1. Tema Dado Electrónico.
2. Objetivos General.
Diseñar e implementar un circuito electrónico que permita obtener un dado digital. Específicos
Realizar un estudio previo para el diseño del circuito.
Diseñar un circuito generador de pulsos de reloj
Diseñar un circuito que incorpore el sensor de luz el cual activara la generador de pulsos.
Diseñar un contador binario de tres bits MOD 6 con secuencia aleatoria utilizando flip-flops.
Utilizar mapas de Karnaught para el diseño del contador y simplificación del
circuito.
Implementar un circuito para mostrar los valores del dado en LEDS.
Realizar el circuito en baquelita e implementar en un mueble.
3. Marco Teórico. Fotorresistencia
El LDR (Light Dependent Resistor ) o resistencia dependiente de la luz o también fotocélula,
es una resistencia que varía su resistencia en función de la luz que incide sobre su superficie. Cuanto mayor sea la intensidad de la luz que incide en la superficie del LDR menor será su resistencia y cuanto menos luz incida mayor será su resistencia.
Si medimos entre sus extremos nos encontraremos que pueden llegar a medir en la oscuridad valores cercanos al MegaOhm (1MΩ) y expuestas a la luz mediremos valores en el entorno de los 100 Ω.
Forma de conectar:
De la forma A dejará pasar mayor corriente a cuanto más luminosidad tenga, de la forma B será prácticamente conductora por completo en condiciones de oscuridad e irá reduciendo el paso de corriente a medida que aumente la luz.
Resistencia
Una resistencia también llamado resistor es un elemento que causa oposición al paso de la corriente, causando que en sus terminales aparezca una diferencia de tensión (un voltaje).
Condensadores
Un condensador es un componente eléctrico que almacena carga eléctrica, para liberarla posteriormente. También se suele llamar capacitor. En la siguiente imagen vemos varios tipos diferentes. Los condensadores o capacitores se clasifican según el dieléctrico que utilizan. Ya vimos antes los tipos. El tipo no es muy importante, aunque los más utilizados son los electrolíticos, los de papel, los de aire y los cerámicos. Los electrolíticos son condensadores que tienen
polaridad,
es
decir
tienen
positivo
y
negativo
para
su
conexión.
Transistores BJT
El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio. En ambos casos el dispositivo tiene 3 patillas y son: el emisor, la base y el colector.
Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor. El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que ti ene la flecha en el gráfico de transistor.
El transistor bipolar es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor), una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación.
Compuerta AND
La compuerta AND o Y lógica es una de las compuertas más simples dentro de l a Electrónica Digital. Su representación es la que se muestra en las siguientes figuras.
La primera es la representación de una compuerta AND de 2 entradas y la segunda de una compuerta AND de 3 entradas. La compuerta Y lógica más conocida tiene dos entradas A y B, aunque puede tener muchas más (A, B, C, etc.) y sólo tiene una salida X.
La compuerta AND de 2 entradas tiene la siguiente tabla de verdad. Se puede ver claramente que la salida X solamente es “1″ (1 lógico, nivel alto) cuando la entrada A como la entrada B están en “1″.
Compuerta NOT
En la electrónica digital, no se podrían lograr muchas cosas si no existiera la c ompuerta NOT,
también llamada compuerta inversora. El símbolo y la tabla de verdad son los siguientes:
La compuerta NOT como la compuerta AND y la compuerta OR es muy importante. Esta compuerta entrega en su salida el inverso (opuesto) de la entrada. La salida de una compuerta NOT tiene el valor inverso al de su entrada. En el caso del gráfico anterior la salida X = A. Esto significa que:
Si a la entrada tenemos un “1″ lógico a la salida hará un “0″ lógico.
Si a la entrada tenemos un “0″ lógico a la salida habrá un “1″ lógico.
Compuerta NAND o compuerta NO Y
Una compuerta (NO Y) de dos entradas, se puede implementar con la concatenación de una compuerta AND o “Y” de dos entradas y una compuerta NOT o “No” o inversora .
Como se puede ver la salida X sólo será “0″ cuando todas las entradas sean “1″.
Circuitos secuenciales
Un circuito cuya salida depende no solo de la combinación de entrada, sino también de la historia de las entradas anteriores se denomina Circuito Secuencial. Es decir aquellos circuitos en que el contenido de los elementos de memoria sólo puede cambiar en presencia
de un pulso del reloj. Entre pulso y pulso de reloj, la información de entrada puede cambiar y realizarse operaciones lógicas en el circuito combinacional, pero no hay cambio en la información contenida en las células de memoria.
