Practica 1: integrados y compuertas logicas

Practica 1: Circuitos integrados, compuertas lógicas.

Juan Pablo López Guevara 20171005073

Universidad Distrital francisco José de caldas. Bogotá octubre
2020

Introducción

Es una parte fundamental en la formación del ingeniero electrónico aprender a manejar correctamente los circuitos integrados, así cómo sus hojas de datos. De ello depende la correcta ejecución y diseño de los circuitos (especialmente los circuitos usados en la lógica digital).

Los circuitos integrados, específicamente aquellos con compuertas lógicas y unidades de memoria, permiten al ingeniero llevar a cabo la construcción de circuitos lógicos, lo cual es necesario para la práctica en el mundo real de la lógica aprendida en el componente teórico.

Objetivos

Conocer y aprender a manejar los integrados más comunes en el mundo de las compuertas lógicas.

• comprobar su funcionamiento a partir de su debida hoja de datos
• hacer circuitos básicos usando las compuertas lógicas para practicar las operaciones lógicas aprendidas en clase
• familiarizarse con los simuladores

Marco teórico

vamos a adentrarnos en el mundo de los circuitos integrados, específicamente de aquellos que nos sirven para adentrarnos en el mundo de la electrónica digital.

Comenzaremos hablando de los pull-up y pull-down. Estos sirven a modo de interruptor, y nos permiten cambiar de estado lógico de una forma manual. También nos permiten comunicarnos o transmitir información digital como en el caso de un teclado. Vemos el diagrama de los pull-up y pull-down en la figura 1.

 

Figura 1. Pull-up y pull-down

 

En el caso de un pull-up, por defecto tienen una salida lógica HIGH y cuando este se activa, mandan a tierra dando una salida lógica LOW. En la figura 2 podemos ver el funcionamiento de estos. Se está usando la aplicación web tinkercad

Figura 2. Podemos ver un Pull-up (izquierda) y un pull-down (derecha)

Para entender claramente el significado de una lógica HIGH y una LOW lo explicaremos brevemente. Como veremos más adelante, un circuito digital diferencia entre dos valores de voltaje. Para que sea valido este voltaje debe estar dentro de unas regiones, las cuales se considerarán como lógica HIGH o LOW, como vemos en la figura 3. Para este ejemplo contemplamos una lógica HIGH o un uno binario entre 3 y 4 voltios. Mientras que una lógica LOW entre 0 y 1 voltios

 Figura 3. Ejemplo de posibles niveles lógicos para un circuito digital

Conociendo los circuitos integrados

Luego de hacer una breve introducción al uso de los pull-up y pull-down, veremos la gran utilidad que tienen estos para permitirnos interactuar con las compuertas lógicas de los circuitos integrados. Para esto, necesitamos conocer conceptos básicos sobre el funcionamiento de un circuito integrado.

 

Figura 4. numeración más común de los pines de un integrado

Por lo general, los pines de un circuito integrado se numeran desde la marca y el circulo a su izquierda que nos indican la ubicación del pin numero 1. Luego de ubicar el pin numero 1, proseguimos en sentido antihorario como vemos en la figura 4.

 

Materiales

Compuertas lógicas e integrados

Podemos practicar nuestra lógica usando circuitos integrados. Para ello usaremos los siguientes integrados (organizados según el tipo de lógica usan sus compuertas):

Compuerta AND:

• Cuádruple de dos entradas: 7408
• Triple de tres entradas: 7411
• Doble de dos entradas:7421

Compuerta NAND

• Cuádruple de dos entradas 7400
• triple de tres entradas 7410
• Doble de cuatro entradas: 7420

Compuerta OR

• Cuádruple de dos entradas 7432
  

Compuerta NOR

• Cuádrupe de dos entradas: 7402
• Triple NOR de tres entradas 7427

Inversor

• inversor sextuple 7404

Compuerta XOR

• Cuádruple 7486

Otros materiales:

• Fuente (baterías de 1.5 V en serie) 
• leds
• cables
• resistencias de 10K, 1K y 470 ohms
• Hojas de datos de los integrados

Hojas de datos de un circuito integrado

Para aprender a leer una hoja de datos de un circuito integrado con fines digitales, tomaremos como ejemplo el integrado 7402 (figura 5).

