Universidad Nacional Experimental del Táchira. Departamento de Ingeniería Electrónica. Núcleo de Electrónica. Laboratorio de sistemas Digitales I (0223604L) Lapso Académico 2011-2
Práctica N°: 06 Circuitos Secuenciales y Monoestables. Pre – laboratorio.
Equipo N° 01 Sección 04 Angulo S, Gregory M. ________________ Dulcey S, Claudia J. _________________ Rosales Andrés _____________________ _____________________
Martes 13 de Marzo del 2012.
Información Preliminar. Contadores con Circuitos Integrados TTL Son circuitos integrados donde vienen incluidos los flip-flops conectados según el tipo de contador y las puertas. Estos contadores se pueden llamar de propósito general. El CI 74192 es un contador reversible BCD síncrono TTL, es decir, módulo-10. Tiene doble entrada de reloj, una para cuenta ascendente y una para cuenta descendente que conmutan en la transición del nivel BAJO al nivel ALTO del pulso. La entrada de borrado síncrono se activa en nivel ALTO colocándo las salidas en nivel BAJO (0000) y se inicializa en cualquier número que se cargue en las entradas de datos en forma binaria y se transfieren asíncronamente a la salida BCD (A=QA, B=QB, C=QC, D=QD). La salida de arrastre se utiliza para conectar en cascada serie varios contadores.
Figura 1: Símbolo del contador 74192
Figura 2: Conexión en cascada de dos contadores de 0 a 99
Contador Binario de 4 BITS TTL 7493. El contador 7493 utilizan 4 flip-flops JK en modo de conmutación, con entradas de reloj ÇP0 y ÇP1 en donde ÇP1 es la entrada de reloj del segundo flip-flop por lo que para formar un contador de 4 bits mod-16 hay que conectar la salida del primer flip-flop de manera externa (puente) con la entrada ÇP1, quedando P0 como la entrada de reloj del contador. También tiene dos entradas de reset (MR1 y MR2) las cuales no se deben dejar desconectadas (flotando) porque, como estas se activan en ALTA, al estar flotando toman un nivel ALTO lo que mantendría en reset al contador.
Figura 3: Contador 7493
Contador CMOS 74HC393 El CI 74HC393 es un doble contador binario de 4 bits. Esta construido a base del flip-flop T. Las entradas de reloj (1ÇP y 2ÇP) son activadas por flanco posterior, o sea, en la transicion de ALTO a BAJO del pulso de reloj. reloj. Las entradas de reset (1MR y 2 MR) del maestro maestro en el contador contador se activan en nivel ALTO, las salidas se etiquetan desde Q0 a Q3, siendo Q0 el LSB y, Q3 el MSB del número binario de 4 bits. Requiere una fuente de alimentación de 5V DC y viene en un CI DIP de14 patillas.
Figura 4: Diagrama lógico del contador CMOS 74HC393
Contador CMOS CI 74HC193 El CI 74HC193 es un contador reversible síncrono de 4 bits preinicializable como lo muestra la hoja de datos.
Figura 5: Contador CMOS 74HC193
Tiene 2 entradas de reloj (CPU y CPD), que se activan en la transición del nivel BAJO al ALTO del pulso de reloj, la entrada CPU es para la cuenta ascendente (UP) y la entrada CPD es para la cuenta descendente (D), por lo que dependiendo si el contador que se necesite se conecta al nivel alto o +5V. Los modos de operación del contador CMOS 74HC193 se muestran en la tabla de verdad 5. El modo de reset borra asíncronamente las salidas (Q0 a Q3) al binario 0000 activándose en ALTO el cual puede ser un pulso de corta duración. Las entradas de carga de datos en paralelo (D0 a D3) se utilizan para programar un número en binario desde donde se quiere que empiece a contar de nuevo al activar la entrada de carga en paralelo (P)) con un nivel BAJO y los datos son transferidos asíncronamente a las salidas (Q0 a Q3). Las salidas de arrastre TÇ5 y TÇÐ generan un pulso negativo, para la conexión en cascada de contadores, ya sea en forma ascendente o en forma descendente la cuenta de estos. El contador 74HC193 viene en un DIP de 16 patillas y opera con una tensión de alimentación de +5V DC.
