Manual de Practicas Sistemas Digitales i

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SISTEMAS DIGITALES

Plan de Estudios de 2009

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SISTEMAS DIGITALES

Versión:

SEPTIEMBRE 2013

Autor:



Felipe de Jesús Cabrera Armas

Revisor:

(3)

Derechos Reservados Universidad Tecnológica de Campeche ©

2013.

T

ABLA DE

C

ONTENIDO 1. Introducción... 1 2. Competencia de la Asignatura...1 3. Objetivo General... 1

4. Cómo utilizar el manual de prácticas...1

5. Reporte de Prácticas del Alumno...1

6. Precauciones Generales y/o Normas de Seguridad...2

7. Documentos de referencia...2

Unidad 1. Fundamentos de circuitos lógicos...3

Práctica 1: Sistemas numéricos...3

Consejos y Recomendaciones...4

Bibliografía de Apoyo...4

Requisitos del Producto...4

Requisitos Académicos...4

Autoevaluación... 4

Práctica 2: Compuertas Lógicas...5

Unidad 2. Software de simulación...8

Práctica 3: Simulación de la punta lógica...8

(4)

Unidad 3. Circuitos Lógicos Combinacionales...10

Práctica 4: Comprobación de ecuaciones booleanas ...10

Práctica 5: Mapas de Karnaugh...13

Unidad 4. Circuitos Lógicos Secuenciales...16

Práctica 6: Contador de pulsos...16

Práctica 7: Reloj Digital...20

Unidad 5. Introducción a Dispositivos Lógicos Programables...24

Práctica 8: Programación en VHDL...24

(5)

Unidad 6. Microcontroladores...26

Práctica 9: Aplicaciones del microcontrolador’...26

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1. I

NTRODUCCIÓN

Este documento tiene como objetivo primordial ayudar al alumno de la asignatura Dispositivos Analógicos en la realización de las prácticas estipuladas en el Plan de Estudios de T.S.U. en Mecatrónica, basado en el modelo de Competencias Profesionales, del año 2009.

Por tanto es considerado un documento oficial para la realización de las prácticas, el manejo del entorno de trabajo y la utilización de los equipos del taller y/o laboratorio de acuerdo con las normas de seguridad e higiene estipuladas en el mismo.

2. C

OMPETENCIA DE LA

A

SIGNATURA

Desarrollar y conservar sistemas automatizados y de control, utilizando tecnología adecuada, de acuerdo a normas, especificaciones técnicas y de seguridad, para mejorar y mantener los procesos productivos.

3. O

BJETIVO

G

ENERAL

El alumno implementará controles automáticos mediante sistemas digitales para desarrollar y conservar procesos productivos.

4. C

ÓMO UTILIZAR EL MANUAL DE PRÁCTICAS

Para lograr el objetivo de cada una de las prácticas descritas en el presente manual, cada uno de los pasos indicados en ellas debe realizarse en el orden en que se describen, con la finalidad de alcanzar la competencia enunciada para la asignatura. Así mismo dichas prácticas deberán ser anexadas en el

portafolio de evidencias, el cuál será entregado al docente para su revisión

al término de cada unidad.

5. R

EPORTE DE

P

RÁCTICAS DEL

A

LUMNO

El reporte de prácticas deberá contener como máximo 5 cuartillas, con la siguiente estructura:

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1. Portada

a. Logotipo y nombre de la Institución b. Carrera

c. Nombre de la asignatura d. Título de la unidad

e. Nombre del Alumno f. Grado y grupo g. Nombre del Docente

2. Desarrollo de la práctica acorde en el formato establecido 3. Análisis de Resultados o Conclusiones de la práctica.

La entrega del Reporte de Prácticas será establecida por el docente con base al programa de avances temáticos F-DC-06, salvo algún imprevisto en donde pudiera modificarse la fecha establecida.

6. P

RECAUCIONES

G

ENERALES Y

/

O

N

ORMAS DE

S

EGURIDAD

Durante la estancia en el taller o laboratorio, se debe cumplir con las siguientes normas encaminadas a mantener la integridad de los equipos y materiales:

 Verifique que las acciones realizadas por Usted sean las indicadas expresamente en el enunciado que está ejecutando, en caso de no estar seguro verifique con su docente si las acciones son correctas.

 En caso de no conocer el modo de operación de algún equipo en particular, solicite asistencia al docente o al responsable del taller o laboratorio.

 Cumplir expresamente establecido con las políticas internas del uso de los laboratorios y talleres

7. D

OCUMENTOS DE REFERENCIA

1.-Sistemas digitales principios y aplicaciones: Ronald T. Pretince Hall 2.-Fundamentos de sistemas digitales: Floyd. Pretince Hall

3.-Fundamentos de diseño lógico y computadoras: Mano. Pearson 4.-Diseño digital principios y prácticas: Wakerly. Pretince Hall

5.-Microcontroladores, fundamentos principios y aplicaciones con PIC : Valdes y Pallas. Alfaomega

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6.- Electrónica Digital: Tokheim. Mc Graw Hill

U

NIDAD

1. F

UNDAMENTOS DE CIRCUITOS LÓGICOS

Práctica 1:

Sistemas numéricos

Estrategia Didáctica: Duración (Hrs): No. Máximo de Integrantes:

Método de casos 3 horas 1

Objetivo(s):

 Realizar conversiones entre los diferentes sistemas numéricos: binario, decimal, hexadecimal.

Conocimientos Previos:

 Algebra

 Uso de calculadora científica

 Sistemas binario, octal y hexadecimal

Materiales, Equipos y Herramientas:

Cantidad Descripción Especificaciones Técnicas 1 Calculadora científica

Hojas blancas tamaño carta Las necesarias

1 Lápiz

1 Lapicero

Ejercicios:

Binario Decimal Decimal Binario

0.011 62

101010101 110.625

1011110.10011 71.1875

Octal Decimal Decimal Octal

2457 77

0.21 0.234375

644.22 1111.11

Octal Binario Binario Octal

4321 10010010110

1672 10010101

725 11100001

Hexadecimal Decimal Decimal Hexadecimal

(9)

13AF 876

75C.B5 579.721

Hexadecimal Binario Binario Hexadecimal

F35 1001000111 B2 101100001100 38 101011100011 BCD Binario Binario BCD 1110010 11100000 1001001000 1100100 00110010001 0110010 Criterios de evaluación:

 Puntualidad para la entrega de los ejercicios.

 Todos los problemas deben estar resueltos.

 Anotaciones de cálculos.

 Reporte de la práctica. El cual debe cumplir con todos los puntos que indica la rúbrica de reporte de prácticas (proporcionado por el profesor).

CONSEJOS Y RECOMENDACIONES

Recordar que al momento de convertir de sistema binario, octal y hexadecimal al sistema decimal solo se sumaran los números multiplicados por su elemento base.

Al convertir de sistema decimal a binario, octal y hexadecimal se tendrá que efectuar la división del numero a convertir por la unidad base de cada sistema El BCD se divide en grupos de 4 bits iniciando desde el punto binario y se traduce a su equivalente decimal

BIBLIOGRAFÍA DE APOYO

1.- Sistemas digitales principios y aplicaciones: Ronald T. Pretince Hall 2.- Fundamentos de sistemas digitales: Floyd. Pretince Hall

REQUISITOS DEL PRODUCTO

El reporte deberá incluir:

1. La solución de los problemas realizados paso x paso.

2. Se entregará el reporte de la práctica de acuerdo al punto número 5 de este manual, anexando las recomendaciones y/o sugerencias del profesor.

