Reporte 2 - ciruitos PDF

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Familia lógica TTL y Compuertas Lógicas

Resumen— Las compuertas lógicas son una parte fundamental en la electrónica digital, de igual forma el conocimiento de la familia TTL. En esta práctica se busca conocer y aplicar los circuitos integrados básicos, así como ver su comportamiento en el osciloscopio ya conectados y alimentados en un circuito. Palabras clave— c ompuertas lógicas, TTL, AND, OR, XOR, NOT, VCC, circuitos integrados.

I. INTRODUCCIÓN En este documento encontraremos el desarrollo de un circuito con diferentes compuertas lógicas para poder visualizar la señal de salida de cada compuerta, todo esto con el fin de conocer a mayor profundidad los circuitos integrados, las compuertas y sus salidas al hacer encender o no diferentes tipos de LED. Los objetivos planteados serían la comprensión de los niveles lógicos de voltaje y su efecto en los circuitos digitales, la obtención experimental de los niveles lógicos de una compuerta TTL y saber el funcionamiento de los circuitos integrados básicos. Para lograr los objetivos estipulados se seguirán una serie de procedimientos, primero se construyó el circuito con las compuertas NOT, AND, OR y XOR, también se agregaron LEDs para visualizar el comportamiento de las compuertas. Una vez construido el circuito se alimentó con el Vcc para el NOT, se generó una señal en el generador de señales y en el osciloscopio se logró medir el voltaje pico a pico y la frecuencia de señal generada. Ya realizado esto, se conectaron las compuertas AND, OR y XOR para repetir los pasos anteriores y registrar el comportamiento de las salidad de las compuertas. Los resultados de la práctica fueron los errores al comparar los valores de resistencias y capacitores, de igual forma la salida del voltaje del pull-up y pull-down y por último las diferentes corrientes o señales de los últimos dos circuitos.

A lo largo de este documento estará desarrollado el reporte continuando con la sección II que hablará de los antecedentes y la teoría que sustenta los temas de la práctica; posteriormente, la sección III contendrá la metodología utilizada para la práctica; hablando de las secciones IV y V mostrarán los resultados, el análisis de éstos y las tablas o figuras; las conclusiones serán reflejadas en la sección VI. II. ANTECEDENTES En el laboratorio, se buscaba la familiarización con varios aspectos de digitales entre ellas están las compuertas lógicas, sus características, circuitos integrados con propiedades de las compuertas,etc. El enfoque es analizar diferentes compuertas entre ellas: 1. NOT 2. OR 3. AND 4. XOR 5. NAND 6. NOR 7. FPGA 8. GAL 9. PLC Las compuertas lógicas Son circuitos que internamente están conformados por transistores que se encuentran con arreglos especiales que permiten que otorgan señales de voltaje como resultado o una salida de forma booleana. Estas son obtenidos por las operaciones lógicas binarias cómo son la suma multiplicación,etc. Estan incluyen otras funciones como son: negar, afirmar, incluir o excluir según sus propiedades lógicas. [1] Las compuertas trabajan en dos estados el 0 y el 1 y estas se les asigna a la lógica positiva o la

negativa. El estado 1 tiene el valor de 5v y el cero de 0v. [1] 1. Lógica positiva: con señal en alto se acciona y representa un 1 binario y se la señal en bajo representa un cero binario lo que lo desactiva 2. Lógica negativa: proporciona resultado inversos a los de la lógica positiva. Una señal en alto se representa con 0 binario y en bajo con 1 binario. TIPOS: 1. Compuerta AND 2. Compuert OR 3. Compuerta NOT 4. Compuerta NAND 5. Compuerta NOR 6. Compuerta XOR 7. Compuerta IF Las más básicas son la AND, OR y NOT y en la Figura 1 se muestran las tablas de verdad y sus representaciones.