 

Figura 5. Características de un integrado 7402

 

Para el ejemplo tomado, vemos claramente que hay parámetros importantes a tomar en cuenta, como lo es la corriente máxima que soporta el integrado, sus niveles lógicos (voltajes) y sus tiempos de subida y bajada (importante para calcular cosas como el ciclo de trabajo).

 

Diagrama de conexiones

Figura 6. Diagrama de conexiones y tabla de funciones DM7402

Conocer la función de cada pin de un integrado es vital para su correcta manipulación. En el caso de esta familia, (como confirmaremos en ejemplos posteriores) vemos que el pin 7 es tierra y el 14 es de alimentación. Además, podemos visualizar claramente la ubicación de cada entrada y salida de las compuertas logicas.

A la derecha, en la figura 6, podemos ver el resumen de la lógica de este dispositivo (lógica NOR).

Equipos

Computador (para la simulación y la visualización de las hojas de datos, así cómo la creación del blog

Metodología

El procedimiento que utilicé en la práctica es armar un circuito sencillo que permite probar las compuertas lógicas de cada integrado, cómo el ejemplo que hizo el profesor en clase con el integrado 7400. Para ello, analicé el debido diagrama así cómo la demás información útil provista en la hoja de datos respectiva (voltajes de alimentación así cómo comportamiento lógico de las compuertas).

Análisis de resultados

Procedimiento paso a paso

Comenzamos armando los diferentes montajes similares al usado en clase, con el fin de probar la combinación conmutador (pull up y pull down), con cada integrado, usando cómo salida lógica el encendido de un led. El voltaje de las baterías se tomó en clase, siendo este entre los valores posibles de alimentación.

Integrado 7400 (cuádruple NAND de dos entradas)

Montamos el circuito visto en clase para experimentar los pull-up y pull-down en combinación con las compuertas lógicas NAND (la negación de una compuerta AND).
Del datasheet, vemos la característica típica de esta familia de integrados de tener la alimentación en la pata numero 14 y la tierra en la 7.

Explicación del funcionamiento: en las compuertas NAND se necesita un nivel lógico LOW en ambas entradas para dar una respuesta lógica HIGH, por lo que en ambos casos necesitamos un voltaje en la entrada cercano a 0V (al menos inferior a 0.8V según hoja de datos). Para esto el pull-up (interruptores 1 y 2 del conmutador azul) debe ser accionado así cómo el pull-down y así lograr esta condición.

Análisis hoja de datos

Diagrama de conexiones

Así cómo en los demás integrados, veremos que generalmente en esta familia de integrados el pin 14 es de alimentación y el 7 es tierra. A la derecha vemos el comportamiento lógico del integrado (siendo un NAND).

Parámetros de operación


De aquí podemos ver entre que valores de voltaje se trabajan los niveles lógicos, además de la corriente máxima que puede pasar por el dispositivo



Integrados 7402 7404 7408

Replicando el diseño en clase, usamos dos leds para visualmente ver una salida lógica HIGH, usamos dos pull-up y dos pull-down igual que en el ejemplo hecho en clase. Seguimos haciendo el debido análisis de las hojas de datos.

Explicación funcionamiento circuito con integrado 7402 (izquierda):  
Siendo compuertas NOR (la lógica negativa de OR), los leds solo encenderán si sus respectivos pares de pull-up (conmutadores 1 y 2, led verde)  o pull-down (conmutadores 3 y 4, led rojo) le dan ambos una respuesta lógica LOW (en esta familia de integrados es menor a 0.8V) a sus entradas del integrado respectivas. .

Explicación funcionamiento circuito con integrado 7404 (centro):  
Siendo compuertas inversoras (negación lógica), los leds solo encenderán si las compuertas lógicas del integrado en su única entrada reciben un nivel lógico LOW, para esto se necesita que su respectivo pull-up(accionado) o pull-down (desactivado) esté en la posición mostrada.

Explicación funcionamiento circuito con integrado 7408 (derecha):  
Siendo compuertas AND, para encenderse los leds se necesita que ambas de las entradas de sus respectivas compuertas lógicas estén en un nivel lógico HIGH. Para ello se necesita los conmutadores en las posiciones respectivas (los pos pull-up desactivados y los dos pull-down activados).

