacenamiento de información. - Una red combinacional que va a generar las órdenes de control del sistema. Los términos y nomenclatura propia de los sistemas secuenciales son: - Qt: valor de la salida en un instante de tiempo (t). - Qt-1: valor de la salida en un instante de tiempo anterior (t-1). - Xt: valor de la entrada X en un instante de tiempo (t). - Yt: valor de la entrada Y en un instante de tiempo (t). Dentro de los circuitos secuenciales se pueden encontrar dos tipos: sistemas secuenciales asíncronos y sistemas secuenciales síncronos. Los sistemas secuenciales asíncronos poseen la característica de que los cambios en las señales de salida se producen en el mismo instante en que se modifican las señales de entrada. En los sistemas secuenciales síncronos es necesaria la existencia de una señal particular, llamada de sincronismo, para que las variables de entrada modifiquen las señales de salida. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 143 BIESTABLES Los biestables son circuitos combinacionales capaces de conservar indefinidamente su salida en uno de los dos estados lógicos mientras no exista una orden de cambio. La orden de cambio o de disparo es generada por el sistema combinacional de control. Esta característica de retención de la señal de salida, hace que el biestable sea la célula elemental en la formación de memorias. Los biestables se agrupan en varios bloques dependiendo de factores tales como: - Tipos de entradas. - Tipo de señal de sincronismo. Una señal de sincronismo es una señal de onda cuadrada que marca la pauta temporal de sincronización del sistema secuencial. Dependiendo de la señal de entrada los tipos de biestable son: - Biestable R -S. - Biestable J - K. - Biestable D. - Biestable T. Dependiendo de la señal de sincronismo los tipos de biestables son: - Asíncronos: Son aquellos biestables que no disponen de señal de sincronismo o de reloj. Los tipos de biestables asíncronos son: - Biestable asíncrono R - S. - Biestable asíncrono J - K. - Biestable asíncrono D. - Biestable asíncrono T. - Síncronos: Son biestables que tienen señal de sincronismo o de reloj. Esta señal va a sincronizar los cambios en la señal de salida. Dependiendo del tipo de señal de sincronismo de que disponga el biestable existen las siguientes clases de biestables síncronos: - Activados por nivel: - Activados por flanco en la señal de sincronismo ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 144 - Activados por nivel El cambio de nivel lógico en la señal de sincronismo habilita a la señal de entrada para que cambie la señal de salida. Por ejemplo, un biestable síncrono activado por nivel lógico (cero lógico o uno lógico) cambia la señal de salida en el instante en que la señal de sincronismo pasa de valer cero a valer uno lógico, o viceversa. Biestables síncronos activados por nivel son: - Biestable síncrono activo por nivel R - S. - Biestable síncrono activo por nivel J - K. - Biestable síncrono activo por nivel D. - Biestable síncrono activo por nivel T. - Activados por flanco en la señal de sincronismo: El flanco de cualquier señal es la zona de señal que está situada en la transición de un nivel lógico a otro. Flancos de una señal cuadrada Si el cambio se produce de nivel alto (uno lógico) a nivel bajo (cero lógico), el flanco es denominado de bajada. Si por el contrario el cambio se produce de nivel bajo a nivel alto, el flanco es denominado de subida. Biestables activados por flanco son: - Biestable activado por flanco J - K. - Biestable activado por flanco R - S - Biestable activado por flanco D. - Biestable activado por flanco T. Los biestables más usados en electrónica suelen ser todos aquellos que disponen de señal de sincronismo o de reloj. Los biestables síncronos, que disponen de señal de sincronismo, van a ser tratados con más profundidad en el presente capítulo. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 145 BIESTABLES SINCRONOS Se caracterizan porque sólo se permiten cambios en la salida cuando la señal de sincronismo está al nivel correcto (activo por nivel), o en el flanco adecuado (activo por flanco) y se denominan biestables síncronos porque funcionan bajo modo síncrono, es decir, bajo un señal de sincronismo. El modo de funcionamiento síncrono tiene dos importantes ventajas sobre el funcionamiento bajo modo asíncrono las cuales son: - Permite que los cambios en el sistema se realicen sólo cuando se tenga la seguridad de que las diferentes señales que actúan sobre él estén presentes. - El ruido electrónico, o las señales que provocan interferencias, solamente tienen la posibilidad de actuar en los tiempos marcados por la señal de sincronismo. Las partes de que se compone un biestable síncrono son las siguientes: Terminales de un biestable síncrono - Preset: señal de puesta a ‘1’. Si en el terminal preset tenemos un nivel alto (‘1’ lógico), la salida Q pasa a valer nivel alto. - Clear: señal de puesta a ‘0’. Si en el terminal clear tenemos un nivel alto (‘1’ lógico), la salida Q pasa a valer nivel bajo. - Clk: señal de sincronismo o de reloj. Es la que marca los tiempos de cambio en la señal de salida. - Entradas X Y: son las entradas lógicas del circuito secuencial. - Salida Q: señal resultante o de salida del circuito secuencial. - Salida Q : señal de salida negada (si Q = 1 entonces Q = 0) ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 146 En el caso de que las señales de PRESET y CLEAR estén al mismo tiempo a nivel alto, no actuará ninguna de las dos señales. Dentro de los biestables síncronos existen básicamente tres tipos o clases, según su modo de disparo o de sincronización que son: - Modo Nivel: un cambio en la salida de estos biestables sólo está permitido mientras la entrada de reloj permanezca en un determinado nivel (bajo o alto), dependiendo del biestable de que se trate. En este modo el biestable se llama “Latch”. - Modo Balanza o Toggle: los datos de la entrada se toman en el flanco de subida de la señal de reloj y se hacen efectivos en la salida en el flanco de bajada de la señal. En este modo el biestable es denominado “Flip-Flop”. - Modo Edge o Flanco: los datos de entrada se toman en un determinado flanco y su presentación en la salida se efectúa en el mismo flanco. En este modo también se denomina al biestable “Flip-Flop”. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 147 BIESTABLE “D” ACTIVO POR NIVEL (LATCH) Un latch es un biestable que funciona con una señal de sincronización activa por nivel. Biestable D activo por nivel Este biestable dispone de: - Señal de sincronización (E): es la que marca, al nivel adecuado, cuándo se pueden permitir cambios en la salida. - Señal de entrada (D): es el dato de entrada y puede ser o ‘1’ o ‘0’ lógicos. - Señal de salida (Q): es el dato de salida y puede ser ‘1’ o ‘0’ lógicos. - Señal de salida inversa (Q): es el valor lógico inverso de la salida Q. - Señal de preset (PRE): señal asíncrona que cuando está a nivel alto pone la salida Q a nivel alto, independientemente de cómo esté la entrada D. - Señal de clear (CLR): señal asíncrona que cuando está a nivel alto pone la salida Q a nivel bajo, independientemente de cómo esté la entrada D. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 148 Todos los biestables tienen una tabla de funcionamiento (tabla de verdad) que relaciona las distintasseñales de entrada y control, con la salida Q. La tabla de verdad de un biestable “D” es la siguiente: Tabla de verdad de un biestable “ D “ activo por nivel. Estas tablas se leen por filas de arriba a abajo y dentro de cada fila se lee de izquierda a derecha. Por ejemplo, la primera fila de esta tabla quiere decir que independientemente del estado de la entrada D (símbolo X), cuando la señal de sincronización E vale cero lógico, la salida Q es la misma que en el instante anterior (Qt-1). Tabla de salida Q respecto de las señales de control ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR D E Q Q x 0 Qt-1 Qt-1 D 1 D D PRESET CLEAR Q 0 0 Qt 1 0 1 0 1 0 1 1 Qt MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 149 Cuando la entrada de sincronismo E está a nivel alto, la salida Q seguirá en todo momento los valores de la entrada. Cuando E está a nivel bajo la salida Q es la misma que en el instante anterior, es decir, es Qt-1. Las señales de control tienen prioridad sobre el resto de las señales del circuito. Si la señal de CLEAR está a nivel alto, la salida será cero independientemente del resto de las señales. Cronograma de un biestable D activo por nivel La gráfica que analiza temporalmente el estado de cualquier integrado se denomina cronograma. En un cronograma de funcionamiento del biestable D se observan los cambios que presenta la salida Q dependiendo del estado de la entrada D y de las señales de