LABORATORIO NRO 2

LABORATORIO NRO. 1

SISTEMA DE SEGURIDAD DIGITAL

FASE 1:

COMPUERTAS Y FUNCIONES LÓGICAS

OBJETIVOS:

• Comprobar las tablas de verdad de puertas lógicas y sus combinaciones. 
• Conocer las principales Puertas Lógicas, su simbología y comportamiento 
• Utilizar un SIMULADOR para comprobar el comportamiento de los mismo. 

FUNDAMENTO TEÓRICO

Compuertas Lógicas
La construcción de las compuertas lógicas, está basada en componentes
discretos (Transistores, Diodos, y Resistencias), pero con la enorme ventaja de
que en un solo circuito integrado podemos encontrar 1, 2, 3 o 4 compuertas
(dependiendo de su número de entradas y propiedades).
Todos los circuitos internos de las compuertas están conectados de manera
que las entradas y salidas puedan manejar estados lógicos (1 o 0).

Tablas de verdad
Una tabla de verdad es una tabla que nos muestra la manera en que
reacciona la salida de una compuerta o circuito lógico, en función de sus
entradas. En la tabla se describen todas las posibles variables de entrada y las
consiguientes variables de salida.

Operaciones Lógicas
Las operaciones lógicas básicas son 3 OR (suma), AND (multiplicación) y NOT
(negación), Tomando como base la operación que ejecutan, se le da a cada
compuerta su nombre y símbolo en un diagrama, veamos con más detalle
cada una de ellas:

Compuertas Lógicas

Las compuertas son dispositivos que operan con aquellos estados lógicos mencionados en el punto anterior. Pueden asimilarse a una calculadora, por un lado ingresas los datos, la compuerta realiza la operación lógica correspondiente a su tipo, y finalmente, muestra el resultado en algún display.

Fig.4 Aplicación de una operación lógica

Cada compuerta lógica realiza una operación aritmética o lógica diferente, que se representa mediante un símbolo de circuito. La operación que realiza (Operación lógica) tiene correspondencia con una determinada tabla, llamada “Tabla de Verdad”. A continuación vamos a analizar las diferentes operaciones lógicas una por una comenzando por la más simple.

Compuerta negadora o NOT

Se trata de un amplificador inversor, es decir, invierte el dato de entrada y lo saca sobre una salida de baja impedancia, que admite la carga de varias compuertas en paralelo, o de un display de baja impedancia; por ejemplo si se pone su entrada a 1 (nivel alto) se obtiene una salida 0 (o nivel bajo), y viceversa. Esta compuerta dispone de una sola entrada que llamaremos A. Su operación lógica genera una salida S igual a la entrada A invertida.

Fig.5 Compuerta NOT

La tabla de verdad nos indica que la salida S siempre es el estado contrario al de la entrada A. La ecuación matemática binaria indica que la salida S es siempre igual a la entrada negada lo que se representa con la rayita sobre la A.

Compuerta AND ó “Y”

Una compuerta AND tiene dos entradas como mínimo y su operación lógica es un producto de ambas entradas. El lector no se debe confundir porque las operaciones lógicas pueden no concordar con las aritméticas, aunque en este caso particular coincidan. Su salida será alta si sus dos entradas están a nivel alto.

Fig.6 Compuerta and

El nombre aclara la función. Deben estar altos A y B para que se levante S.

Una aplicación de esta compuerta puede ser un sistema de seguridad para un balancín. Para evitar que las manos del operario estén dentro de la zona de presión, se colocan dos pulsadores que ponen un uno en cada entrada. Los pulsadores están bien separados entre si. Recién cuando el operario los pulse aparece un uno en la salida que opera el relay del motor.

Compuerta OR ó “O”

Al igual que la anterior posee dos entradas como mínimo y la operación lógica, será una suma entre ambas. Aquí podemos ver que la operación aritmética no coincide con la lógica ya que la ultima condición de la tabla de verdad es 1+1=1 y en la operación aritmética seria 1+1=2. La operación lógica O es inclusiva; es decir que la salida es alta si una sola de las entradas es alta o inclusive si ambas lo son. Es decir, basta que una de las entradas sea 1 para que su salida también lo sea. Deben ser altas A “o” B o ambas al mismo tiempo, para que la salida sea alta.

Fig.7 Compuerta “Or”

Un ejemplo de uso puede ser que se desee que un motor se opere con una pequeña llave desde una oficina, o en forma local desde al lado del motor; pero no se desea que el motor se apague, si se cierran las dos llaves. La salida debe comandar al contactor del motor y las llaves de entrada deben conectar la tensión de fuente a las entradas.

Compuerta OR-EX ó XOR ó “O exclusiva”

En nuestro caso la OR Exclusiva tiene dos entradas (pero puede tener más) y lo que hará con ellas será una suma lógica entre “A” por “B”invertida y “A”invertida por “B”. Todo un lío si consideramos su fórmula pero su tabla de verdad es muy sencilla y su descripción también, ya que la salida será alta solo si una de las entradas lo es, pero no lo es, si lo son las dos al mismo tiempo.

Fig.8 Compuerta XOR

Como ejemplo recurrimos al caso anterior pero donde deseamos que si la maquina se opera en forma local no pueda operarse también en forma remota.

Estas serían básicamente las compuertas más sencillas. Pero no son todas las que hay porque existen combinaciones de las compuertas básicas con compuertas negadoras que vamos a ver a continuación.