Integrado 7410 (triple NAND), integrado 7411 (triple AND)

Primer estado, conmutadores 1 2 3 desactivados, 4 5 6 encendidos.


Segundo estado, todos los conmutadores desactivados

Explicación funcionamiento circuito con integrado 7410 (izquierda): los colores relacionados a este integrado son el color naranja y morado. Este integrado es un triple NAND, lo que quiere decir que tiene salida lógica HIGH en cualquier situación en que al menos una de sus entradas sea una entrada lógica LOW. Para encender los leds, basta con poner un pull-up y un pull-down (ambos sin ser activados) en dos entradas de una compuerta (la tercera entrada puede ser cualquiera al ser una compuerta NAND). En el primer estado están operando todos los conmutadores para una entrada HIGH, la salida es LOW, al ser esta la condición necesaria para esto.

Explicación funcionamiento circuito con integrado 7411 (derecha)
Los colores relacionados a este integrado son el amarillo y el gris. Siendo una compuerta triple AND, se necesita una lógica HIGH en las 3 entradas para obtener una lógica HIGH, para esto usamos los conmutadores 1,2 y 3 desactivados y los 4 5 y 6 activados, así encendiendo los 2 leds rojos (primer estado).



Integrados 7420(NAND) y 7421(AND)


Vemos dos pares pull up y dos pull down por cada integrado. Se usan todas las entradas y salidas.

Vemos que en el 7420 (izquierda) se necesita al menos una entrada lógica LOW para obtener una salida HIGH

Explicación funcionamiento circuito integrado 7420 (izquierda, 2 compuertas NAND de 4 entradas):
Identificamos las 4 entradas de la primera compuerta con los cables naranja. Al ser una compuerta NAND, se necesita al menos una entrada lógica low para obtener HIGH.
Explicación funcionamiento circuito integrado 7421 (derecha, 2 compuertas AND de 4 entradas):
Identificamos las 4 entradas de la primera compuerta con los cables naranja. Al ser una compuerta AND, se necesita una entrada lógica HIGH en todas sus entradas (lo cual vemos con los conmutadores).


Integrados  7427(izquierda) y 7432(derecha)

Funcionamiento circuito con integrado 7427: Debido a ser compuertas NOR, para poder tener una respuesta lógica HIGH en la salida se necesita en todas las entradas una Lógica LOW (debido a que en un OR la única forma de obtener una salida lógica LOW es con todas sus entradas en LOW). Para lograr esto, se ponen los conmutadores en las posiciones mostradas, de tal manera que en todos los casos del conmutador rojo, las entradas al integrado 7427 son todas lógica LOW.
Funcionamiento circuito con integrado 7432: Debido a ser compuertas OR, nos basta con que haya al menos una entrada lógica HIGH para obtener una salida HIGH. Tenemos 4 leds encendidos, que significan una salida lógica HIGH en todas las salidas de este integrado.

Integrado 7486 (OR exclusivo)

Funcionamiento: Siendo compuertas (de dos entradas) OR exclusivo, la condición para que se dé una salida lógica HIGH, es que en las entradas solo haya una entrada lógica HIGH.

Conclusiones

Lo primero a concluir, es que es notable la practicidad de los circuitos integrados a la hora de funcionar cómo compuertas lógicas, en especial combinando familias de estos, ya que estos siguen un patrón en la organización de sus entradas y salidas, manejan niveles lógicos similares, y se pueden polarizar de manera similar. Esto facilita enormemente diseñar circuitos con compuertas lógicas, además de hacer más fácil crear a partir de una familia de integrados circuitos más complejos.

Algo importante a destacar es que es bueno buscar patrones en una familia de integrados, ya que por lo general en esta familia el pin 14 es de alimentación, el 7 es tierra, si son compuertas de 2 entradas se organizan las conexiones de forma similar sin importar el tipo de compuerta lógica y así cómo si son de 3 entradas o de 4. Esto hace posible esperar la organización de los pines solo sabiendo la cantidad de compuertas y de entradas por compuerta.

Otra cosa a tener en cuenta, es que es importante también revisar  la corriente máxima que soporta el integrado, ya que de no escoger bien la resistencia del led podría quemarse no solo el led sino también el integrado.