Entre las compuertas se resaltan 3 por sus aplicaciones: FPGA, GAL y PLC [3] FPGAs: dispositivo muy versátil con capacidad para crear diseños digitales a la medida y eficientes. Estos tienen aplicaciones en muchas industrias como la telecomunicación, automotriz, almacenamiento de datos y computadoras. También se puede observar su uso en sectores como los militares y médicos. [3] GALs: es muy útil en la fase cuando se está realizando un prototipo de un diseño porque permite corregir fallas en la lógica a través de reprogramación. Un GAL permite implementar cualquier expresión en suma de productos con un número de variables definidas. [3] PLCs: es sistema informático de control industria que monitorea de forma constante y continua el estado de los dispositivos de entrada y toma decisiones en base a un programa personalizado para controlar el estado de los dispositivos de salida. Se puede usar para mejorar lineas de produccion, uncion de maquinarias y procesos. Su mayor ventaja está es en la capacidad de cambiar y replicar la operación o proceso mientras que la recogida y la comunicación de información vital. Otra de sus beneficios es que es modular, puede mezclar y combinar los tipos de dispositivos de entrada y salida para que se adapte mejor su aplicación. [3] También se necesita hablar del TTL que significa lógica transistor a transistor. Los elementos de entrada y salida del dispositivo son transistores bipolares

Figura 1 Tablas de verdad y representaciones en diferentes compuertas [1].

Caracteristicas: ● La tensión o voltaje de alimentación es de + 5 Voltios, con Vmin = 4.75 Voltios y ● Vmax = 5.25 Voltios. ● Su fabricación es con transistores bipolares multi emisores. ● La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor ventaja,

ciertamente esta característica le hacer aumentar su consumo. ● Su compuerta básica es la NAND. Aplicaciones ● Memorias RAM y ROM ● Microprocesadores ● PAL El rango de voltaje aceptable para un cero lógico y para un uno lógico para los circuitos digitales TTL se muestra en la Figura 2:[4]

Figura 2: Nivel de tension de TTL [4].

Las compuertas lógicas tienen varios niveles lógicos según la IEEE. Los niveles lógicos son los nombres dados a los voltajes usados para representar un 1 o un 0. El Alto puede ser un voltaje entre un mínimo y máximo específico y el bajo es cualquier voltaje entre un mínimo y máxima específico.[4] Rangos de los niveles lógicos para voltajes de un circuito digital se muestran en la Tabla 1.

'X'

unidad fuerte, valor lógico desconocido

'0'

unidad fuerte, lógica cero

'1'

unidad fuerte, lógica uno

'Z'

alta impedancia

'W'

unidad débil, valor lógico desconocido

'L'

unidad débil, lógica cero

'H'

unidad débil, lógica uno

'-'

no me importa

Ejemplos de algunos niveles de tensión de algunas tecnologías se muestran en la Figura 4:

Figura 4: Niveles de tension [4] .

Las diferentes compuertas lógicas tienen un modelo de circuitos integrados, mostrados de la Figura 5 a la 22:[5] ● NOT = 7404N

Figura 3: rangos de niveles logicos [4]. Mientras que más especificos serian los de la Tabla 2: [4]

Figura 5: Configuración del 7404[5].

Tabla 2: rangos de niveles logicos

Personaje

Valor

'U'

no inicializado

Figura 6 :  características eléctricas del 7404[5].

Figura 7: simulacion basica de NOT[5]

●

OR (2 entradas) = 7432N Figura 13: simulación básica de AND [5].

●

XOR (2 entradas)=74136N

Figura 8 Configuración del 7432[5].

Figura 9 : características eléctricas del 7432[5].

Figura 14: Configuración del 74136 [5].

Figura 15: características eléctricas del 74136 [5]. Figura 10: simulación básica de OR[5].

●

AND (2 entradas)=7408N

Figura 16: simulación básica de XOR[5].

●

NAND (2 entradas)= 74LS00 

Figura 11: Configuración del 7408[5].

 onfiguración del 74LS00[5]. Figura 17: C Figura 12 : características eléctrica s del 7408[5].