Monoestable El monoestable es un circuito multivibrador que multivibrador que realiza una función secuencial consistente en que al recibir una excitación exterior, cambia de estado y se mantiene en él durante un periodo que viene determinado por una constante de tiempo. Transcurrido dicho período, la salida del monoestable vuelve a su estado original. Por tanto, tiene un estado estable (de aquí su nombre) y un estado casi estable.
Figura 1.- Circuito multivibrador monoestable
En la Figura 1 se representa el esquema de un circuito multivibrador monoestable, realizado con componentes discretos, cuyo funcionamiento es el siguiente: Al aplicar la tensión de alimentación (Vcc), los dos transistores iniciarán la conducción, ya que sus bases reciben un potencial positivo a través de las resistencias R-2 y R-3, pero como los transistores no serán exactamente idénticos, por el propio proceso de fabricación y el grado de impurezas del material semiconductor , uno conducirá antes o más rápido que el otro. Supongamos que es TR-2 el que conduce primero. El voltaje en su colector estará próximo a 0 voltios (salida Y a nivel bajo), por lo que la l a tensión aplicada a la base de TR-1 a través del divisor formado por R-3, R-5 , será insuficiente para que conduzca TR-1. En estas condiciones TR-1 permanecería bloqueado indefinidamente. Pero si ahora aplicamos un impulso de disparo de nivel alto por la entrada T, el transistor TR-1 conducirá y su tensión de colector se hará próxima a 0 V, con lo que C-1, que estaba cargado a través de R-1 y la unión base-emisor de TR-2, se descargará a través de TR-1 y R-2 aplicando un potencial negativo a la base de TR-2 que lo llevará al corte (salida Y a nivel alto) . En esta condición la tensión aplicada a la base de TR-1 es suficiente para mantenerlo en conducción aunque haya desaparecido el impulso de disparo en T. Seguidamente se inicia la carga de C-1 a través de R-2 y TR-1 hasta que la tensión en el punto de unión de C-1 y R-2 (base de TR-2) sea suficiente para que TR-2 vuelva a conducir y TR-1 quede bloqueado. La duración del periodo cuasi estable viene definido por los valores de C-1 y R-2.
Monoestables integrados Se encuentran monoestables integrados en varias familias lógicas, lógicas, tanto TTL (9601, 74121 y otros) como CMOS (4047, 4528, ...). Son circuitos que comprenden parte analógica, analógica, que es la generación del pulso, y parte digital, digital, que proporciona varias funciones lógicas entre las l as entradas y las salidas digitales. La precisión de la temporización depende de la parte analógica, que suele consistir en un generador de corriente que carga un condensador C (externo) y un comparador de tensión. tensión. Muchas veces el generador de corriente sólo es una resistencia r esistencia R (externa o interna) conectada a Vcc. La duración del pulso es función de R·C, aunque la dependencia exacta depende del modelo. Entonces, las
tolerancias de R y C aparecen directamente como errores en la duración del pulso, así como sus variaciones con la temperatura. Además es la parte más sensible al ruido. La parte digital les añade distintas prestaciones, produciendo diversos tipos de monoestables:
Restaurable o resetable: Una entrada de reset r eset permite interrumpir el pulso en cualquier momento, dejando el dispositivo preparado para un nuevo disparo. Redisparable (retriggerable): Permite reiniciar el pulso con un nuevo disparo antes de completar la temporización. Digamos que se tiene un temporizador de 4 ms, pero a los 2 ms de iniciado el pulso se realiza un nuevo disparo; la duración que se obtiene es de 2 + 4 = 6 ms. Los monoestables no redisparables sólo permiten el disparo cuando no existe ninguna temporización en curso. Es decir, en el ejemplo anterior ignoraría el segundo disparo y se obtendría un pulso de 4 ms solamente. Monoestable-Multivibrador: Son monoestables dobles (Dos, normalmente independientes) en la misma cápsula que permiten su conexión de forma que el fin del pulso generado por uno de ellos dispara al otro. Permiten el control preciso e independiente de los tiempos alto y bajo de la señal de salida. Para temporizaciones largas, se añaden contadores a un multivibrador que prolongan la duración del pulso. Por ejemplo, el ICM7242.
El uso de monoestables en circuitos digitales está fuertemente desaconsejado, desaconsejado, ya que añaden imprecisiones debidas a los componentes analógicos, mayor sensibilidad al ruido y a fuertes golpes , y aumentan el consumo en niveles altísimos y el tamaño es demasiado grande. En su lugar se utilizarán contadores digitales que generen las temporizaciones a partir de un reloj de referencia.