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1. Realizar las conversiones de cada uno de los ejercicios al sistema indicado

AUTOEVALUACIÓN

1. Realizar las comprobaciones de los ejercicios convirtiendo los resultados obtenidos al sistema numérico inicial

Práctica 2:

Compuertas Lógicas

Estudio de casos 4 horas 1

Objetivo(s):

 Interpretar los datasheet de las diferentes compuertas lógicas

 Comprobar el funcionamiento de las compuertas lógicas AND,OR,NOT,NAND,NOR,XOR Conocimientos Previos:  Electricidad básica  Sistema Binario  Uso de protoboard  Multímetro

Cantidad Descripción Especificaciones Técnicas

1 Fuente de 5V 1 Multímetro 1 Protoboard 1 Cable UTP 1 Minidip switch 1 Compuerta AND 7408 1 Compuerta OR 7432 1 Compuerta NOT 7404 1 Compuerta NAND 7400 1 Compuerta NOR 7402 1 Compuerta XOR 7486 Diagramas:

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Medidas de Seguridad:

 Mantener libre de objetos ajenos a la práctica el área de trabajo (mochilas, alimentos, etc.)

 El alumno debe mantener aislado cualquier parte de su cuerpo, para evitar una descarga eléctrica.

 Antes de alimentar cualquier circuito se debe revisar que está correctamente conectada la fuente de corriente eléctrica.

 Todo conductor que se utilizara en la práctica debe estar en buenas condiciones.

Criterios de evaluación:

 Puntualidad del equipo a la práctica del laboratorio.

 Presentar el material completo.

 Buena presentación en las conexiones de la práctica.

 Anotación de cálculos, mediciones, etc.

 Obtención de los requisitos.

CONSEJOS Y RECOMENDACIONES

Si se trabajara con fuentes de alimentación verificar que la perilla de corriente no esté al máximo para evitar que se quemen las compuertas.

Al verificar la salida de las compuertas se puede sustituir el uso del Multímetro con un led y su respectiva resistencia

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TABLAS DE VERDAD:

BIBLIOGRAFÍA DE APOYO

3.-Diseño digital principios y prácticas: Wakerly. Pretince Hall

REQUISITOS DEL PRODUCTO

1. La comprobación de cada una de las compuertas en base a su tabla de verdad.

2. Evidencia de la práctica realizada según sea el caso con fotografías que se anexaran al reporte.

REQUISITOS ACADÉMICOS

1. Montar las 6 compuertas en el protoboard y comprobar la tabla de verdad de cada una de ellas.

AUTOEVALUACIÓN

1. ¿Cómo evitar que se queme una compuerta?

2. ¿Cuál es la mejor forma de comprobar que una compuerta aun funciona correctamente?

(13)

3. ¿Cuál es el límite de voltaje de alimentación de las compuertas?

U

NIDAD

2. S

OFTWARE DE SIMULACIÓN

Práctica 3:

Simulación de la punta lógica

Objetivo(s):

 Manipular e implementar instrumentos virtuales

 Construir circuitos digitales básicos en el software y verificar su funcionamiento

 Conocimiento de equipos de medición electrónicos

 Sistema binario

 Compuertas Lógicas

1 Computadora

1 Display 7 segmentos Anodo comun

1 Compuerta NOT 74LS04

5 Resistencias 220Ω o 330Ω

1 Resistencia 1KΩ,10KΩ,470Ω

1 Software de simulación “LIVEWIRE”

1 Software de diseño de placas “PCB WIZARD”

Diagramas:

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CONSEJOS Y RECOMENDACIONES

Al momento de conectar los componentes siempre revisar el modelo que se estará usando, si se selecciona un modelo diferente los resultados podrían ser erróneos

La punta lógica debe distinguir tres condiciones o estados diferentes, alto o “1”, Bajo o “0” y pulsos y/o secuencias

BIBLIOGRAFÍA DE APOYO

1. Tutorial de LIVEWIRE y PCB WIZARD

REQUISITOS DEL PRODUCTO

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2. Evidencia del diseño de la placa

REQUISITOS ACADÉMICOS

1. Crear el circuito mostrado utilizando el software livewire y comprobar su funcionamiento

2. Realizar el diseño del circuito impreso en el software pcb wizard

AUTOEVALUACIÓN

1. ¿En qué carpeta podemos encontrar las compuertas lógicas?