Figura 18: características eléctricas del 74LS00[5].

circuito previamente conectado. El siguiente paso consta del uso del osciloscopio, este se usa para medir el voltaje pico a pico y la frecuencia de la señal generada. De aquí se procede la captura de imagen del osciloscopio. Se procede a conectar el canal 1 del osciloscopio a la entrada de la compuerta y el canal 2 del osciloscopio a la salida. Esto se realiza para observar el comportamiento de la señal al pasar por la compuerta lógica y observar los cambios que ocurren. Para asegurar el funcionamiento de las compuertas se colocaron LEDs en las salidas y al prender se puede confirmar el funcionamiento de las compuertas. Ahora se captura una foto de la pantalla del osciloscopio para su uso en el reporte y para mayor análisis.

Figura 19: simulación básica de NAND[5].

●

NOR (2 entradas)= 7402N

Fig 23. Circuito conectado con circuitos integrados. Figura 20: Configuración del 7402[5].

Figura 21: c aracterísticas eléctricas del 7402[5].

Figura 22: s imulación básica de NOR[5].

III. METODOLOGIA La práctica se inició construyendo la compuerta NOT, mostrado en la Figura 23, a este circuito se le alimentó con voltaje típico de VCC igual a 5 volts [2]. Al finalizar este paso se procede al generador de señales, donde se configura a tener una frecuencia de 100 Hz y un voltaje mínimo de 0 V y máximo de 5 V. este se le conecta a la entrada del

Después sigue hacer esos mismos pasos para con los demás circuitos: AND, OR y XOR (compuertas de dos entradas). Las señal NOT obtenida anteriormente se usará como una de las entradas de las demás compuertas y a las 3 compuertas restantes se le repiten los pasos anteriores. Finalmente se registran los comportamientos de las salidas. Los materiales que se necesitaron fueron un protoboard, LEDs, los circuitos integrados con las compuertas NOT, AND, OR y XOR; y de equipo de laboratorio se utilizó una fuente de alimentación, un multímetro, cables de banana-caimán, cable de BNC-caimán y el osciloscopio con dos puntas. IV. RESULTADOS En esta sección se anexan las imágenes de las señales del osciloscopio. A. La primera señal registrada fue la de 100Hz en el generador de señales mostrada en la Figura 24, esta se reportó en la Figura 25 de voltaje pico a pico se registraron 9.5Vpp y la frecuencia de señal fue de 100.05 Hz en el osciloscopio.

B. Para la segunda parte, se tomó la imagen del osciloscopio con ambas señales, la señal de salida del NOT y la del generador de señales como entrada, esto se ve en la figura 26.

 eñal de 5v de compuerta OR tomada del osciloscopio. Fig 28: S Figura 24. Señal mandada del generador de señales.

 eñal de compuerta XOR tomada del osciloscopio. Fig 29: S

V. ANÁLISIS DE RESULTADOS Fig 26: s eñales del generador de señales y NOT en una pantalla.

C. Para la compuerta AND, donde se tomaron en cuenta las entradas de la señal dada por el generador de señales y la compuerta NOT, dió de salida una señal de 0V como muestra la Figura 27. D. Para la compuerta OR, donde se tomaron en cuenta las entradas de la señal dada por el generador de señales y la compuerta NOT, dió de salida una señal de 5V como muestra la Figura 28.

Las diferentes señales arrojadas por el osciloscopio nos explican el comportamiento de cada una de las compuertas. El comportamiento que debería tener la señal es la señal triangular con una cuadrada invertida, sin embargo en la Figura 26 vemos otro comportamiento de señal, ya que la señal se redondea ya que en un pequeño rango entre 0.8 y 0, el voltaje se dispara por el cambio abrupto entre 0 y 1. Por lo tanto el osciloscopio nos muestra los picos color verde de la figura. Se invierte la señal gracias a él NOT, la tabla de verdad del NOT nos dice que el comportamiento va a ser a la inversa de la entrada que nosotros arrojamos todo esto de acuerdo con la Figura 30

Figura 30 Tabla de verdad de NOT[1]. Fig 27: S  eñal de 0v de compuerta AND tomada del osciloscopio.