Otros Monoestables Además de los circuitos anteriores, existen circuitos con una parte digital muy reducida, que se pueden utilizar bien como monoestables o como multivibradores y existen tanto en tecnología bipolar como cmos. El NE555 es el paradigma de este tipo de circuitos.
Multivibrador monoestable con amplificador operacional
Figura 2.- Circuito multivibrador monoestable con amplificador operacional
El circuito de la figura 2 corresponde a un multivibrador astable ampliado con una etapa de disparo y un diodo fijador de voltaje en el condensador C1. Debe escogerse un valor de R4 mucho mayor a R1 para que, cuando el diodo D2 conduzca, sólo pase una pequeña corriente por él, permitiendo que el terminal V+ se aproxime al divisor entre R2 y R1.
Inicialmente el operacional, por sus propias imperfecciones físicas, generará aleatoriamente una pequeña diferencia entre sus terminales, la cual rápidamente se regenerará a través de la realimentación del operacional, haciendo que éste entre en saturación alcanzando un estado estable indefinidamente. Si se inyecta una señal cuadrada a la entrada del disparador, compuesto por R4, C2 y D2, se producirá un impulso negativo en el terminal no inversor. Si inicialmente el circuito se encontraba en modo de saturación positiva el pulso establecerá una diferencia entre los terminales suficiente para cambiar el modo a saturación negativa, a partir de este momento el multivibrador entra en un estado "cuasi estable". El condensador C1, fijado a la tensión del diodo D1, comenzará una descarga tratando de alcanzar el voltaje de saturación negativa, pero al superar negativamente el valor del divisor de tensión entre R1 y R2, conmutará nuevamente a saturación positiva. El condensador volverá a cargarse con una constante de tiempo C1*R3 buscando el voltaje de saturación positiva hasta encontrar el voltaje del diodo D1, permaneciendo estacionado en ese valor hasta la generación de un nuevo pulso. Es importante resaltar dos intervalos de tiempo: el tiempo de modo "cuasi estable" y el tiempo de recuperación del condensador. La generación de un nuevo pulso debe respetar la suma de estos dos intervalos, de lo contrario podría no obtenerse los resultados esperados.
Tiempo en que el circuito se encuentra "cuasi estable"
Tiempo de recuperación:
:Voltaje de alimentación del operacional menos el voltaje de Swing (Vswing aprox. 2V a 3V ) :Voltaje del diodo D1 El tiempo entre pulsos no debe ser menor a:
De esta forma se requiere que la señal de entrada posea una frecuencia menor a:
Actividad N° 01: Nombre del Circuito: “Circuito contador como divisor de frecuencia” Funcionamiento del Circuito: El circuito esta diseñado de tal forma que sea un contador ascendente de 2 a 11 (base 10), la señal de reloj es captada por el C. I. 74191 que es un contador sumador, este al recibir cada pulso del reloj le suma 1 a su estado anterior y dependiendo de lo que tengan t engan sus entradas (D0, D1, D2 y D3) muestra una salida de 4 bits, es decir, que puede contar de 0 a 15, en nuestro nuestro caso solo cuenta de 2 a 11; 11; estas salidas (Q0, Q1, Q2 y Q3) son llevadas a un multiplexor 74151 y a un sumador de 4 bits 7483, este ultimo apaga el 7 – segmentos que controla la decena cuando el contador presenta los estados no deseados (0,1,12,13,14 y 15) 15) a traves de su salida C4; y el multiplexor controla controla las entradas del sumador de 4 bits 7483 y las salidas de este van a un 7448 que indicara la visualización deseada deseada en el 7 – segmentos segmentos correspondiente a la unidad.
Función que cumple cada elemento en el circuito: Integrado 74151: tiene como entradas las salidas Q1, Q2 y Q3 del 74191 y controla, a través del 7438 7438 la visualización visualización de las unidades unidades en el display 7 - segmentos. Integrado 74191: es un contador que funciona sumando o r estando 1 a su estado anterior dependiendo de lo que tenga en su entrada PL, en nuestro caso es un sumador, por ello la entrada PL esta activa en bajo; su principal función es mostrar la cuenta ascendente correspondiente en las entradas del 7483. Integrado 7483: es un sumador de 4 bits, controla a través de sus salidas S1, S2, S3 y S4 la visualización de la unidad en el display 7 – segmentos; y a través de su salida C4 controla el encendido o apagado del display 7 – segmentos que muestra la decena. Integrado 7448: es un convertidor BCD – 7 segmentos, controla lo que se muestra en el display menos significativo.