2. ¿En la carpeta de conectores que tipo de componentes podemos encontrar?

3. ¿Al momento de realizar la placa como podemos nosotros escoger el acomodo de los componentes?

4. ¿De qué manera se pueden cambiar el tamaño de grosor de las pistas? 5. ¿En qué ventana se puede obtener solo el diagrama del circuito impreso

sin sus componentes?

U

NIDAD

3. C

IRCUITOS

L

ÓGICOS

C

OMBINACIONALES

Práctica 4: Comprobación de ecuaciones booleanas

Objetivo(s):

 Construir circuitos lógicos combinacionales para realizar aplicaciones especificas definidas por una tabla de verdad

 Realizar la comprobación de las tablas de verdad

 Sistema binario

 Compuertas

 Conexión de circuitos

 Uso del Multímetro

 Uso del protoboard

(16)

Cantidad Descripción Especificaciones Técnicas 1 Fuente de 5V 1 Multímetro 1 Protoboard 1 Cable UTP 1 Minidip switch 1 Compuerta AND 7408 1 Compuerta OR 7432 1 Compuerta NOT 7404 1 Compuerta NAND 7400 1 Compuerta NOR 7402 1 Compuerta XOR 7486 1 LED 1 Resistencia 330Ω Ejercicios ECUACION 1 Y=

(

(A+B)´(C)

)

´+

(

(CD)(B)

)

ECUACION 2 Y=

(

(A+D)(B+C)

)

´+ (B D´)+ (A´C)

)

´ Medidas de Seguridad:

(17)

Antes de realizar las conexiones en el protoboard dibujar el circuito respectivo de cada ecuación para poder observar mejor como se realizaran las conexiones.

Procurar no usar cables largos al momento de las conexiones para evitar problemas de falso o cortos circuitos.

Tener a la mano los datasheets de las diferentes compuertas empleadas

BIBLIOGRAFÍA DE APOYO

REQUISITOS DEL PRODUCTO

1. Las simulaciones de los circuitos

2. Las comprobaciones de las tablas de verdad realizadas en el protoboard para cada una de las ecuaciones.

3. Evidencia de la práctica realizada según sea el caso con fotos y/o videos que se anexaran al reporte.

REQUISITOS ACADÉMICOS

1. Obtener la tabla de verdad para cada ecuación así como sus diagramas de conexión

2. Simular los circuitos obtenidos

3. Montar en protoboard los diagramas obtenidos para cada ecuación

4. Comprobar las tablas de verdad de ambas ecuaciones mediante el uso del Multímetro y/o un led

AUTOEVALUACIÓN

1. ¿Cómo es el arreglo de la compuerta NAND utilizando las compuertas básicas?

2. ¿Cómo es el arreglo de la compuerta NOR utilizando las compuertas básicas?

(18)

3. ¿Cuál es la mejor manera para simplificar las conexiones?

Práctica 5:

Mapas de Karnaugh Estrategia

Didáctica: Duración (Hrs): No. Máximo deIntegrantes:

Objetivo(s):

 Construir circuitos lógicos combinacionales para realizar aplicaciones especificas definidas por una tabla de verdad

 Realizar la reducción de la tabla de verdad mediante el uso de mapas de Karnaugh

 Sistema Binario

(19)

 Conexión de circuitos

 Uso del Multímetro

 Uso del protoboard

1 Fuente de 5V 1 Multímetro 1 Protoboard 1 Cable UTP 1 Minidip switch 1 Compuerta AND 7408 1 Compuerta OR 7432 1 Compuerta NOT 7404 1 Compuerta NAND 7400 1 Compuerta NOR 7402 1 Compuerta XOR 7486 1 LED 1 Resistencia 330Ω Ejercicio:

“Un campesino con un ganso, un lobo y una cesta con maíz intentan cruzar un rio en una canoa, el problema es que en la canoa solo hay espacio para el campesino y un acompañante. ¿Cómo hará el campesino para cruzar el rio, sin

que el lobo se coma al ganso y el ganso se coma al maíz?