La señal que nos muestra el AND en la Figura 27 es una línea en cero porque el funcionamiento de esta compuerta es arrojar un 1 cuando ambas entradas sean 1 como lo muestra la Figura 31, sin embargo esto nunca va a suceder ya que nuestras entradas son dos señales una es la triangular que nos arroja el generador y la otra es la misma señal pero invertida; al estar invertida esta señal, siempre serán contrarios los valores de entrada, así que la salida siempre será 0 como lo muestra la señal. La señal que nos muestra el OR en la Figura 28 es una línea en cero porque el funcionamiento de esta compuerta es arrojar un 0 cuando ambas entradas sean 0 como lo muestra la Figura 32, sin embargo nunca va a arrojar 0 ya que nuestras entradas son dos señales una es la triangular que nos arroja el generador y la otra es la misma señal pero invertida; al estar invertida esta señal, siempre serán contrarios los valores de entrada, así que la salida siempre será 1, como lo muestra la gráfica con esos 5V Por último, la figura 29 nos muestra la señal obtenida del XOR, donde las entradas son la señal triangular del generador de señales y la señal dada por el NOT. Ambas señales nos van a dar siempre contrarias por el efecto del NOT, por lo que no habrá entradas iguales, sin embargo el comportamiento de la señal así es porque entre 0 y 0.8 hay un redondeo ya que el cambio abrupto se dispara un pico al ser 0 y luego regresar al 1. Por eso los 5V de la nada pareciera que hay picos que bajan a 0V

Figura 33. Tabla de verdad de XOR[1]

IV.CONCLUSIONES Esta práctica sirvió para comprender los niveles lógicos de voltaje y su efecto en circuito digitales. Además se aprendió cómo funcionan los circuitos integrados básicos y cómo estos al aplicarles una señal la modifican. Al analizar las modificación de las compuertas observados en el osciloscopio se puede identificar el tipo de compuerta usada. Es nos sirve mucho en caso de que queremos especializarse en el area de electronica digital. La práctica es de mucho importancia para nosotros los alumnos ya que nos ayuda a aclarar dudas que traemos de la clase. La práctica facilita el aprendizaje de la parte teórica vista en clase debido a que se pone en practica y asi podemos tener en claro el efecto que tiene una compuerta en nuestro circuito y la señal de entrada. Durante la práctica pasamos por algunos retos, entre estos retos era que la señal no se generaba correctamente debido a una mala coneccion entre el circuito y el generador de señales y el osciloscopio. Otro problema a la que nos enfrentamos fue de que en uno de los casos la señal vista en el osciloscopio no era la correcta. Desconocemos la razón de porque ocurre eso. Para resolver este problema se decidió cambiar el protoboard y realizar los pasos del experimento uno por uno y con la punta lógica asegurar que las comunicaciones estaban bien. V. REFERENCIAS

Figura 31. Tabla de verdad de AND[1].

Figura 32. Tabla de verdad de OR[1].

[1] Cristian Veloso, C. (2018, 17 mayo). Compuertas lógicas básicas y sus tablas de verdad EJEMPLOS. Recuperado 4 marzo, 2020, de https://www.electrontools.com/Home/WP/2016/05/2 7/compuertas-logicas-basicas-y-sus-tablas-de-verdad/ [2] FUTURLEC. (s.f.). 74LS04 Hex Inverter Datasheet. Obtenido de https://www.futurlec.com/74LS/74LS04.shtml [3]Proyectos de electronica. (2020, 24 febrero). Compuertas Logicas. Recuperado 26 febrero, 2020, dehttps://www.proyectoelectronico.com/compuertas-l ogicas/compuertas-logicas-and-nand.html

[4] Electrónica unicron. (2020, 25 febrero).Niveles Logicos - Electrónica Unicrom. Recuperado 26 febrero, 2020, de https://unicrom.com/niveles-logicos-alto-bajo-0-1-lo w-high/

[5] ALLDATASHEET. (s.f.). Electronic Components Datasheet Search. Recuperado 4 marzo, 2020, de https://www.alldatasheet.com...