Análisis Cuantitativo: El circuito posee un 74XX191, 74LS83, 74XX151 y un 7448; además de un arreglo de compuertas lógicas que permiten el funcionamiento deseado de la entrada PL del 74XX191.
Simulación: - Nombre del Software y versión: PROTEUS 7.7 – Modulo ISIS CAPTURE. - Pasos realizados en la simulación: Dentro del modulo grafico de PROTEUS llamado ISIS CAPTURE se encuentra el siguiente ambiente de trabajo, en la tercera barra de herramientas de arriba hacia abajo, en el segundo icono (con forma de triangulo) de izquierda a derecha se encuentran los componentes y seleccionaremos del botón “P” del apartado “DEVICES” “DEVICES” para desplegar la lista de componentes.
Componentes
Desplegar lista de componentes.
Cuando se despliega la lista de componentes “PICK DEVICES” seleccionamos la opción “TTL 74 series” y en el espacio central de la ventana nos aparecerá la descripción de los circuitos integrados de la serie 74, seleccionaremos seleccionaremos entonces el 7448, 74191 74191 y 74151, damos clic en el botón “OK” ubicado en la parte inferior de la ventana. Una vez colocados los componentes en el área de trabajo, regresamos a desplegar la lista de componentes “PICK DEVICES” y en el espacio editable “Keywords” colocamos la palabra SOURCE, la cual nos desplegara una lista en el apartado “CATEGORIES”, seguidamente seleccionaremos la opción LOGIC STATE y en la parte central de la venta nos aparecerá la descripción correspondiente al estado lógico permanente, damos click en el botón “OK” ubicado en la parte inferior de la ventana y conectamos el estado lógico a las entradas del circuito integrado alternando con un click entre estado lógico 0 (Lo) y estado estado lógico 1 (Hi). Por ultimo, en la misma ventana de “PICK DEVICES” DEVICES” seleccionaremos de la lista “CATEGORIES” la opción “OPTOELECTRONIC” de la cual seleccionaremos en la subcategoría el componente 7-segment display, y en la parte central de la venta nos aparecerá la descripción descripción correspondiente correspondiente a los tipos de displays 7 segmentos segmentos existentes, en nuestro caso, seleccionaremos el 7seg-digital, damos clic en el botón “OK” ubicado en la parte inferior de la ventana y procedemos a realizar el cableado. El circuito final se puede ver el la siguiente imagen:
Actividad N° 02: Nombre del Circuito: “Circuito Monoestable” Funcionamiento del Circuito: Al presionar el pulsador hace que entre en funcionamiento el C.I U1 el cual genera un pulso positivo en el pin 6 con el tiempo pedido, que encenderá el led D2, al terminar este pulso se genera otro por la salida negada del C.I U1 el cual activara el C.I U2 y hará que el led D1 se encienda, y al terminar este otro pulso, se genera otro el cual está conectado por donde se generó el primero y por ende se vuelve un ciclo infinito de encendido y apagado de los leds.
Análisis Cuantitativo: el circuito esta diseñado para que alterne el encendido de dos leds con una duracion de 10 segundos, los valores de capacitancia y resistencia fueron calculados de acuerdo a las especificaciones del 74121.
Simulación: siguiéndose los mismos pasos que en la simulación simulación de la actividad anterior desplegamos la lista de componentes “PICK DEVICES” seleccionamos la opción “TTL 74 series” y en el espacio central de la ventana nos aparecerá la descripción de los circuitos integrados de la serie 74, seleccionaremos seleccionaremos entonces el 7432 7432 y damos clic en el botón “OK” ubicado en la parte inferior de la ventana; luego seleccionamos resistor de 200 Ω de la lista de componentes y seguidamente LED – RED de la subcategoría “OPTOELECTRONIC”.
Actividad N° 03: Nombre del Circuito: “Circuito contra rebotes para un interruptor pulsador sin retención” Funcionamiento del Circuito: para esta actividad se usa el mismo contador de la actividad 1 solo que en vez de una entrada con señal de reloj, se usa un interruptor sin retención en la entrada CLK del 74191.