FLIP FLOP J-K
El "flip-flop" J-K, es el más versátil de los flip-flops básicos. Tiene el carácter de seguimiento de entrada del flip-flop D sincronizado, pero tiene dos entradas, denominadas tradicionalmente J y K. Si J y K son diferentes, la salida Q toma el valor de J durante l a subida del siguiente pulso de sincronismo.
Estructura del Flip-Flop J-K
Abajo se tiene una versión simplificada del versátil flip-flop J-K. Nótese que las salidas se retroalimentan para habilitar las puertas NAND. Esto es lo que le proporciona la acción de permutación cuando J=K=1.
Contadores Síncronos.
En los contadores asíncronos, los contadores de rizo no pueden ser utilizados para llevar cuentas precisas, cuando necesitamos la mayor precisión posible, se deben utilizar los Contadores Síncronos o "Paralelos". A diferencia de su contraparte el contador de rizo, el contador síncrono o "Paralelo" lleva una conexión un tanto diferentes sobre los FF, esto puede aumentar su complejidad, pero es la única manera de obtener el menor retraso posible para operar de manera confiable y alcanzar mayores velocidades de conteo. En los contadores paralelos, todos los FF cambian al mismo tiempo, lo que reduce la propagación a un solo valor. La siguiente figura ilustra el circuito de un contador síncrono (Paralelo):
Temporizador 555
El temporizador IC 555 es un circuito integrado (chip) que se utiliza en la generación de pulsos y de oscilaciones. El 555 puede ser utilizado para proporcionar retardos de tiempo, como un oscilador, y como un circuito integrado flip-flop.
1 – Tierra o masa
2 – Disparo: Es en esta patilla, donde se establece el inicio del tiempo de retardo, si
el 555 es configurado como monoestable.
3 – Salida: Aquí veremos el resultado de la operación del temporizador 555, ya sea que
esté conectado como monoestable, astable u otro.
4 – Reset: Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida # 3 a
nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar que el 555 se “resetee”
5 – Control de voltaje: Cuando el temporizador 555 se utiliza en el modo de controlador
de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la práctica como Vcc1 voltio) hasta casi 0 V (en la práctica aprox. 2 Voltios).
6 – Umbral: Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para
poner la salida (Pin # 3) a nivel bajo.
7 – Descarga: Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado
por el temporizador para su funcionamiento.
8 – V+: También llamado Vcc, es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que
va de 4.5 voltios hasta 16 voltios (máximo). Hay versiones militares de este integrado que llegan hasta 18 Voltios.
Multivibrador Monoestable.
El multivibrador monostable entrega a su salida un solo pulso de un ancho establecido por el diseñador (tiempo de duración). El esquema de conexión y las formas de onda de la entrada y salida se muestran en los siguientes gráficos. Ver que el tiempo en nivel alto de la salida de multivibrador monostable depende del resistor R1 y el capacitor C1. La fórmula para calcular el tiempo de duración (tiempo que la salida esta en nivel alto) es: T = 1.1 x R1 x C1 (en segundos).
Multivibrador Astable
Este tipo de funcionamiento del temporizador 555 se caracteriza por una salida con forma de onda cuadrada (o rectangular) continua de ancho predefinido por el diseñador del circuito y que se repite en forma continua. El esquema de conexión y las formas de onda de entrada y salida del multivibrador astable se muestran en los gráficos más adelante. La señal de salida tiene un nivel alto por un tiempo T1 y en un nivel bajo un tiempo T2. Los tiempos de duración, tanto en nivel alto como en nivel bajo, dependen de los valores de las resistores: R1 y R2 y del capacitor C1.
Los diagramas anteriores muestran cómo se conecta y onda de salida del multivibrador astable con temporizador 555
Las tiempos de los estados alto y bajo de la onda de salida se muestran en las siguientes fórmulas: o
La frecuencia de oscilación de la onda de salida está dada por la fórmula: o
T1 = 0.693 x (R1+R2) x C1 (en segundos), T2 = 0.693 x R2 x C1 (en segundos)
f = 1 / [0.693 x C1 x (R1 + 2 x R2)]
El período es: T = 1/f
Hay que recordar que el período es el tiempo que dura la señal, desde un punto cualquiera en la forma de onda de la salida hasta que éste se vuelve a repetir. Ver (Tb – Ta), en el gráfico arriba a la derecha.