control asíncronas CLR y PRE. Para analizar cualquier cronograma se deben tener en cuenta los puntos de la señal de salida en los que está permitido el cambio de valor lógico. En este cronograma los cambios sólo pueden suceder en t1 y t3. En t1 se pueden producir cambios porque es el instante de tiempo en el que la señal de sincronización pasa de valer un nivel bajo (‘0’ lógico) a valer un nivel alto (‘1’ lógico). En t3 la señal de control PRESET pasa a valer nivel alto, y es en ese nivel donde puede actuar sobre la salida, según la tabla de salida Q respecto señales de control. En este caso, para el instante de tiempo t3, la salida pasa a valer nivel alto (‘1’ lógico). ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 150 El análisis temporal del cronograma anterior es el siguiente: - Hasta el instante t1 la señal de salida no cambia; si Q es un nivel alto, sigue valiendo lo mismo hasta t1, instante en el cual puede cambiar o no dependiendo de la señal de entrada D o de las señales de control. - En t1 la señal de sincronización E pasa a valer un nivel alto, y en un biestable D activo por nivel este instante es el permitido para realizar cambios en la salida. La entrada D en este instante vale ‘1’ lógico, por lo que la salida no cambia y sigue valiendo ‘1’ lógico. - En t4, estando la señal E de sincronización a nivel alto, la entrada D pasa a valer nivel bajo (‘0’ lógico), en este instante la salida Q pasa a valer ‘0’ lógico. - En t3 la señal de PRESET pasa a valer ‘1’, por lo tanto la salida Q pasa a valer ‘1’ independientemente del estado del resto de señales. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 151 BIESTABLE SINCRONO J-K ACTIVO POR FLANCO ( M/S) El biestable J-K síncrono activo por flanco es un biestable que tiene dos entradas de datos, denominadas J y K, y tiene una señal de sincronismo (onda cuadrada) que permite cambios en la salida cuando existan flanco (subida o bajada dependiendo del biestable) en ella. Biestable J-K síncrono La descripción de cada patilla o terminal del biestable es la siguiente: - Señal de sincronización (CLK): en este terminal actúa la señal de reloj (onda cuadrada), cuyos flancos marcan la zona donde puede haber cambios en la salida Q. - Señales de entrada (J y K): la combinación de ‘0’ y ‘1’ en estos dos terminales determina el valor lógico de la salida. - Señal de salida (Q): esta señal es la salida del dato que puede ser ‘0’ ó ’1’ lógicos. - Señal de salida inversa (Q): es el valor lógico inverso a la salida Q. - Señal de preset (PRS): señal asíncrona que cuando esta a nivel alto pone la salida Q a nivel alto independientemente de cómo estén las entradas J y K. - Señal de clear (CLR): señal asíncrona que cuando está a nivel alto pone la salida Q a nivel bajo independientemente de cómo estén las entradas J y K. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 152 La tabla de funcionamiento que relaciona las señales de entrada J y K con la señal de salida Q se presenta a continuación: Tabla de verdad o funcionamiento de un biestable J - K activo por flanco H: nivel alto o uno lógico. L: nivel bajo o cero lógico. X: puede ser ‘0’ o ‘1’, es indiferente. Qt: salida Q en el instante t. f: flanco de señal. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR PRESET CLEAR CLK J K Q Q H L X X X H L L H X X X L H H H X X X H H L L f L L Qt Qt L L f H L H L L L f L H L H L L f H H Qt Qt MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 153 En el análisis de cualquier cronograma hay que tener en cuenta la tabla de verdad del componente secuencial (en este caso un biestable) para entender los cambios temporales en la salida. Cronograma de un biestable J-K activo por flanco En el análisis de un cronograma es imprescindible el reconocimiento de los flancos de la señal de sincronización. Los flancos van a marcar los instantes en los que está permitido el cambio en la señal de salida. Los instantes en que las señales de control pasan a valer niveles lógicos de activación son también necesarios en el análisis del cronograma. Una vez marcados sobre el cronograma los instantes anteriormente mencionados, el proceso de realización es el siguiente: - Hasta t1 la señal de PRESET está a nivel alto, por lo tanto fuerza a que la salida esté, hasta ese instante, a nivel alto. - En el instante t2 un flanco de bajada permite los cambios en la señal de salida, dependiendo del estado de las entradas J y K. Tomando la tabla de verdad del biestable, en ese instante J vale nivel alto y K vale nivel bajo, luego la salida está a nivel alto. - En t3 la salida no cambia puesto que las entradas J y K no han cambiado. - En t4 la salida no cambia. - En t5 la salida pasa a nivel bajo, puesto que la entrada J está a nivel bajo y la entrada K a nivel alto. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 154 CONTADORES Un contador es un sistema secuencial con una entrada de impulsos u onda cuadrada, también llamada de reloj, que va a “contar” el número de impulsos que le llegan por esta entrada. Los contadores están constituidos por biestables con un circuito combinacional añadido. Los tipos de contadores que existen están clasificados en función del tipo de señal con la que trabajen; así se pueden encontrar contadores binarios, contadores en BCD, etc. El tamaño del contador depende del número de terminales de salida de que dispone. Estos terminales de salida proporcionan en binario el número de impulsos que ha contado. Por ejemplo: - Contador de 4 bits: Número mayor de impulsos que puede contar = 24 = 16 impulsos. Este contador tiene cuatro terminales de salida. - Contador de 8 bits: Número mayor de impulsos que puede contar = 28 =256 impulsos. Este contador tiene cuatro terminales de salida. El patillaje o los terminales de un contador son los siguientes: UP ------ Arriba DOWN ------- Abajo (DN) Contador binario de cuatro bits ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 155 La descripción de cada patilla o terminal es: - UP y DN: son dos entradas por donde se aplican los impulsos de la señal de reloj. Si los impulsos de reloj se introducen por el terminal UP, manteniéndose a nivel alto el terminal DN, se realiza la cuenta de forma ascendente. Si por el contrario se intercambian las señales, la cuenta se realiza de forma decreciente. - CLR: es la señal de RESET o de puesta a cero delcontador. Mientras esta señal esté a nivel alto el contador no podrá contar. - LOAD: es la señal que permite la carga del dato de referencia que está presente en los terminales A,B,C y D. - A,B,C y D: son las entradas de carga del contador. Se utilizan para empezar la cuenta desde un valor distinto del cero. En el momento de cargar un valor, ese mismo valor es visible en los terminales de salida y la cuenta empieza desde él. - QA,QB,QC Y QD: son las salidas del contador. Indican en código binario o BCD el valor de la cuenta de impulsos. - CO y BO: son señales que indican que se ha llegado a fin de cuenta. En el caso de un contador de cuatro bits que puede contar hasta 16 impulsos, CO avisa cuando en la salida se tiene el valor 15 en binario y BO avisa en cuenta descendente cuando la salida vale cero en binario. Asociando contadores de un determinado número de bits se pueden conseguir contadores con un número mayor de cuenta. Por ejemplo, asociando tres contadores de cuatro bits se consigue un contador de doce bits. Contador binario de 12 bits mediante la conexión de tres contadores de 4 bits ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 156 La señal principal que se tiene en esta ampliación es la señal de fin de cuenta ascendente CO o descendente BO. En el circuito de ampliación, con una señal de reloj, que puede provenir de un sensor que genere impulsos u ondas cuadradas, se incrementa la salida en binario del número de impulsos recibidos para el primer contador. Cuando se llega al final de cuenta en el primer contador, se genera un pulso en la patilla CO o BO. Este pulso se aprovecha para incrementar la cuenta del segundo contador. La salida CO o BO del segundo contador, de la misma manera, incrementa la cuenta del tercero y así sucesivamente. Las señales LOAD y CLR son comunes para los tres contadores. Los contadores son muy utilizados en todas aquellas aplicaciones que tengan como señal de sensor un generador de impulsos. El generador de impulsos puede ser, desde una célula fotoeléctrica hasta un sensor de efecto HALL. Actualmente los contadores pueden ir integrados dentro de unos componentes denominados microcontroladores que gestionan multitud de tareas tales como el tratamiento y conversión de señales a códigos comprensibles. La adición de sistemas combinacionales a la lógica de control de un contador lleva al diseño de contadores cíclicos que comienzan la cuenta en un valor determinado y