Función que cumple cada elemento en el circuito: Integrado 74151: tiene como entradas las salidas Q1, Q2 y Q3 del 74191 y controla, a través del 7438 7438 la visualización visualización de las unidades unidades en el display 7 - segmentos. Integrado 74191: es un contador que funciona sumando o restando 1 a su estado anterior dependiendo de lo que tenga en su entrada PL, en nuestro caso es un sumador, por ello la entrada PL esta activa en bajo; su principal función es mostrar la cuenta ascendente correspondiente en las entradas del 7483. Integrado 7483: es un sumador de 4 bits, controla a través de sus salidas S1, S2, S3 y S4 la visualización de la unidad en el display 7 – segmentos; y a través de su salida C4 controla el encendido o apagado del display 7 – segmentos que muestra la decena. Integrado 7448: es un convertidor BCD – 7 segmentos, controla lo que se muestra en el display menos significativo. Interruptor pulsador: envía un alto cuando se presiona y cierra el circuito, cuando esta abierto envía un bajo.
Análisis Cuantitativo: El circuito posee un 74XX191, 74LS83, 74XX151 y un 7448; además de un arreglo de compuertas lógicas que permiten el funcionamiento deseado de la entrada PL del 74XX191; un interruptor que envía pulsos a la entrada del 74191.
Conecte el circuito contra rebotes siguiente:
Para un interruptor pulsador y pruebe su funcionamiento. Proceda de la manera siguiente: Monte el circuito contra rebotes para el interruptor. Conecte la salida del circuito contra rebotes a la entrada reloj del contador. Accionando el interruptor aplique manualmente pulsos de sincronización al contador.
Explicación: En el montaje 3.a al cerrar el interruptor, interruptor, se produce un rebote rebote mecánico de sus contactos contactos que no se puede evitar y consecuentemente, estos saltos son lo que producen más de un cierre del circuito, es decir, en vez de un único pulso se genera rebote, produciendo un número indeterminado de pulsos, lo cual lo acarrea el circuito digital, En la siguiente figura, se aprecia lo expuesto.
La señal de la derecha del interruptor, muestra lo que 'realmente' presenta el pulsador (I) a su salida, se puede apreciar que en realidad, se producen una serie de picos que el sistema interpretará como otras tantas señales individuales.
En el montaje 3.b se uso un condensador y el 7404 como elementos clave para suprimir este fenómeno que afecta el correcto funcionamiento de los circuitos. Al cerrar I, el condensador C, se descargará a través de R, hasta la tensión de variación 0,9V para TTL y su salida, pasará a nivel alto (H). No obstante, cuando se abra el interruptor, el condensador se cargará de nuevo y cuando su tensión alcance los 1,7V la salida, cambiará a nivel bajo L.
Glosarios de Términos.
- Display: conjunto de de leds alargados cada cada uno de los cuales cuales se encuentra ensamblado ensamblado según el fabricante en grupos de 7 leds (display 7 segmentos), de 14 leds (display 14 segmentos) segmentos) y de 16 leds (display 1 segmentos). Sin importar el numero de leds que conforman el display se configuran de dos maneras: ando común y cátodo común. -
Estado Lógico: Lo que comúnmente en lógica es falso o verdadero, en la lógica digital lo vemos representado mediante dígitos utilizando exclusivamente los valores 0 y 1, números que de por sí no tienen un valor numérico de tipo Real, Real, sino más bien de tipo discreto, discreto, es decir , 0 y 1 representan distintos estados del objeto de estudio, determinado por cada persona a la hora de poder desarrollar un circuito digital.
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Monoestable: El monoestable es un circuito multivibrador que realiza una función secuencial consistente en que al recibir una excitación exterior, cambia de estado y se mantiene en él durante un periodo que viene determinado por una constante de tiempo. Transcurrido dicho período, la salida del monoestable vuelve a su estado original. Por tanto, tiene un estado estable (de aquí su nombre) y un estado casi estable.
Procedencia del Datasheet. National Semiconductor: http://www.datasheetcatalog.com/
Referencias Bibliográficas.
- Tutorial de PROTEUS: http://www.monografias.com/trabajos-ppt/tutorial-isis-proteus/tutorial-isis-proteus.shtml
- Circuitos integrados contadores: http://ladelec.com/teoria/electronica-digital/204-circuitos-integrados-contadores-ttl-y-cmos
- Circuitos monoestables: http://es.wikipedia.org/wiki/Monoestable