Decodificador
El decodificador es un dispositivo que acepta una entrada digital codificada en binario y activa una salida. Este dispositivo tiene varias salidas, y se activará aquella que establezca el código aplicado a la entrada. Con un código de n bits se pueden encontrar 2 n posibles combinaciones. Si se tienen 3 bits (3 entradas) serán posibles 2 3 = 8 combinaciones. Una combinación en particular activará sólo una salida. Por ejemplo: activar la salida Q2 hay que poner en la entrada el equivalente al número 2 en binario (10 2). En un decodificador de 2 a 4 (se tienen 2 pines o patitas de entrada y 4 pines o patitas de salida). En la entrada se pone el código en binario (00, 01, 10, 11), que hará que se active sólo una salida de las cuatro posibles. Ver en el diagrama anterior una representación de un decodificador de 2 a 4.
4. Diagrama de Bloques
SENSOR DE LUZ
TIMER
O PULSADOR
CONTADOR
DECODIFICADOR
5. Diseño Contador Diagrama de transición
Siendo tres (3) los flip-flops necesarios
111 000
101
100
010
001
011
110
LEDS
Tablas de estado presente, estado siguiente y entradas de los flip-flops j-k
Estado
Estado
presente
siguiente
Entradas
C
B
A
C
B
A
J c
K c
J b
K b
J a
K a
0
0
0
1
0
0
1
x
0
X
0
X
0
0
1
1
1
0
1
x
1
X
X
1
0
1
0
1
0
1
1
X
X
1
1
X
0
1
1
0
1
0
0
X
X
0
X
1
1
0
0
0
0
1
x
1
0
X
1
X
1
0
1
1
0
0
x
0
0
X
X
1
1
1
0
0
0
1
x
0
x
0
1
X
1
1
1
1
0
0
x
0
x
1
x
1
Simplificación
1
1
X
X
X
X
0
1
1
0
X
X
X
X
0
0
Jc
kc
0
X
X
0
X
1
0
X
1
X
X
0
X
0
1
X
JB
kB
0
1
1
1
X
X
X
X
X
X
X
x
1
1
1
1
Ja
Ka
Determinación de funciones
Jc=
+
. Kc= . Jb= + Kb= ̅
Ja= + Ka= 1
Diagrama lógico del Contador
6. Diseño del Decodificador Tabla de verdad. Nº
Y
C
B
A
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
4
0
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
6
2
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
3
3
0
1
1
1
0
0
1
0
0
1
2
4
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
5
5
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0
D1=D7 D2=D6 D3=D5 Secuencia: 4,1,6,3,2,5.
Diagrama Lógico utilizando Decoder de 3 a 8
220Ω
220Ω
A
B
U5 1
C
2 3 6 4 5 8
A
VCC
B
Y0
C
Y1 Y2
G1
Y3
~G2A
Y4
~G2B
Y5 Y6
GND
Y7
16 15 14
220Ω
220Ω
220Ω
13 12 11 10 9 7
220Ω
220Ω
7. Diseño del Timer. Timer Monoestable.
Duración que la salida está en nivel alto es: T = 1.1 x R2 x C1 (en segundos). T=1.1x 50k x 100 uf T= 5.5 segundos.
Diagrama Circuital.
Timer Astable
La forma en la que va funcionar este timer es que cuando activemos el pulsador se empiecen a generar pulsos muy rápidos y luego se vaya deteniendo, para elle se ha implementado un transistor en configuración de base constante con un condensador en paralelo entre R1 y R3.
Al momento de accionar el pulsador se cerrara el circuito y comenzara a fluir corriente a través de la base al mismo tiempo el condensador se cargar y descargar lo que producirá que los pulsos vayan disminuyendo de velocidad hasta detenerse. A continuación un grafica del osciloscopio conectada a él condensador y al Pin 2 del 555:
Línea azul =Condensador Línea roja =Pin 2 555
En esta otra se conecta el condensador (línea azul) y el pin 3 555(línea roja):
En la última grafica se puede observar claramente que mientras el condensador se descarga la salida de onda cuadrada del 555 va disminuyendo su tiempo de trabajo en nivel alto.
Circuito lógico para unir los dos timer.
Se utilizó una compuerta AND para que el reloj se detenga cuando el timer 1(pulsos 0) envía el pulso a nivel alto de 5 segundos que a través de la compuerta NOT dará un nivel bajo (0), puesto que el timer 2(pulsos1) siempre estará en nivel alto enviando pulsos. Y se implementó otra compuerta NOT para que se pueda seleccionar el modo de operación del timer ya sea mediante la fotoresistencia o mediante el pulsador cuando
Pulsos0
Pulsos 1
Modo
Reloj
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
1
1
8. Diseño de Placas. Se utilizó la herramienta Livewire y PCB Wizard Placa timer
Conmutador para Timers
Placa Contador.
Placa Decodificador.
9. Materiales y Costos.