(20)

Para resolver el ejercicio se deberá asignar una combinación lógica (00,01,10,11) a cada variable.

Antes de realizar las conexiones en el protoboard dibujar el circuito respectivo de cada ecuación para poder observar mejor como se realizaran las conexiones.

Procurar no usar cables largos al momento de las conexiones para evitar problemas de falso o cortos circuitos.

Tener a la mano los datasheets de las diferentes compuertas empleadas

BIBLIOGRAFÍA DE APOYO

REQUISITOS DEL PRODUCTO

1. La resolución correcta del problema 2. La simulación del circuito

3. Las comprobaciones de las tabla de verdad realizadas en el protoboard 4. Evidencia de la práctica realizada según sea el caso con fotos y/o videos

que se anexaran al reporte.

REQUISITOS ACADÉMICOS

1. Resolver el problema mediante la combinación de estados lógicos

2. Obtener la tabla de verdad para la solución del ejercicio así como su diagrama de conexión

3. Simular el circuito obtenido

4. Montar en protoboard el diagrama obtenido

5. Comprobar la tabla de verdad mediante el uso del Multímetro y/o un led

AUTOEVALUACIÓN

Proponer otra posible solución al problema y obtener los datos lógicos necesarios para su comprobación

(21)

U

NIDAD

4. C

IRCUITOS

L

ÓGICOS

S

ECUENCIALES

Práctica 6:

Contador de pulsos

Objetivo(s):

(22)

 Realizar un contador de 0 a 9 segundos Conocimientos Previos:  Circuitos resistivos  Análisis de circuitos  Electricidad  Timmer  Ley de OHM  Capacitancia

Cantidad Descripción Especificaciones Técnicas 1 Fuente de Voltaje 1 Multímetro 1 Cable UTP 1 Protoboard 1 Timmer 555 6 Resistencias 220Ω 2 Resistencias Calculados 5 LEDs 1 Capacitor Calculado 1 Contador 74ls193 1 Decodificador 74ls47

1 Display 7 segmentos DA05

1 Compuerta NOT 74ls04

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 Todo conductor que se utilizará en la práctica debe estar en buenas condiciones.

 Resolución de cálculos necesarios.

CONSEJOS Y RECOMENDACIONES

Los tiempos de duración de los pulsos dependen de los valores de las resistencias R1 y R2:

T1= 0.693(R1+R2)C1

T2=0.693R2C1

La frecuencia, con que la señal de salida oscila está dada por:

f1

=

0.693 C 1(R 1+2 R 2)

¿

1 ¿

BIBLIOGRAFÍA DE APOYO

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REQUISITOS DEL PRODUCTO

El reporte deberá incluir

1. Los cálculos para la obtención del pulso 2. La simulación del circuito

3. EL conteo ascendente y descendente en forma binaria 0 a 15 4. EL conteo ascendente y descendente de 0 a 9

5. Evidencia de la práctica realizada según sea el caso con fotografías y/o videos que se anexaran al reporte.

REQUISITOS ACADÉMICOS

1. Realizar los cálculos necesarios para obtener a la salida del timmer un pulso constante de 1s o una frecuencia de 1Hz

2. Realizar la conexión del timmer en el protoboard donde se observe el pulso de 1S

3. Realizar la conexión del circuito contador en protoboard mostrando con leds el conteo en forma binaria de forma ascendente y descendente 4. Realizar la conexión del circuito contador en protoboard mostrando en el

display el conteo ascendente y descendente de 0 a 9 apoyándose del uso de la compuerta NOT para realizar el corte en el numero 10