al llegar al final de cuenta, vuelve a empezar a contar desde el primer valor. Contador cíclico decimal. En este caso hay que detectar el momento en el que el contador llega a nueve, instante en el cual hay que resetear el contador. Si en la salida (QA,QB,QC y QD) se ha contado hasta nueve en binario, se tiene que QA vale ‘1’, QB vale ‘0’, QC vale ‘0’ y QD vale ‘1’ (1001 en binario es igual a 9 en decimal). Aprovechando los bits a nivel alto del número nueve en binario, la salida de la puerta AND vale ‘1’, por lo que en la patilla CLR de reseteo hay un nivel alto, que condiciona la salida a valer ‘0’. Por lo tanto, la cuenta de este contador cíclico es: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,0,1,2,3,4,... ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 157 REGISTROS DE DESPLAZAMIENTO Un registro de desplazamiento es un grupo de biestables unidos con la finalidad de almacenar un número binario. En el registro hay tantos biestables como bits tenga dicho número. Esquema gráfico de las transmisiones serie y paralelo La entrada y la salida de un registro de desplazamiento puede ir paralelo, con tantas líneas de datos como bits, o serie en el que los bits van por una única línea de datos y se envían uno detras de otro. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 158 Los tipos de registros de desplazamiento son: - Entrada serie con salida serie (serie-serie). A: entrada de bits vía serie. QA: salida de bits vía serie. CLK: señal de sincronización. CLR: señal de borrado de datos. Registro de desplazamiento serie/serie - Entrada serie con salida paralelo (serie-paralelo). Registro de desplazamiento Serie/Paralelo - Entrada paralelo con salida serie (paralelo-serie). Registro de desplazamiento paralelo/Serie. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 159 - Entrada paralelo con salida paralelo (paralelo-paralelo). Registro de desplazamiento paralelo/paralelo Las aplicaciones de estos registros son numerosas. Suelen ser utilizados como conversores del tipo de transmisión de datos: datos en serie (una línea de datos) son convertidos en paralelo (varias líneas de datos) y viceversa. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 160 MODULOS COMERCIALES La nomenclatura y los códigos de integrado de los sistemas secuenciales más utilizados, se muestran en la siguiente tabla. La tabla está clasificada según los distintos tipos de sitemas secuenciales existentes. El código de los integrados pertenecientes a la familia lógica TTL empieza por el número 74, después pueden o no seguir a este número una o varias letras que designan el tipo de características que posee dicho integrado (consumo, velocidad de conmutación, etc.), y por último, detrás de estas letras viene una cifra que designa el tipo de circuito. En la tabla adjunta se han suprimido las letras que designan las características del integrado. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR TIPO CTO. SECUENCIAL CODIGO DE INTEGRADO FAMILIA LOGICA BIESTABLES “D” ACTIVOS POR NIVEL Cuádruple Biestable D 7475 TTL Octuple Biestable D 74116 TTL Doble Biestable D 10H130 ECL Quíntuple Biestable D 10H175 ECL Cuádruple Biestable D 74HC75 CMOS Cuádruple Biestable D 4042B CMOS BIESTABLES J-K ACTIVOS POR FLANCO Biestable J-K 7470 TTL Biestable J-K 74H71 TTL Doble Biestable J-K 74H106 TTL Biestable J-K 74110 TTL Doble Biestable J-K 74111 TTL CONTADORES Binario de 4 bits 7493 TTL BCD 74142 TTL Binario UP-DOWN de 4 bits 74191 TTL Binario UP-DOWN de 8 bits 74192 TTL Binario UP-DOWN de 8 bits 74193 TTL Binario Ajustable 74197 TTL REGISTROS DE DESPLAZAMIENTO De 8 bits 7491 TTL De 4 bits 7494 TTL Serie-Serie de 8 bits 7496 TTL Paralelo-Paralelo de 5 bits 7497 TTL Serie-Paralelo de 8 bits 74164 TTL Paralelo-Serie de 8 bits 74165 TTL Paralelo-Paralelo de 4 bits 74195 TTL MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 161 MEMORIAS Una de las partes más importantes de los sistemas digitales es la dedicada a almacenar la información con la que está tratando el sistema. A la parte del sistema que se dedica al almacenamiento de información se le denomina memoria. En las memorias se almacenan distintos tipos de información, tales como instrucciones a ejecutar por un microcontrolador, resultados parciales de operaciones, datos de entrada a un sistema digital, etc. Sobre las memorias se pueden realizar dos tipos de operaciones. Se puede leer la información que tiene almacenada, o bien se puede escribir nueva información para que quede almacenada en ella. Por lo tanto, a una memoria se accede de dos formas: para leer o para escribir información en ella. A estas dos formas de acceder a la memoria se les denomina modos de acceso. Una memoria está dividida en celdas (casilleros) en las que se guarda la información. Las celdas son las células elementales que conforman una memoria, y técnicamente son denominadas posiciones de memoria. Esquema gráfico de las celdas de una memoria La información almacenada en las memorias está codificada en binario. La unidad básica del código binario es el bit; un grupo de ocho bits se denomina byte. A la cantidad de bits que caben en cada posición de memoria se le denomina palabra. Por ejemplo, un caso típico es una memoria de un “ancho” de palabra de 16 bits. Esto quiere decir que en cada una de sus celdas de memoria caben 2 bytes, es decir, 16 bits. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIRMANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 162 CLASIFICACION DE LAS MEMORIAS La gran variedad de tipos, tecnologías y modos de funcionamiento, hace dificil su clasificación. La siguiente clasificación está realizada atendiendo al modo de acceso de la memoria. Las memorias a las que se puede acceder para leer y escribir datos son las denominadas memorias RAM, mientras que las memorias que sólo permiten el acceso para la lectura de datos, son las denominadas memor ias ROM. Atendiendo al modo de acceso la clasificación de las memorias queda de la siguiente manera: - RAM estáticas - Lectura y escritura: - RAM dinámicas - ROM - PROM ACCESO - Lectura: - EPROM - EEPROM Atendiendo a la clasificación de memorias, tomando como punto de referencia el modo de acceso permitido, las memorias se dividen en dos grandes bloques: - Lectura y escritura. - Sólo lectura. LECTURA Y ESCRITURA Las memorias RAM (Random Access Memory) son memorias de acceso aleatorio, se puede acceder a ellas para escribir, o grabar datos en binario o en hexadecimal. Las memorias RAM pueden ser estáticas, o dinámicas: - Statics RAM o memorias estáticas son memorias en las que la información grabada permanece inalterable hasta que se retire la alimentación. - Dinamics RAM o memorias dinámicas en las que la información debe ser refrescada cada cierto tiempo. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 163 SOLO LECTURA En general se denomina a este tipo de memorias como memorias ROM (Read Only Memory), las diferentes nomenclaturas vienen determinadas por la unión del tipo de acceso (memoria de solo lectura ROM ) con la manera de programarlas y borrarlas. Una memoria de sólo lectura puede ser: - ROM: memoria sólo para lectura. La programación de datos la realiza el fabricante. - PROM: memoria sólo para lectura. La programación la puede realizar el usuario, pero sólo puede ser programada una vez. - EPROM: memoria sólo para lectura. Programable por el usuario. Puede ser programada unas diez mil veces, porque se pueden borrar los datos grabados en la memoria mediante rayos ultravioleta. - EEPROM: es similar a una memoria EPROM, la diferencia radica en el método de borrado, que en este caso se realiza de manera electrónica. CARACTERISTICAS GENERALES DE LAS MEMORIAS Las memorias, independientemente del modo de acceso, tienen unas características comunes a todas ellas. Estas características determinan la elección de una determinada memoria en una determinada aplicación. Las características generales de una memoria son: - Capacidad: es la cantidad de información que se puede almacenar en una memoria expresada en bits o en bytes. La información está almacenada en las celdas o posiciones de memoria, y en cada celda hay una cantidad de bits que se denomina “ancho” de palabra. La capacidad viene determinada por el producto del número de palabras por el tamaño en bits de la palabra. Por ejemplo, con un tamaño de palabra de 16 bits y un número de palabras de 1024 bits, la capacidad de esa memoria debe ser : Capacidad = número de palabras (M) x número de bits por palabra (N). N = 16 bits M = 1024 Capacidad = 1024 x 16 = 16.384 bits = 2.048 bytes = 2 Kilobytes La memoria del ejemplo es, por tanto, una memoria de 2K x 16. - Volatilidad: una memoria se dice que es volátil cuando la información en ella almacenada se pierde en ausencia de alimentación. - Tiempos de lectura y escritura: los tiempos de acceso a la información, ya sea para leer o para escribir, son características importantísimas a la hora de seleccionar un determinado tipo de memoria. Los tiempos de acceso van a marcar la rapidez a la que va a poder funcionar el sistema electrónico. Estas características son proporcionadas por el fabricante en los DATA - BOOKS. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 164 MEMORIAS MÁS UTILIZADAS En este apartado se va a tratar con más profundidad la descripción, patillaje y modos de funcionamiento de las memorias RAM estáticas y EPROM, ya que son las utilizadas en mayor número por la industria electrónica. RAM ESTATICA Las memorias RAM estáticas se caracterizan porque, mientras están alimentadas, la información en ellas almacenada no se modifica a menos que se realice una operación de escritura. La célula elemental de almacenamiento (celda o posición de memoria) es un biestable. La aplicación más importante de las RAM estáticas es en sistemas en los que no se requieren grandes capacidades de memoria y se necesitan tiempos de acceso pequeños. ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 165 PATILLAJE Y TERMINALES La descripción funcional de cada patilla o terminal se representa por medio del siguiente diagrama gráfico: A0 - An : terminales de dirección desde el número 0 hasta el “n” D0 - Dn : terminales de datos, desde el 0 hasta el “n” Terminales de una memoria RAM estática ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 166 La función de cada uno de los terminales es la siguiente: - Alimentación ( Vcc y GND): dos terminales son imprescindibles en todos los circuitos integrados o pastillas. En las memorias RAM a estas patillas o terminales se les suele denominar como Vcc y masa. En electrónica digital se ha estandarizado la alimentación con un valor de Vcc de cinco voltios y un valor de masa o GND de cero voltios. - Entradas de direcciones ( A0 - An): los terminales de direcciones, desde el terminal A0 hasta el terminal An , sirven para indicar la posición dentro de la memoria sobre la que vamos a efectuar una operación de lectura o escritura. El número de terminales de dirección mantiene una relación directa con el número de posiciones de la memoria. Por ejemplo, una memoria con 16 posiciones, o celdas de memoria, requiere para su acceso un número de líneas de direcciones igual a cuatro. Esquema gráfico de direccionamiento de una memoria A0 - A3 : terminales de entrada del código binario de dirección de la posición de memoria ZOOM ZOOMNDICEÍIMPRIMIR MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS ELECTROTÉCNICOS BÁSICOS 167 Cada bit, en el direccionamiento, es aportado por un terminal cuyo orden se corresponde con el peso del bit en el código. Así por ejemplo, para la memoria de 16 posiciones, la posición 16 es direccionada con el código binario correspondiente al número decimal 16, es decir, el código binario 1111. El terminal de direcciones número cero (A0) se encarga de aportar el primer bit (marcado en negrita) o bit de menor peso (20). Así se opera con todos los terminales. La cantidad de posiciones de memoria que se pueden direccionar depende de los terminales de dirección. La fórmula matemática que relaciona las dos magnitudes es: 2nº de terminales = Nº de posiciones de memoria direccionables Por ejemplo, con una memoria de 16 posiciones: 24 = 16 posiciones de memoria Para memorias comerciales que tienen capacidades de 1024 posiciones de memoria el número de terminales es de 10 (210 = 1024). - Entrada / Salida de datos (D0 - Dn): los terminales de entrada / salida son bidireccionales, ya que en el proceso de lectura se comportan como salidas, mientras que en el proceso de escritura se comportan como entradas. Cuando la pastilla no está activa, en estos terminales hay un estado de alta impedancia o de desconexión de la línea por la que circulan los datos del sistema (Bus de Datos). El número de terminales de datos coincide con el del número de bits de que consta la palabra, o grupo de bits, guardada en una posición de memoria. Organizaciones típicas son 1, 4 y 8 bits por palabra. Así la memoria de 1 K x 4, es decir, 1Kilobyte (número de posiciones) x 4 (bits por palabra) tiene cuatro terminales de datos. - Terminal de selección de lectura / escritura (R/W ó WR): a través de estos
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