Compuertas lógicas combinadas

Al agregar una compuerta NOT a la salida de cada una de las compuertas anteriores los resultados de sus respectivas tablas de verdad se invierten, y dan origen a tres nuevas compuertas: NAND, NOR y NOR-EX. Veamos ahora sus características y cual es el símbolo que las representa.

La compuerta NAND responde a la inversión del producto lógico de sus entradas, en su representación simbólica se reemplaza la compuerta NOT por un círculo sobre su salida.

Fig.9 Compuerta NAND

Una compuerta NOR se obtiene conectando una NOT a la salida de una OR. El resultado que se obtiene a la salida de esta compuerta resulta de la inversión de la operación lógica “o inclusiva” es como un “no a y/o b”. Igual que antes, solo se agrega un círculo a la compuerta OR y ya se obtiene el símbolo de una NOR.

Fig.10 Compuerta NOR

La compuerta NOR-EX, es simplemente la inversión de la compuerta OR-EX, los resultados se pueden apreciar en la tabla de verdad en donde la columna S es la negación de la anterior. El símbolo que la representa se obtienen agregando un circulo a la salida de una OR-EX.

Fig.11 Compuerta NOR-EX

Las compuerta “buffer” sería una compuerta negadora detrás de otra negadora lo cual no parece tener sentido ya que la tabla de verdad seria una repetición de la entrada en la salida. Pero sin embargo existen y tienen un uso muy importante aclarado por su nombre que significa expansora o reforzadora. Se usan para alimentar a un conjunto de compuertas conectadas sobre su salida. El buffer en realidad no realiza ninguna operación lógica, su finalidad es amplificar la señal (o refrescarla para decirlo de otra manera ya que no se incrementa su amplitud sino su capacidad de hacer circular corriente. Como puede ver en la figura 12 la señal de salida es la misma que la de entrada.

Fig.12 Compuerta buffer

Hasta aquí llegó la teoría aunque dimos algunos ejemplos prácticos. Ahora nos interesa más saber como se hacen evidentes estos estados lógicos y operaciones para lograr resultados prácticos, y en qué circuitos integrados se las puede encontrar. Pero antes debemos estudiar las distintas familias de compuertas que existen en la actualidad.

Circuitos integrados y circuitos de prueba

Existen varias familias de Circuitos integrados pero el alcance de nuestro curso solo estudiaremos dos, las más comunes, que son las TTL y las CMOS: Estos Integrados los puedes caracterizar por el número que corresponde a cada familia según su composición. Por ejemplo:

• Los TTL se corresponden con la serie 5400, 7400, 74LSXX, 74HCXX, 74HCTXX etc. algunos 3000 y 9000.
• Los C-MOS y MOS se corresponde con la serie CD4000, CD4500, MC14000, 54C00 ó 74C00. ¿Cual es la diferencia entre una y otra familia? Los C-MOS, soportan en algunos casos a +15V, mientras que los TTL el pueden soportar +12V como limite extremo pero por lo común se utilizan en +5V.

Pero resulta que los circuitos C-MOS son más lentos que los TTL pero ocupan menos espacio; por eso su uso en algunos u otros equipos. De todos modos es importante buscar la hoja de datos o datasheet del integrado en cuestión, distribuido de forma gratuita por cada fabricante y disponible en Internet.

Probar una compuerta es algo simple. Por ejemplo tomemos un circuito integrado 74LS08, que es un TTL, cuádruple compuerta AND. Es importante notar el sentido en que están numeradas las patas y esto es general, para todo tipo de integrado y para todo tipo de compuerta cuadruple de dos patas lógicas de entrada.

Observaciones

• Los circuitos integrados se alimentan todos con el pin Nº 14 al positivo y el pin Nº 7 al negativo.
• Estos circuitos integrados tienen en común 4 salidas o compuertas lógicas ordenadas íntegramente.
• Todos los circuitos integrados a excepción del 7404 (inversor) tienen 2 entradas y 1 salida, el inversor tiene 1 entrada y 1 salida invertida.
• En los circuitos integrados 7408 y 7432 sin ingresar ningún dato en las entradas, las salidas las toma como encendido, las compuertas son AND y OR.

Conclusiones 

• Como conclusión podemos decir que la práctica del laboratorio ayuda a disipar muchas dudas y mejora la comprensión sobre los circuitos lógico digital, el montaje de diversos componentes ayuda a comprender su funcionamiento y agiliza su análisis en la resolución de problemas. 
• Otra conclusión que se puede dar es que los circuitos digitales abren una ventana hacia la automatización mejorando y acelerando la construcción de nuevos aparatos que día con día ayudaran al ser humano en sus tareas diarias. 
• Por último se concluye que estos circuitos pueden llegar a reemplazar cualquier actividad humana, al ser estos muy versátiles y confiables. 

Recomendaciones:

• Al momento de montar los componentes se debe estar seguro que se siguió el 
• diagrama correctamente, pues estos circuitos integrados son muy delicados y 
• pueden llegar a dañarse. 
• Por otro lado para evitar problemas se recomienda utilizar conductores en 
• buen estado y comprobar que no estén rotos internamente, para esto, solo se 
• necesita medir continuidad entre cada uno de sus extremos. 
• Por último, antes de montar el circuito lógico en físico, hacer una prueba con 
• algún software de uso electrónico y para ello se recomienda Proteus

VÍDEO DEMOSTRATIVO: