Desarrollo de prácticas de laboratorio para Electrónica Digital con MultiSim

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Desarrollo de prácticas de laboratorio para Electrónica Digital con MultiSim.. Autor: Danni Acosta Brito.. Tutor: Dr.Juan Pablo Barrios Rodríguez. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Desarrollo de prácticas de laboratorio para Electrónica Digital con MultiSim.. Autor: Danni Acosta Brito. Email: [email protected]. Tutor: Dr.Juan Pablo Barrios Rodríguez Email: [email protected]. Santa Clara 2016 "Año 58 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “Nadie es tan sabio como se cree ni tan tonto como los demás piensan” Dulce María Martínez.

(5) ii. DEDICATORIA A mis padres, por sus enseñanzas y dedicación, por siempre transmitirme sus experiencias..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi familia que me han guiado todos estos años y gracias a ellos soy lo que soy. A mi esposa por su ayuda incondicional y mi hijo que viene en camino. A mi tutor por su tiempo dedicado y conocimientos transmitidos. A todas las personas que han contribuido cabalmente en el transcurso de mi carrera y que me han brindado todo su cariño, ayuda y confianza. A todos GRACIAS..

(7) iv. TAREAS TÉCNICAS . Análisis del desarrollo mundial del software para la simulación de circuitos electrónicos digitales en la Electrónica Digital.. . Selección del software de diseño y simulación digital para la modalidad del curso por encuentros (CPE) que garantice el dominio, por parte del estudiante, en breve intervalo de tiempo.. . Realización de simulaciones de circuitos digitales mediante el uso del simulador seleccionado.. . Desarrollo de un sistema de prácticas de laboratorio motivador y que facilite el trabajo independiente de los estudiantes del Curso por encuentros (CPE) en las asignaturas de Electrónica Digital.. . Elaboración del informe final.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. En el presente trabajo se caracteriza el estado actual de los simuladores utilizados en la Electrónica Digital, reconociéndose que el uso apropiado de la simulación, proporciona ahorro de tiempo y de recursos económicos y permite que el alumno logre adquirir conocimientos teórico-prácticos, al elegir un método de simulación adecuado para cada problema real que se le pueda presentar y que, además de aplicarlo apropiadamente, conozca y sea capaz de manejar dichas herramientas de diseño en un breve intervalo de tiempo, aspecto que para los alumnos del curso por encuentro (CPE) resulta de particular significado debido a futuros cambios en el plan de estudio en cuanto a reducción de horas presenciales y asignaturas para este. Como. resultado. fundamental. se. presentan. un. conjunto. de. ejercicios,. implementados en MultiSim, de alto nivel de aplicación práctica que motivan y favorecen el estudio independiente de los estudiantes del CPE..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .................................................................................... i DEDICATORIA .................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS .......................................................................... iii TAREAS TÉCNICAS .......................................................................... iv RESUMEN ........................................................................................... v INTRODUCCIÓN ................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.ANÁLISIS. DE. LOS. SIMULADORES. PARA. ELECTRÓNICA DIGITAL..................................................................... 5 1.1. El uso de los simuladores en la Electrónica Digital. ................................... 5. 1.2. Caracterización de los simuladores más usados en la Facultad de. Ingeniería Eléctrica (FIE). ....................................................................................... 6 1.2.1. Caracteriszación del entorno MultiSim. ...................................................... 8. 1.2.2. Caracterización del entorno Proteus. ....................................................... 9. 1.2.3. Caracterización del entorno OrCAD. ...................................................... 11. 1.2.4. Caracterización del entorno ISE Xilinx. .................................................... 12. 1.3. Selección de la herramienta de diseño y simulación a utilizar. ................ 14. CAPÍTULO 2.Características del entorno MultiSim y sus facilidades para el diseño y simulación. ............................................................... 16.

(10) vii 2.1. Principios básicos del entorno MultiSim. .................................................. 16. 2.1.1. Instalación del entorno MultiSim. ............................................................. 17. 2.2. Implementación y simulación de circuitos mediante MultiSim. ................. 21. CAPÍTULO 3.Desarrollo de prácticas de laboratorio con MultiSim. .......................................................................................................... 26 3.1. Fundamentación de los ejemplos seleccionados para las prácticas de. laboratorio. ............................................................................................................ 26 3.2 Desarrollo de los laboratorios.......................................................................... 28 3.2.1 Práctica de laboratorio 1: Contador con un detector de números primos 0-59. .............................................................................................................................. 28 3.2.2 Práctica de laboratorio 2: Frecuencímetro. .................................................. 30 3.2. 3 Práctica de laboratorio 3: Temporizador. .................................................... 32 3.2.4 Práctica de laboratorio 4: Reloj Digital. ........................................................ 34 3.2.5 Práctica de laboratorio 5: Semáforo. ............................................................ 36 3.2.6 Práctica de laboratorio 6: Semáforo diseñado a partir de una Máquina de Estados Algorítmica (ASM). .................................................................................. 38 3.3 Valoración general de los resultados. ............................................................. 39. CONCLUSIONES: ............................................................................. 41 Recomendaciones: ............................................................................ 42 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................... 43 ANEXOS ............................................................................................ 46 Anexo I Contador con detector de números impares. ........................................... 46 Anexo II Frecuencímetro. .................................................................................... 49 Anexo III Temporizador. ........................................................................................ 50.

(11) viii Anexo IV Reloj Digital. .......................................................................................... 51 Anexo V Semáforo. .............................................................................................. 52 Anexo VI Semáforo ASM. ..................................................................................... 53.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. El desarrollo de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC) han diversificado los métodos y medios del proceso enseñanza-aprendizaje, donde el profesor ha pasado a cumplir las funciones de ser el encargado de elegir, impartir y facilitar a los alumnos los materiales virtuales y fuentes en los cuales puede acceder para obtener la información necesaria de las asignaturas, siendo así, el encargado de estimular, motivar y ejemplificar a los estudiantes para descubrir los principios por sí mismo y construir sus conocimientos. A partir de los futuros cambios del Plan de Estudio para reducir el número de años tanto en el curso diurno a 4 como en el curso por encuentro a 5 años con modificaciones en las asignaturas, en la disciplina electrónica se reduce el número de asignaturas quedando en dos Electrónica Analógica, una Electrónica Digital y una de Microprocesador. Al reducirse la Electrónica Digital a una sola asignatura, y teniendo en cuenta que en los nuevos planes de estudios se proponen como objetivos formar una persona con capacidad politécnica, es decir habilidades prácticas que le permitan responder a las demandas fundamentales del país, y considerando la profundización y especialización teórica mediante el postgrado, es que en el presente trabajo de diploma se realiza un análisis y aporte metodológico al proceso. de. enseñanza-aprendizaje. de. la. asignatura. Electrónica. Digital. relacionado con el desarrollo de habilidades politécnicas, es decir, habilidades prácticas. Lo anterior conlleva a que con una sola asignatura se debe lograr mayor nivel de motivación e independencia en el trabajo de los estudiantes, siendo la propuesta.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. antes señalada una vía para lograr una práctica de laboratorio que tenga circuitos con un valor práctico ya que, aunque en la facultad se ha recibido equipamiento para desarrollar prácticas reales, no es menos cierto que faltan muchos instrumentos para hacer las prácticas, por lo tanto, a la hora de tu elegir un simulador para lograr estos objetivos de la enseñanza politécnica sería necesario utilizar el computador como elemento simulador con entornos de trabajo que tengan instrumentos muy parecidos a los reales como un osciloscopio, un analizador lógico etc. La eficiencia de los sistemas de simulación por software ha hecho que, incluso en los circuitos electrónicos reales, en los que sus bloques funcionales están implementados en chips, cada vez más pequeños y soldados en placas de circuito impreso multicapa, las técnicas de medida tradicionales ya no sean útiles. El ingeniero utiliza las técnicas de modelación y simulación para efectuar sus cálculos. Ahora, el software de medida proporciona los ensayos que permiten comprobar su funcionamiento (Vicet, 2011). Un entorno como el MultiSim permite desarrollar más eficientemente las prácticas de laboratorio relacionando lo real con lo virtual, ampliando sus conocimientos teóricos y prácticos que permite elevar la calidad de la enseñanza-aprendizaje del curso por encuentro, en el que se cuenta con una menor cantidad de horas presenciales que el curso regular diurno. Resulta necesario realizar un análisis metodológico de la planificación docente de dicho curso que permita, con la orientación efectiva de la actividad independiente, suplir el número de horas presenciales sin afectar la calidad de los objetivos previstos en el Plan de Estudio para las asignaturas de Electrónica Digital en el Curso por Encuentro(CPE). Por todo lo antes expuesto las interrogantes científicas que se plantean resolver con este trabajo son las siguientes: •. ¿Cuál es la situación actual del desarrollo de los software utilizados para la simulación de circuitos digitales?.

(14) INTRODUCCIÓN. •. 3. ¿Cuáles de ellos nos permiten una simulación con un entorno de trabajo de instrumentos virtuales cercanos a lo que se dispone en un laboratorio real de Electrónica Digital?. •. ¿Qué métodos permiten facilitar el trabajo independiente de los estudiantes del CPE en la asignatura de Electrónica Digital?. •. ¿Cómo desarrollar éstos para propiciar el desarrollo de habilidades prácticas propias de esta asignatura a partir de prácticas de laboratorio con ejemplos motivadores?. Para ello se ha propuesto como objetivo general del trabajo: Implementar un conjunto de prácticas de laboratorio para la asignatura de Electrónica Digital, que a partir de satisfacer los objetivos generales de análisis y diseño de la misma, sean además motivantes por su valor práctico y propicien el estudio independiente en los estudiantes del CPE. Y como objetivos específicos para dar cumplimiento a este objetivo general:  Caracterizar el estado actual del desarrollo mundial de lo software para la simulación de circuitos electrónicos digitales.  Identificar y argumentar el software de simulación electrónica adecuado para alcanzar el cumplimiento del objetivo general planteado.  Seleccionar y simular un conjunto de circuitos digitales de utilidad en la Electrónica mediante dicho simulador.  Desarrollar un conjunto de prácticas de laboratorio a partir de los circuitos antes seleccionados con vista a facilitar el trabajo independiente de los estudiantes en la asignatura de Electrónica Digital..

(15) INTRODUCCIÓN. 4. Organización del informe. Para cumplir los objetivos antes planteados, el trabajo se estructuró en Capitulario, Conclusiones, Recomendaciones y Referencias Bibliográficas: En el Capítulo I se hace un análisis crítico de la bibliografía consultada en lo relativo a los software de simulación de circuitos digitales identificándose el software más eficiente para la simulación de circuitos digitales en los diferentes temas de las asignaturas de Electrónica Digital. En el Capítulo II se particularizan las características del entorno MultiSim y sus facilidades para el diseño y simulación. En el capítulo III se realizó una propuesta metodológica de prácticas de laboratorio con MultiSim a partir de ejemplos seleccionados de un alto valor práctico en la Electrónica que motivan y desarrollan la actividad independiente de los estudiantes del CPE..

(16) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LOS SIMULADORES PARA ELECTRÓNICA DIGITAL. CAPÍTULO 1. ANÁLISIS. DE. LOS. SIMULADORES. 5. PARA. ELECTRÓNICA DIGITAL. 1.1 El uso de los simuladores en la Electrónica Digital. En el presente capítulo se analizan un conjunto de software profesionales capaces de realizar y simular un diseño electrónico digital que van de los que más están relacionados con la instrumentación virtual hasta aquellos software profesionales de firmas comerciales fabricantes de circuitos de alta escala de integración en los cuales se desarrolla una aplicación con una tarjeta en particular. Dicho análisis tiene como objetivo determinar cuál de estos software satisface los objetivos definidos anteriormente centrados en el desarrollo de habilidades politécnicas y la motivación por la asignatura. La simulación por computadora de los circuitos y sistemas electrónicos digitales revierte particular importancia por los resultados que la misma ofrece, los cuales son muy cercanos a los reales, tanto en los valores de entrada salida, como en los tiempos de propagación. En la actualidad del diseño electrónico digital asistido por computadora constituye el entorno de trabajo característico de todos los profesionales del perfil e indispensable herramienta de trabajo a ser explotada con eficiencia. Los simuladores de circuitos electrónicos son muy útiles para explicar el comportamiento de éstos de una forma asequible a los alumnos de ciclos formativos de la rama de Electrónica, así como en la asignatura de Tecnología para alumnos de Telecomunicaciones. El uso de la simulación por ordenador es una herramienta imprescindible hoy en día a la hora de explicar la electrónica en el.

(17) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LOS SIMULADORES PARA ELECTRÓNICA DIGITAL. 6. aula, al ser la forma más sencilla y rápida de comprobar el funcionamiento de un circuito. Además, no necesita ningún tipo de material adicional para el montaje del mismo o medida de los resultados (Veracruzana, 2012) En este capítulo se analizarán detalladamente las ventajas de usar simuladores en las enseñanzas mencionadas. Por supuesto, no se plantea aquí el uso de los simuladores como alternativa al montaje real de los circuitos, sino como una herramienta complementaria que ayuda a comprender mejor el funcionamiento de los mismos. En la actualidad se dispone de una gran cantidad de simuladores de circuitos de fácil instalación y manejo en el aula de electrónica, como pueden ser MultiSim National Instruments Corporation, Proteus Labcenter Electronics, Orcad Cadence, entre otros, variando únicamente la interfaz con el usuario y la disponibilidad de otras herramientas (para edición de placas de circuito impreso, por ejemplo). De ahí la importancia de conocer éstos (Montijano, n.d.).. 1.2 Caracterización de los simuladores más usados en la Facultad de Ingeniería Eléctrica (FIE). En la facultad de Ingeniería Eléctrica se cuentan con varios software de diseño y simulación para la Electrónica, los cuales son adoptados como medios de enseñanza en las diversas asignaturas de dicha disciplina en función de los objetivos y habilidades establecidas en el programa analítico de las mismas. En un primer acercamiento se señalan el MultiSim y el Proteus, muy relacionados ambos con la forma práctica de montar circuitos y subsistemas al estilo de un banco de trabajo (workbench) apoyados en instrumentos virtuales para el análisis de los resultados y el seguimiento de las formas de onda. Un segundo acercamiento está relacionado con herramientas profesionales más vinculadas a aplicaciones de mayor complejidad y que suelen implementarse en circuitos de alta escala de integración (analógicos o digitales) propios de.

(18) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LOS SIMULADORES PARA ELECTRÓNICA DIGITAL. 7. fabricantes, dentro de los que se pueden señalar el OrCAD de la firma Cadence, ISE Xilinx y Vivado de la firma Xilinx y el Altera Quartus de la firma Altera. En el caso de MultiSim se destaca el hecho de haberse incorporado, por la firma National Instruments, al paquete de diseño e instrumentación virtual que la misma ofrece, lo que permite una simulación hibrida entre un hardware externo y hardware interno simulado en la computadora, favoreciendo la implementación y comprobación de los circuitos reales y con un tiempo breve en la familiarización con la estrategia de diseño en general (Instruments, 2016a). En el caso de Proteus, la mayoría de las simulaciones y las descripciones de los circuitos se realizan considerando que se cuenta con la “pastilla” o circuito integrado MSI ó LSI, realizándose una simulación a partir de una interconexión de componentes tal y como se realiza físicamente y no a nivel de estructuras simbólicas, es decir, registros, compuertas, etc. Los ingenieros pueden usar MultiSim para optimizar el rendimiento de su diseño de tarjetas de circuito impreso (PCB) y reducir las iteraciones de prototipos en diferentes áreas de aplicación como diseño de circuitos analógicos, electrónica de potencia,. energía. renovable. y. simulación. completa. de. sistemas. analógicos/digitales con fácil integración de hardware (Instruments, 2016). MultiSim se combina con NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite (NI ELVIS) proporcionando un enfoque completo para la enseñanza de circuitos eléctricos y electrónicos. MultiSim es un entorno de simulación SPICE avanzado y estándar en la industria. En todo el mundo, los profesores lo usan para enseñar teoría de electrónica y los ingenieros lo usan en varias industrias para diseñar y generar prototipos de circuitos. El. entorno. de. diseño. electrónico. PROTEUS. VSM. de. LABCENTER. ELECTRONICS, ofrece la posibilidad de simular código microcontrolador de alto y bajo nivel y simultáneamente con la simulación en modo mixto de SPICE. Esto permite el diseño tanto a nivel de hardware como software y realizar la simulación en un mismo circuito en un único entorno. Para ello, se suministran tres potentes.

(19) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LOS SIMULADORES PARA ELECTRÓNICA DIGITAL. 8. subentornos como son el ISIS para el diseño gráfico, VSM(Virtual System Modelling) para la simulación y el ARES para el diseño de placas de circuito impreso (García, n.d.). 1.2.1 Caracteriszación del entorno MultiSim. MultiSim es un entorno de simulación SPICE estándar en la industria (antes conocido como Electronic Workbench). En múltiples universidades y centros politécnicos es herramienta básica de apoyo a la enseñanza de circuitos eléctricos y electrónicos y el desarrollo de experiencias a través de la aplicación práctica del diseño, generación de prototipos y pruebas de circuitos eléctricos. MultiSim es un excelente entorno para diseñar, analizar y crear circuitos electrónicos. Una potente herramienta esencial para ingenieros o técnicos electrónicos. El enfoque de diseño de MultiSim ayuda a reducir las iteraciones de prototipos y a optimizar los diseños de tarjetas de circuito impreso (PCB) al inicio del proceso (Instruments, 2016a). MultiSim es una de las herramientas más populares a nivel mundial para el diseño y simulación de circuitos eléctricos y electrónicos. Esta herramienta EDA proporciona avanzadas características que permiten ir desde la fase de diseño a la de producción utilizando una misma herramienta. Ofrece entradas esquemáticas, una amplia base de datos, simulación SPICE, entrada y simulación VHDL o Verilog, y puede manejar circuitos de radiofrecuencia, realiza postprocesado y es capaz de generar la placa PCB. Utiliza un entorno unificado para la enseñanza de electrónica de potencia, analógica y digital. Se obtienen resultados más rápido con simulación gráfica e intuitiva. Los estudiantes pueden usar diferentes análisis en MultiSim para comprender completamente el comportamiento en clases de circuitos analógicos, digitales y de potencia tanto en la universidad, como en los politécnicos. MultiSim incluye.

(20) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LOS SIMULADORES PARA ELECTRÓNICA DIGITAL. 9. análisis desde simulación básica AC y transitoria hasta simulación avanzada de ruido y barridos de parámetros (Instruments, 2015). MultiSim contiene más de 36,000 modelos de componentes validados por fabricantes de semiconductores líderes. Su extensa biblioteca de amplificadores, diodos, transistores y fuentes de alimentación en modo de conmutación; combinada con simulación avanzada permite cubrir una variedad de temas de una forma rápida (Instruments, 2016a). MultiSim se integra perfectamente con myDAQ y el NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite (NI ELVIS). Con estas plataformas de educación y de laboratorio, los estudiantes pueden comparar resultados simulados de tareas con resultados adquiridos de laboratorio en un solo entorno. 1.2.2. Caracterización del entorno Proteus.. Proteus es una herramienta software que permite la simulación de circuitos electrónicos complejos desarrollada por Labcenter Electronics. Permite diseñar el plano eléctrico del circuito que se desea realizar con componentes muy variados, desde. simples. resistencias,. hasta. algún. que. otro. microprocesador. o. microcontrolador. Sus reconocidas prestaciones lo han convertido en el más popular simulador software para microcontroladores PIC. Proteus es distribuido en España por Proteus – Hubor (Ra-Ma, 2011). Proteus es una compilación de programas de diseño y simulación electrónica que consta de los dos programas principales: Ares e ISIS, y los módulos VSM y Electra. ISIS El Programa ISIS, Intelligent Schematic Input System (Sistema de Enrutado de Esquemas Inteligente) permite diseñar el plano eléctrico del circuito que se desea realizar con componentes muy variados, desde simples resistencias, hasta alguno que otro microprocesador o microcontrolador, incluyendo fuentes de alimentación, generadores de señales y muchos otros componentes con prestaciones.

(21) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LOS SIMULADORES PARA ELECTRÓNICA DIGITAL. 10. diferentes. Los diseños realizados en ISIS pueden ser simulados en tiempo real, mediante el módulo VSM, asociado directamente con ISIS. El módulo VSM Una de las prestaciones de Proteus, integrada con ISIS, es VSM, el Virtual System Modeling (Sistema Virtual de Modelado), una extensión integrada con ISIS, con la cual se puede simular, en tiempo real, con posibilidad de más rapidez; todas las características de varias familias de microcontroladores, introduciendo por el propio diseñador el programa que controlará el microcontrolador y cada una de sus salidas, y a la vez, simulando las tareas que queramos que se lleven a cabo con el programa. Se pueden simular circuitos con microcontroladores conectados a distintos dispositivos, como motores, lcd´s, teclados en matriz, etc. Incluye, entre otras, las familias de PIC's PIC10, PIC12, PIC16, PIC18, PIC24 y dsPIC33. ISIS es el corazón del entorno integrado PROTEUS que combina un entorno de diseño potente con una enorme capacidad de controlar la apariencia final de los dibujos. ARES ARES, o Advanced Routing and Editing Software (Software de Edición y Ruteo Avanzado); es la herramienta de enrutado, ubicación y edición de componentes, que se utiliza para la fabricación de placas de circuito impreso, permitiendo editar generalmente, las capas superficial (Top Copper), y de soldadura (Bottom Copper). La forma manual se realiza ejecutando ARES directamente, y ubicando cada componente en el circuito y auxiliándose con la opción DRC, Design Rules Checker (Verificador de Reglas de Diseño). La forma automática de ARES puede trazar las pistas, si se guarda previamente el circuito en ISIS, y haciendo clic en el ícono de ARES, en el programa, compone el Netlist Método 1: (Autorouter) 1.. Poner SOLO los componentes en la board.

(22) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LOS SIMULADORES PARA ELECTRÓNICA DIGITAL. 2.. Especificar el área de la placa (con un rectángulo, tipo "BoardEdge"). 3.. Hacer clic en "Autorouter", en la barra de botones superior. 1.. Editar la estrategia de ruteo en "EditStrategies". 4.. Hacer clic en "OK". 11. Método 2: (Electra Autorouter) Utilizando el módulo Electra (Electra Auto Router), el cual, una vez colocados los componentes trazará automáticamente las pistas realizando varias pasadas para optimizar el resultado. Con Ares además se puede tener una visualización en 3D del PCB que se ha diseñado, al haber terminado de realizar la ubicación de piezas, capas y ruteo, con la herramienta "3D Visualization", en el menú Output, la cual se puede demorar, solo haciendo los trazos un período de tiempo un poco más largo que el de los componentes, los cuales se muestran al empezar la visualización en 3D (Electronics, 2016). 1.2.3. Caracterización del entorno OrCAD.. El programa SPICE, Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis, proporciona una herramienta muy útil e interesante para poder determinar el funcionamiento de circuitos eléctricos y electrónicos tanto analógicos como digitales, sin necesidad de tener que recurrir a su montaje en laboratorio. Desarrollado en la Universidad de California-Berkeley, en los años setenta, fue mejorándose hasta aparecer en 1984 el programa PSpice, versión disponible para PC. La absorción de la empresa Microsim Corporation, propietario del programa PSpice, por parte de OrCAD, ha supuesto lograr la unión en una sola aplicación de uno de los programas más potentes de simulación analógica y digital. El resultado es el programa llamado OrCAD PSpice, que permite el diseño y simulación de circuitos analógicos, digitales y mixtos..

(23) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LOS SIMULADORES PARA ELECTRÓNICA DIGITAL. 12. Las versiones modernas incluyen varias partes, cada cual con su misión específica, aunque son tres las que se considerarán imprescindibles dentro del manejo del programa: Capture, PSpice A/D y Layout. 1. Módulo Capture / Capture CIS. Es un capturador de esquemas que permite dibujar circuitos o modificar los ya creados. Además, da la posibilidad de editar componentes, seleccionar el tipo de análisis, realizar chequeos eléctricos, etc. Puede considerarse que Capture es el entorno principal de trabajo, porque desde el mismo pueden ejecutarse otros programas auxiliares para configurar señales de estímulos, módulo Editor o procesar gráficamente los resultados de la simulación, módulo PSpice. 2. Módulo PSpice A/D. Es la parte del paquete OrCAD PSpice, encargada de realizar la simulación del comportamiento del circuito para el análisis seleccionado. Cuenta con un capturador de ondas que posibilita visualizar los resultados de la simulación de un modo gráfico a través del monitor del ordenador. Posee como principal herramienta el uso de cursores que determinarán el valor exacto de las coordenadas de un punto cualquiera de la señal representada. 3. Módulo Pspice Model Editor. Es un programa que permitirá modelar cualquier elemento de una librería o incluso diseñar elementos propios a partir de sus características físicas. 4. Módulo Pspice Stimulus Editor. Permitirá generar diferentes tipos de señales, con la posibilidad de visualizarlas a la vez que se están diseñando. 5. Módulo Layout Plus. Permite el diseño PCB ayudándose de los módulos anteriores o ficheros de otros programas: creación del circuito con sus componentes, su ubicación o emplazamiento sobre la placa, la interconexión, la generación de máscaras y finalmente la documentación (Jaén, n.d.). 1.2.4. Caracterización del entorno ISE Xilinx.. Actualmente cualquier proceso de ingeniería dispone de un soporte software que asiste al ingeniero de aplicaciones o sistemas en el desarrollo de sistemas complejos. Los sistemas electrónicos reconfigurables del tipo FPGA son un buen.

(24) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LOS SIMULADORES PARA ELECTRÓNICA DIGITAL. 13. ejemplo de la complejidad que se puede alcanzar, la cual no sería abarcable sin la ayuda de un entorno con herramientas que asistan en el proceso de diseño, simulación, síntesis del resultado y configuración del hardware. Un ejemplo de un entorno de este tipo es el software de la empresa Xilinx denominado ISE (Integrated Software Environment). Este software constituye un verdadero entorno EDA (Electronic Desing Automation). Xilin fue fundado por Ross Freeman (el inventor de las Field-Programmable Gate Arrays (FPGA,)) Bernie Vonderscmitt (pionero del concepto de compañía fabless) y JimBarnett en 1984 y con base en Silicon Valley. Al año siguiente desarrollaron su primera FPGA, el modelo XC2064. Hoy en día, la base reside en San José, California, mientras que en Europa se hallan en Dublín, Irlanda y en Asia en Singapur. La herramienta Xilinx-ISE (Integrated Software Environment) es un entorno de diseño de circuito profesional que permite, entre otras funciones, la realización de esquemáticos y su posterior simulación (Magdaleno, n.d.). Xilinx desarrolla FPGAs y CPLDs que son usados en numerosas aplicaciones, como telecomunicaciones, automoción, productos de consumo, industria militar y otros campos. Las familias de dispositivos de Xilinx son: gluelogic (lógica de pegamento) (CoolRunner y CoolRunner II), bajo coste (Spartan) y alto rendimiento (Virtex). En general existen 3 grandes tipos de dispositivos electrónicos: de memoria, procesadores y de lógica. Los dispositivos de memoria almacenan información aleatoria. tales como. archivos, hojas de cálculo, etc. Los dispositivos de lógica proveen funciones específicas (comunicación entre dispositivos y el resto de funciones que un sistema debe ejecutar). A su vez, existen 2 tipos de categorías de dispositivos lógicos: los fijos y los programables. En sus inicios Xilinx se dedicó al diseño, producción y comercialización de los dispositivos de lógica programable..

(25) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LOS SIMULADORES PARA ELECTRÓNICA DIGITAL. 14. Xilinx también crea núcleos IP (IP Cores) en lenguajes HDL (Lenguajes de Descripción de Hardware) para permitir a los diseñadores reducir los tiempos de desarrollo. Estos núcleos van desde funciones simples como contadores a sistemas complejos como microcontroladores, un ejemplo de esto último es el microprocesador Microblaze. Esta práctica sirve de introducción a la descripción de sistemas mediante el lenguaje VHDL. Para ello, emplea el simulador de VHDL Modelsim que acompaña las herramientas del entorno de diseño de Xilinx. Este simulador admite el mismo conjunto de VHDL capaz de sintetizarse en los dispositivos programables Xilinx, dado que incorpora librerías específicas para estos dispositivos. ModelSim es un simulador de uso muy extendido, dado que a través de las librerías es posible un uso más general. A primera vista, resulta un programa no demasiado intuitivo, pero si se siguen los pasos apropiados, se puede realizar la simulación de forma sencilla. Esta complejidad viene dada por la posibilidad de controlar el simulador mediante comandos, y su capacidad para poder simular todo tipo de características VHDL, incluso aquellas no sintetizables; además de admitir descripciones en Verilog. Generalmente, el uso de ModelSim se realiza desde el entorno Xilinx, ya que es posible lanzar la simulación ModelSim del código VHDL que se está diseñando en Xilinx ISE de forma automática. Así, ModelSim se ejecuta automáticamente desde Xilinx ISE (Rosado, n.d.). 1.3 Selección de la herramienta de diseño y simulación a utilizar. Existen numerosos simuladores digitales los cuales se perfeccionan con el paso del tiempo y el avance de los medios de informatización, siendo utilizados como medios de enseñanza-aprendizaje. De estos simuladores se decidió seleccionar el MultiSim para su incorporación dentro de los programas de la Electrónica Digital del Curso Por Encuentro (CPE) ya que resulta:.

(26) CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE LOS SIMULADORES PARA ELECTRÓNICA DIGITAL. •. 15. Un entorno de programación gráfica de gran utilidad para mediciones, control. y diseño de sistemas electrónicos y de instrumentación virtual. •. La descripción del diseño se realiza esencialmente mediante una interfaz. gráfica para componentes representados de forma esquemática, aunque en versiones más profesionales y comerciales se permite la introducción de bloques jerárquicos descritos en HDL. •. Proporciona a ingenieros y técnicos herramientas necesarias para crear. aplicaciones que sean capaces de medir y controlar variables físicas. •. El hecho de pertenecer al paquete de diseño electrónico de National. Instruments garantiza su continuidad y mejora en el tiempo. •. MultiSim es el mejor entorno de simulación SPICE avanzado y estándar en la. industria, usado por educadores e ingenieros en todo el mundo. •. El software de simulación y diseño de circuitos de MultiSim brinda a los. ingenieros habilidades avanzadas de análisis y diseño para optimizar el rendimiento, reducir los errores de diseño y acortar el tiempo para generar prototipos. Las herramientas intuitivas resultan en iteraciones de tarjeta de circuito impreso (PCB) y significativos ahorros en costo (Instruments, 2016b)..

(27) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO MULTISIM Y SUS FACILIDADES PARA EL DISEÑO Y SIMULACIÓN. CAPÍTULO 2. Características. del. entorno. MultiSim. y. 16. sus. facilidades para el diseño y simulación.. En el presente capítulo se analizan las características del entorno de la herramienta de diseño y simulación MultiSim, así como su instalación para la versión 14.0, mostrándose su potencialidad para apoyar el proceso de enseñanzaaprendizaje de la Electrónica Digital en el desarrollo de prácticas que serán abordadas en el capítulo siguiente. 2.1 Principios básicos del entorno MultiSim. MultiSim es un entorno de simulación SPICE, estándar en la industria. Es una herramienta básica posible de utilizar en la enseñanza de circuitos para construir experiencia a través de la aplicación práctica del diseño, generación de prototipos y pruebas de circuitos eléctricos. En la actualidad MultiSim pertenece a National Instruments Circuit Design Suite, la cual contiene un conjunto de herramientas integradas EDA (Electronics Design Automation) que permiten la realización de diseño y simulación de circuitos eléctricos y electrónicos. . MultiSim: Es el programa de captura del esquemático, simulación y análisis de los circuitos electrónicos analógicos/digitales y microcontroladores.. . Ultiboard: Se utiliza para el diseño de tarjetas de circuito impreso, realiza operaciones con CAD y prepara el circuito para la fabricación. También contiene un proceso de colocación de elementos de forma automática.. . MultiSim: MCU se usa para la simulación y depuración de diseños que contienen microcontroladores (Naomi, 2014).

(28) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO MULTISIM Y SUS FACILIDADES PARA EL DISEÑO Y SIMULACIÓN. 17. El enfoque de diseño de MultiSim ayuda a reducir las iteraciones de prototipos y a optimizar los diseños de tarjetas de circuito impreso (PCB) al inicio del proceso. La última versión de MultiSim mejora la tecnología de simulación con la habilidad de analizar electrónica de potencia, analógica y digital en la educación, investigación y diseño. La funcionalidad añadida incluye nuevo análisis de parámetros, integración con nuevos objetos embebidos y diseño simplificado con plantillas definidas por el usuario. (Instruments, 2016b).. 2.1.1 Instalación del entorno MultiSim. MultiSim es un software de simulación de circuitos de muy fácil instalación ya que este usa protocolos estándar para que cualquier usuario pueda instalarlo. Solo es necesario tener la instalación del programa y proceder a instalar en el fichero (setup.exe). Al concluir la instalación procedemos a la activación del programa mediante el fichero (NI License Activator 1.1.exe) seleccionamos (Education Edition y Student Edition) y activamos el software. Requerimientos del Sistema para NI MultiSim 14.0. - SO: Windows Xp (32 y 64 bits), Vista (32 y 64 bits) y 7 o superiores (32 y 64 bits). - Microprocesador clase Pentium 4 o equivalentes. - 512 MB de memoria (256 MB mínimo). - 1.5 GB de espacio libre en disco (1 GB mínimo). - Tarjeta de gráficos en 3D Open GL recomendada (adaptador de resolución de video SVGA con resolución mínima de video de 800 x 600, 1024 x 768 o mayor). Peso del archivo: 700 MB (Instruments, 2016c)..

(29) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO MULTISIM Y SUS FACILIDADES PARA EL DISEÑO Y SIMULACIÓN. 2.1.2. 18. Inicialización del entorno MultiSim.. Después del proceso de instalación pasamos a inicializar el software, al que podemos llegar por el botón inicio mediante la siguiente dirección. (Figura 2.1). Figura 2.1 Al terminar este proceso se mostrará en pantalla una vista del simulador MultiSim. (Figura 2.2). En el que podemos apreciar las vistas de las diferentes ventanas de herramientas de trabajo del simulador..

(30) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO MULTISIM Y SUS FACILIDADES PARA EL DISEÑO Y SIMULACIÓN. 19. Figura2:2 En las figuras se muestran las distintas herramientas con que cuenta el simulador MultiSim para el diseño de circuitos. (Figura 2.3) y (Figura 2.4) (MultiSim, n.d.).. Multímetro Generador de Funciones Vatímetro Osciloscopio Osciloscopio de 4 Canales Trazador de Bode Contador de Frecuencia Generador de Palabra Convertidor Lógico Analizador Lógico Analizador IV Analizador de Distorsión Analizador de Espectro Analizador de Red Generador de Funciones Agilent.

(31) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO MULTISIM Y SUS FACILIDADES PARA EL DISEÑO Y SIMULACIÓN. 20. Multímetro Agilent Osciloscopio Agilent Osciloscopio Tektronix Punta de prueba. Mide corriente, tensión y frecuencia en cualquier punto del esquema, puede ser colocado antes de la simulación o durante la misma. Instrumentos de LabVIEW. Punta de Prueba de Corriente. Figura 2.3 Instrumentos de medición del entorno MultiSim que se pueden usar en el momento de la simulación.. Figura 2.4 Galería de componentes MultiSim equipada con más de 36,000 componentes validados por fabricantes de semiconductores líderes..

(32) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO MULTISIM Y SUS FACILIDADES PARA EL DISEÑO Y SIMULACIÓN. 21. 2.2 Implementación y simulación de circuitos mediante MultiSim. La implementación de MultiSim en la simulación de circuitos se describirá con un ejemplo de los pasos básicos de cómo trabajar con este simulador. Para seleccionar un componente se hace clic en el botón derecho del ratón sobre el sitio de trabajo del MultiSim, allí se despliega una ventana como se observa a continuación. (Figura 2.5). Figura 2.5. Esta ventana ofrece varias opciones funcionales para el circuito a estudiar tales como: colocar esquemático, gráficos, comentarios y en el caso específico componentes. Colocar esquemático: Opción que permite colocar un componente de forma rápida, crear un bus y hacer conexiones entre componentes..

(33) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO MULTISIM Y SUS FACILIDADES PARA EL DISEÑO Y SIMULACIÓN. 22. Colocar gráfico: Permite agregarle al circuito textos, líneas, multilíneas, arcos, círculos, rectángulos y gráficos. Al hacerse clic en esta opción aparecerá el cuadro, seleccionándose un componente, al dar clic en la opción grupo se verán las categorías y al lado derecho se despliegan los componentes correspondientes a la categorías seleccionada. Se hace clic en aceptar para llevar al circuito el componente elegido o se da doble clic sobre el elemento a seleccionar en la lista de componentes. Colocar comentario: Si es necesario agregar un comentario al circuito se puede realizar colocando el comentario sobre el sitio de trabajo, o sobre el componente que se desee comentar. El ícono del comentario aparecerá con una ventana en la cual se escribirán y luego desaparecerá para permitir mejor visualización del área de trabajo del MultiSim, para visualizar el comentario se debe poner el cursor sobre el ícono que queda sobre el sitio de trabajo, el cual se moverá para el lugar que se desee.(Figura 2.6). Figura 2.6 Comentario Al tener los componentes seleccionados sobre el sitio de trabajo del MultiSim, se pueden facilitar ciertas operaciones como el rotar o voltear los componentes horizontal y verticalmente, esto se puede hacer con las siguientes indicaciones. Ctrl + R: Gira los componentes 90 grados hacia la derecha. Ctrl + Shift + R: Gira los componentes 90 grados hacia la izquierda. Alt + X: Voltea la componente horizontal. Alt + Y: Voltea la componente vertical..

(34) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO MULTISIM Y SUS FACILIDADES PARA EL DISEÑO Y SIMULACIÓN. 23. Figura 2.7 Especificación de componentes. Después de tener los componentes en el sitio de trabajo se hace clic derecho sobre el elemento y se despliega una serie de ayudas que podrían ser útiles como cortar, copiar, borrar, reflejar, reemplazar componentes, cambiar color, fuente y propiedades. (Figura 2.8).

(35) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO MULTISIM Y SUS FACILIDADES PARA EL DISEÑO Y SIMULACIÓN. 24. Figura 2.8 Opciones de componentes. MultiSim también ofrece teclas rápidas (combinación de varias teclas) las cuales permiten seleccionar comandos del menú directamente. Teclas rápidas: Ctrl +N Crea un nuevo diseño del MultiSim. Ctrl +O Ofrece opción de abrir un archivo ya existente. Ctrl +S Guarda el diseño actual. Ctrl +Z Deshace una acción. Ctrl +C Copia el objeto seleccionado colocándolo en el portapapeles. Ctrl +W Abre el cuadro de selección de un componente. Ctrl +U Crea un bus. Ctrl +I Crea un conector. Ctrl +P Imprime el diseño actual. Ctrl +A Selecciona todos los componentes del diseño actual. Ctrl +F Busca componente del diseño actual. Ctrl +H Permite abrir el diseño a trabajar. Ctrl +M Propiedades de la hoja actual. Ctrl +X Corta el objeto seleccionado colocándolo en el portapapeles. Ctrl +V Pega el objeto seleccionado en el lugar requerido por el usuario. Supr Borra el elemento seleccionado..

(36) CAPÍTULO 2. CARACTERÍSTICAS DEL ENTORNO MULTISIM Y SUS FACILIDADES PARA EL DISEÑO Y SIMULACIÓN. 25. CUERPO DE UN CIRCUITO. Al tener el circuito completo se pueden observar nuevas designaciones como lo muestra la figura 2.9 tales como la etiqueta del circuito, valor del componente, símbolo del dispositivo, cable y la conexión a tierra; asignaciones que están adjuntas a los dispositivos que el usuario selecciona. En la misma figura se puede observar uno de los instrumentos de medición, en este caso, un osciloscopio (García V, n.d.).. Figura 2.9 Muestra un contador..

(37) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. CAPÍTULO 3. Desarrollo. de. prácticas. de. laboratorio. 26. con. MultiSim.. En el presente capítulo se desarrollan un conjunto de seis prácticas de laboratorio, seleccionadas a partir del valor práctico de las mismas, quedando elaboradas las guías correspondientes para el trabajo independiente de los estudiantes del CPE. En las guías se da una fundamentación teórica de los circuitos seleccionados, se muestran los resultados de las simulaciones y se proponen orientaciones para la elaboración del informe por parte de los estudiantes. 3.1 Fundamentación de los ejemplos seleccionados para las prácticas de laboratorio. En el Plan de Estudios del CPE de Telecomunicaciones y Electrónica, los sistemas digitales se abordan en dos asignaturas: Electrónica Digital I y II, tratándose los temas: 1. Introducción al Algebra de Boole. 2. Tecnologías TTL y CMOS 3. Diseño de funciones combinacionales con pequeña escala de integración (SSI). 4. Diseño de funciones combinacionales con media escala de integración (MSI). 5. Circuitos digitales de alta escala de integración (LSI) 6. Sistemas secuenciales asincrónicos con SSI 7. Sistemas secuenciales sincrónicos con SSI.

(38) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 27. 8. Diseño de sistemas secuenciales sincrónicos típicos con SSI 9. Diseño de sistemas secuenciales con MSI (registros y contadores MSI) 10. Diseño de subsistemas de media complejidad utilizando la metodología de Máquinas de Estado Algorítmico (ASM) La literatura básica para el desarrollo de estas asignaturas es el libro de texto “Digital Design Principles and Practices” de John F. Wakerly y como materiales complementarios otros textos de Morris Mano, Clive Maxfield, etc., a lo que se añade el sitio web “digital” desarrollado por el colectivo de ambas asignaturas. No obstante a ello, una revisión de los ejemplos utilizados en estos textos, los ejemplos abordados en el texto fundamental y otros, se desarrollan en torno a demostrar el principio de funcionamiento de bloques básicos de los sistemas digitales, con los que pudieran desarrollarse aplicaciones de media y alta complejidad. Dentro. de. estos. bloques. básicos. que. se. ejemplifican. se. encuentran:. comparadores, selectores, ALU, decodificadores, codificadores, multiplexores, contadores de diferentes módulos de conteo y registros de desplazamiento. No es abundante la literatura académica que tenga un abordaje de la Electrónica Digital desde una visión práctica o tecnológica, encontrándose ejemplos de circuitos de aplicación práctica en sitios de aficionados a la electrónica, manuales prácticos, etc. Es precisamente un objetivo del presente trabajo, vincular a los estudiantes del CPE en el estudio independiente de la Electrónica Digital a través de ejemplos que tengan una utilidad práctica y con ello lograr una mayor motivación hacia las asignaturas y articulación con los temas y metodologías básicos para el diseño y simulación de estos ejemplos. De las búsquedas realizadas para la realización de este trabajo de diploma, resaltan con mayor intensidad, como estos tipos de ejemplos: (http://www.slideshare.net/nestort8).

(39) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 28. 1. Diseño de un reloj digital en tiempo real. 2. Control para un semáforo de dos vías. 3. Diseño de un control para un elevador de n pisos. 4. Sistemas de medición de tiempo o frecuencia. 5. Control de nivel de líquido en un tanque. 6. Control de flujo de objetos en una estera transportadora. 7. Aplicaciones diversas de generación de conteos y desplazamientos con registros y contadores MSI. De los ejemplos antes señalados, los de control de nivel de líquido, estera transportadora y de aplicaciones generales con registros y contadores, se encuentran desarrollados como parte del sistema de conferencias y clases prácticas de las asignaturas ED I y ED II. Para el presente trabajo se han seleccionado los siguientes ejemplos: 1. Contador con un detector de números primos 0-59. 2. Frecuencímetro. 3. Temporizador. 4. Reloj Digital 5. Semáforo. 6. Semáforo ASM. Los ejemplos serán abordados en un orden de menor a mayor complejidad, dejando el ejemplo 6 para demostrar las potencialidades de la metodología de diseño ASM para la realización de circuitos secuenciales complejos. 3.2 Desarrollo de los laboratorios. 3.2.1 Práctica de laboratorio 1: Contador con un detector de números primos 0-59..

(40) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 29. Objetivo. 1. Interpretar el funcionamiento del circuito. 2. Comprobar el funcionamiento de circuitos Integrado 74163N. 3. Analizar e interpretar las conexiones de la etapa del circuito combinacional encargada de detectar números primos. 4. Utilizar la herramienta Boole-Deusto para obtener la función simplificada que determina los números primos de 0 al 59. Materiales y Métodos. 2 Display de 7 segmentos HEX. 1 NAND de 5 entradas. 2 Circuitos integrados 74163N. 1 CLOCK_VOLTAGE de onda cuadrada a 1 Hz. Fuentes VCC y conectores de GND. Herramienta para la simplificación de funcione combinacionales Boole-Deusto Utilización para el circuito detector de números impares de 7 inversores, 9 AND, 3 OR y un resistor con un led que indica cuando se encuentran números impares en el contador. Fundamentación Teórica. En el anexo I se muestra el circuito que realiza la función de Contador con un detector de números primos 0-59. En esta práctica se explica el uso de los contadores 74163N (contador binario), el cual se encuentra conectado a una serie de componentes como son fuentes de alimentación, conectores a tierras, generador de onda cuadrada y una NAND los que se encargan del funcionamiento del circuito como contador módulo 60 (0 a 59)..

(41) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 30. La otra parte del circuito se realizó mediante la herramienta Boole-Deusto para obtener la función simplificada que determina los números primos del 1 al 59 que se indican mediante un diodo led. Técnica Operatoria. 1. Compruebe el funcionamiento de la simulación. 2. Explique el funcionamiento la herramienta Boole-Deusto, utilice la misma para generar una tabla de verdad de 8 entradas y una salida, la cual se hace 1 para los números primos entre 0 y 59. 3. Diga cuál es la función del CLOCK_VOLTAGE para los contadores y qué función realiza la compuerta cuya salida está conectada a CLR de éstos. Cuestionario. 1. ¿Qué es el integrado 74163N? 2. ¿Por cuál circuito integrado puedo sustituir el 74163N? 3. ¿Qué hay que modificarle al circuito para lograr un detector de números impares que cuente 0-15? 4. ¿Cómo contar la cantidad de números primos y mostrarlas en un display?. 3.2.2 Práctica de laboratorio 2: Frecuencímetro. Objetivo. 1. Interpretar el funcionamiento del circuito. 2. Comprobar el funcionamiento de los circuitos integrados 74LS162N y 74LS194N. 3. Analizar el funcionamiento la lógica asociada a los biestables D y el interruptor de reinicio de medición. 4. Calcular la expresión del valor de frecuencia a partir del análisis temporal de las señales de frecuencia patrón y frecuencia a medir..

(42) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 31. Materiales y Métodos. 2 Display de 7 segmentos con ánodo común. 2 Conversores BCD a 7 segmentos 74LS47D. 2 Circuitos integrados 74LS194N. 2 Circuitos integrados 74LS162N. 2 AND de 2 entradas. 3 FLIP FLOP D. 3 Inversores 74AS04M. 1 interruptores SPDT Switch. Fuentes VCC y conectores de GND. 2 CLOCK_VOLTAGE de onda cuadrada a una con una frecuencia conocida (patrón) y otro con una frecuencia desconocida, la que se medirá con este circuito. Fundamentación Teórica. En el anexo II se muestra un Frecuencímetro. En esta práctica se tiene como objetivo la simulación de un circuito encargado de contar la frecuencia de un pulso mediante unos circuitos integrados 74LS162N los que se encuentran conectados en cascada y sincronizados por una onda cuadrada a frecuencia fija. La salida de conteo de los 74LS162N se conecta a las entradas de los 74LS194N, registros de desplazamiento universales que actúan como registros de carga paralelo. A éstos se conecta un subsistema con tres biestables y lógica combinacional que se encarga de identificar el momento en que la señal de frecuencia patrón es cero (momento de fin de conteo) y detener el conteo, hasta tanto no se reinicie el sistema por el interruptor..

(43) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 32. La relación entre la frecuencia a medir y la frecuencia patrón se determina por la expresión: (Fpatrón x 2 x #obtenido = Fmedir), por lo que de esta manera se puede medir una frecuencia desconocida utilizando este circuito. Técnica Operatoria. 1. Compruebe el funcionamiento de la simulación. 2. Explique el funcionamiento del interruptor SPDT. 3. Explique el funcionamiento de los conversores BCD 74LS47D. 4. Interpreta la lógica de los biestables D y lógica asociada. 5. Analice la fórmula utilizada para el cálculo final de la frecuencia a medir a partir de la representación de la forma de onda de la frecuencia patrón y la frecuencia a medir. Cuestionario. 1. ¿Qué es el integrado 74LS162N? 2. ¿Para qué se utiliza el biestable D que va conectado directamente al interruptor de inicio? 3. ¿Qué función tiene en el circuito 74LS194N? 4. ¿Explique el funcionamiento del circuito de parada y reinicio de medición? 5. ¿Por qué se utiliza la relación(Ffija x 2 x #obtenido = Fmedir )?. 3.2. 3 Práctica de laboratorio 3: Temporizador. Objetivo. 1. Interpretar el funcionamiento del circuito, a partir de conceptualizar el significado de medir el período de una señal desconocida a partir de una señal patrón. 2. Comprobar el funcionamiento de los contadores del circuito, en particular de la utilidad de las entradas EP y ET de los contadores MSI. 3. Analizar el funcionamiento de la lógica de fin de medición y reinicio de la misma asociada a los biestables D..

(44) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 33. 4. Analizar la relación entre los períodos de ambas señales y determinar la relación que permite calcular el período de la señal desconocida. Materiales y Métodos. 2 Display de 7 segmentos con ánodo común. 2 Conversores BCD a 7 segmentos 74LS47D. 2 Circuitos integrados 74LS194N. 2 Circuitos integrados 74LS162N. 1 AND de 2 entradas. 3 FLIP FLOP D. 2 Inversores 74AS04M. 1 interruptores SPDT Switch. Fuentes VCC y conectores de GND. 2 CLOCK_VOLTAGE de onda cuadrada a una con una período conocido y otro con una período de tiempo desconocida la que se medirá con este circuito. Fundamentación Teórica. En el anexo III se muestra el circuito se muestra un Temporizador. En esta práctica se tiene como objetivo la simulación de un circuito encargado de contar el tiempo mediante circuitos integrados 74LS162N, a partir de la utilidad de las entradas de habilitación de conteo EP y ET de éstos contadores. La salida de conteo de los 74LS162N se conecta a las entradas de los 74LS194N, registros de desplazamiento universales que actúan como registros de carga paralelo. A éstos se conecta un subsistema con tres biestables y lógica combinacional que se encarga de identificar el momento en que la señal de período a medir es cero (momento de fin de conteo) y detener el conteo, hasta tanto no se reinicie el sistema por el interruptor..

(45) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 34. El período de la señal a medir se calcula como: (Ppatrón ÷ 2 ÷ #obtenido = Pmedir). Técnica Operatoria. 1. Compruebe el funcionamiento de la simulación. 2. Explique el funcionamiento del biestable que se encuentra conectado al interruptor SPDT. 3. Diga cuál es la función del 74194N, particularizando en la utilidad de las entradas S1 y S0. 4. Explique el funcionamiento de los conversores BCD 74LS47D. 5. Interpreta la lógica de los biestables D y cómo esta permite medir el intervalo de tiempo de un pulso. 6. Analice la fórmula utilizada para el cálculo final de la frecuencia a medir. Cuestionario. 1. ¿Para qué se utiliza el biestable D que va conectado directamente a la compuerta AND que controla las entradas S1 y S0 de los CI 74LS194N? 2. ¿Para qué el circuito se le fija una frecuencia patrón mayor? 3. ¿Explique, basándose en los diagramas de tiempo la relación:(Ppatrón ÷ 2 ÷ #obtenido = Pmedir)?. 3.2.4 Práctica de laboratorio 4: Reloj Digital. Objetivo. 1. Analizar el funcionamiento de un subsistema digital de uso extendido como lo es un reloj digital, en tiempo real, con entradas de ajuste de segundos, minutos y hora. Materiales y Métodos. 2 Display de 7 segmentos con ánodo común. 6 Conversores BCD a 7 segmentos 74LS47D. 6 Circuitos integrados 74LS162N..

(46) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 35. 3 AND 74LS21D de 4 entrada. 3 Inversores 74LS04N. 2 interruptores SPST Switch. Fuentes VCC y conectores de GND. 1 CLOCK_VOLTAGE de onda cuadrada a 5 Hz. Fundamentación Teórica. En el anexo IV se muestra el circuito de un Reloj en tiempo real. En esta práctica se tiene como objetivo la simulación de un circuito encargado de contar el tiempo mediante circuitos integrados 74LS162N el que se encuentran conectados en cascadas y sincronizados por una onda cuadrada a frecuencia fija éstos tiene conectados 3 AND que se encargan de establecer un CLR al contador en el momento indicado para que solo cuente hasta el momento deseado, en este caso cuando el valor sea de 23:59:59. Los dos primeros 74LS162N están conectados como contadores decimales de 0 a 59 (módulo 60) para el conteo de los segundos, de la misma forma que los otros dos siguientes para el conteo de los minutos. En ambos casos, la lógica combinacional de las salidas de éstos permite la habilitación del conteo de la etapa subsiguiente, cuando el valor de conteo llega a 59. Los dos últimos 74LS162N están conectados como contadores decimales con módulo 24 (conteo de 0 a 23). Los CI 7447 se utilizan para realiza la conversión de BCD a 7 segmentos correspondientes para una visualización. Con las compuertas AND se permite modificar la modificación del conteo, tanto en los minutos como hora. Técnica Operatoria. 1. Compruebe el funcionamiento de la simulación..

(47) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 36. 2. Explique el funcionamiento de los interruptores SPST Switch de la Hora y Minutos. 3. Diga cuál es la función del CLOCK_VOLTAGE en los contadores. 4. Explique el funcionamiento de los conversores BCD 74LS47D.. Cuestionario. 1. ¿Qué es el integrado 74LS162N? 2. ¿Cómo logra que este circuito te cuente los días? 3. ¿Qué se implementó para lograr un CLR en los contadores para fijar el tiempo a contar? 4. ¿Para qué se usa el conversor BCD en la simulación? 5. ¿Si se contara con integrados 74LS163N solamente; diga qué modificaciones habría que hacerle al circuito?. 3.2.5 Práctica de laboratorio 5: Semáforo. Objetivo. 1. Analizar y simular el funcionamiento de un circuito de gran aplicación, como lo es un control semafórico para dos vías, a partir de la utilización de contadores, Materiales y Métodos. 1 Circuitos integrados 74162N. 1 Circuito integrado 74154N. Conectores VCC y GND. 4NAND de 4,3 y 2 entradas. 6 PROBE_DIG 1Inversor. 1 interruptor SPDT Switch..

(48) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 37. 1 CLOCK_VOLTAGE de onda cuadrada a 1 Hz. Fundamentación Teórica. En el anexo V se muestra el circuito de un semáforo de control de dos calles. En esta práctica se tiene como objetivo la realización de un semáforo de control de dos calles, este circuito está formado por un contador 74LS162N encargado de realizar un conteo, un decodificador de 4 a 16 74LS154N para obtener una salida activa por cada valor de conteo y una lógica combinacional específica para obtener la activación de las señales ROJO, AMARILLO y VERDE de ambas calles en la secuencia adecuada de funcionamiento. El CI 74LS162N está conectado para que funcione como contador BCD (decimal) en modo libre. El 74LS154N conectado a las salidas del 74LS162N permite dar una salida, activa en bajo de por vez, para que se pueda, utilizando una lógica combinacional adecuada, activar las diferentes señales de ambos semáforos. Técnica Operatoria. 1. Compruebe el funcionamiento de la simulación. 2. Explique el funcionamiento del interruptor SPDT Switch. 3. Diga cuál es la función del 74154N en el circuito y, a partir de ello, los tiempos en que cada señal se encuentra activa. 4. Proponga otro circuito en el cual los tiempos para cada una de las señales del semáforo sean mayores. Cuestionario. 1. ¿Qué otro integrado puedo sustituir por él 74LS162N? 2. ¿Explique la lógica del circuito y diga si el mismo puede rediseñarse para que los valores de tiempo sean programables por el diseñador?.

(49) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 38. 3.2.6 Práctica de laboratorio 6: Semáforo diseñado a partir de una Máquina de Estados Algorítmica (ASM). Objetivo. 1. Aplicar la metodología de diseño de una Máquina de Estados Algorítmica (ASM) para obtener un subsistema digital de aplicación específica pero con mayor flexibilidad en su reconfiguración. Materiales y Métodos. Fuentes de Alimentación VCC y GND. 2 FLIP FLOP JK 7476N 1 Contador 74163N 5 FLIP FLOP D 7474N. 22 AND. 1 NAND. 11 OR. 10 Inversores 7 PROBE. 1 interruptor SPDT Switch. Fundamentación Teórica. En el anexo VI se muestra el circuito de un semáforo (ASM). Los fundamentos del diseño, utilizando una Máquinas de Estados Algorítmico (ASM), son abordados en la asignatura ED II y, si el Plan de Estudio cambiase, éstos deben mantenerse, pues son el tema integrador de las asignaturas ED I y ED II, ya que permiten el diseño general de cualquier circuito secuencial sincrónico para el procesamiento de datos..

(50) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 39. En el anexo VI se muestra el ASM de un circuito para el control semafórico de dos vías, con la particularidad de que en este caso, los tiempos para el encendido de cualquiera de las luces pueden definirse en el propio ASM. El Procesador de Datos de esta máquina está formado por un contador que puede definirse de cualquier módulo de conteo y que trabaja a una frecuencia de 1 segundo, mientras que la Lógica de Control está formada por biestables D y lógica combinacional asociada que permiten controlar el flujo de la secuencia lógica de operación del control semafórico. La Lógica de Control requiere de una señal de frecuencia mayor a la del procesador de datos para tomar las muestras del mismo en intervalos menores y lograr un correcto funcionamiento del sistema. Para ello es que, a partir de una frecuencia mayor, se utilizan biestables T que permiten obtener la frecuencia menor con la que funciona el contador. Técnica Operatoria. 1. Realice la simulación del circuito y compruebe el correcto funcionamiento del mismo. Cuestionario. 1. ¿Qué sucede si la frecuencia de la Lógica de Control y del contador son iguales; compruebe realizando la simulación del mismo? 2. ¿Puede realizarse una Lógica de Control con un contador MSI; proponga una variante e impleméntela en MultiSim?. 3.3 Valoración general de los resultados. Una vez que se han diseñado y simulado los ejemplos seleccionados en los epígrafes anteriores podemos realizar una valoración general de los mismos Es evidente que, mediante el uso de la simulación, se pueden cumplimentar en un 100% algunos aspectos importantes para la motivación y el desarrollo del proceso de enseñanza-aprendizaje de las asignaturas ED I y ED II, tales como:.

(51) CAPÍTULO 3. DESARROLLO DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO CON MULTISIM. 40. • Integrar las metodologías de diseño de circuitos digitales de hasta media escala de integración MSI. • Determinar los circuito MSI que son potencialidades para el diseño de subsistemas de mayor complejidad y aplicación. • Analizar el funcionamiento de los circuitos y subsistema en función del tiempo y, por tanto, tener en cuenta los atrasos, frecuencia máxima de operación, etc. • La realimentación, característica en todos ellos, puede provocar azares estáticos y/o dinámicos, valores indefinidos en la salida etc. Lo anterior exige de diseños más exigentes e incluso de habilidades prácticas y una familiarización profunda con los dispositivos comercialmente disponibles. • El uso de los instrumentos de medición con que cuenta el simulador, son cercanos a los reales y permiten una mejor familiarización con entorno de trabajos prácticos..

(52) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 41. CONCLUSIONES:. Una vez terminado este trabajo podemos arribar a las conclusiones siguientes: . La simulación por computadoras para la Electrónica Digital, constituye un medio eficaz para lograr una consolidación efectiva de los aspectos teóricos, comprobar el funcionamiento de los dispositivos (incluso los que no se poseen físicamente), realizar diseños complejos comprobarlos y estimular el trabajo independiente y la creatividad en los estudiantes.. . Se determinó mediante el estudio realizado que el MultiSim es un sistema eficaz para la simulación de circuitos digitales, por las potencialidades que posee en cuanto a los instrumentos virtuales cercanos a los de un laboratorio para Electrónica Digital, las amplias bibliotecas de componentes digitales y el reducido tiempo de aprendizaje del mismo para diseñar y simular sistemas digitales de media complejidad, lo que facilita el proceso de enseñanzaaprendizaje en el CPE.. . Se seleccionaron un conjunto de seis prácticas de laboratorio que, además de abarcar los temas fundamentales de la Electrónica Digital, tienen un interés práctico y motivador que facilitará el trabajo independiente de los estudiantes del CPE en las asignaturas de Electrónica Digital..

(53) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 42. Recomendaciones:. . Proponer al Colectivo de Asignatura extender la investigación realizada para que todos los laboratorios de electrónica digitales queden apoyados con simulaciones realizadas en el MultiSim.. . El uso del MultiSim como un simulador para que los estudiantes del CPE se inicien en el estudio de la Electrónica Digital.. . Incorporar a los planes de estudio de las carreras de Telecomunicaciones y Electrónica el uso del simulador digital MultiSim..