AUTOEVALUACIÓN

Realizar los cálculos necesarios para el diseño de un contador en donde se tenga un pulso que demore 2 segundos en estado alto y 1 segundo en estado bajo y comprobar su funcionamiento mediante una simulación

(25)

Práctica 7:

Reloj Digital

Objetivo(s):

 Diseñar un reloj digital que proporcione la hora en el formato de 24 horas

 Circuitos resistivos

 Análisis de circuitos

(26)

 Timmer

 Ley de OHM

 Capacitancia

Cantidad Descripción Especificaciones Técnicas 1 Fuente de Voltaje 1 Multímetro 1 Cable UTP 1 Placa Fenolica 1 Cloruro férrico 1 Mini taladro 1 Broca 1/32 1 Marcador permanente 1 Timmer 555 1 Resistencia 220Ω 2 Resistencias Calculados 1 LEDs 1 Capacitor Calculado 6 Contadores 74ls193 6 Decodificadores 74ls47

6 Displays 7 segmentos DA05

2 Compuerta NOT 74ls04

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 Todo conductor que se utilizará en la práctica debe estar en buenas condiciones.

 Resolución de cálculos necesarios.

CONSEJOS Y RECOMENDACIONES

Los tiempos de duración de los pulsos dependen de los valores de las resistencias R1 y R2:

T1= 0.693(R1+R2)C1

T2=0.693R2C1

La frecuencia, con que la señal de salida oscila está dada por:

f1=

0.693 C 1(R 1+2 R 2)

¿

1 ¿

BIBLIOGRAFÍA DE APOYO

REQUISITOS DEL PRODUCTO

El reporte deberá incluir

1. Los cálculos para la obtención del pulso 2. La simulación del circuito

3. Los pasos realizados en la elaboración de la placa

4. Evidencia de la práctica realizada según sea el caso con fotografías y/o videos que se anexaran al reporte.

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REQUISITOS ACADÉMICOS

1. Realizar los cálculos necesarios para obtener a la salida del timmer un pulso constante de 1s o una frecuencia de 1Hz

2. Realizar la simulación del circuito

3. Anexar pulsadores al inicio de los contadoras para así poder ajustar los minutos y las horas

4. Diseñar y elaborar el circuito impreso en placa Fenolica

5. Realizar la conexión del circuito en la placa Fenolica y comprobar su funcionamiento

AUTOEVALUACIÓN

Que cambios de deberían hacer para diseñar un reloj con un formato de 12 horas. Comprobar dichos cambios en el simulador

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U

NIDAD

5. I

NTRODUCCIÓN A

D

ISPOSITIVOS

L

ÓGICOS

P

ROGRAMABLES

Práctica 8:

Programación en VHDL

Objetivo(s):

 Estructurar un programa de un circuito lógico mediante VHDL

 Compuertas

 Tablas de verdad

 Sistemas BInarios

Cantidad Descripción Especificaciones Técnicas 1 Software de programación

WARP

Ejercicios:

Describir mediante lógica secuencial y por flujo de datos el funcionamiento de las compuertas AND, OR, NOT, NAND, NOR y XOR

CONSEJOS Y RECOMENDACIONES

Apoyarse de las tablas de verdad para comprender de manera as fácil la lógica de la programación para las compuertas

BIBLIOGRAFÍA DE APOYO

1. VHDL: El arte de programar sistemas digitales. David G. Martínez y Jesica Alcalá. CECSA

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REQUISITOS DEL PRODUCTO

1. Las Programaciones de las compuertas

REQUISITOS ACADÉMICOS

1. Realizar el programa de forma secuencial y por flujo de datos para cada una de las compuertas

AUTOEVALUACIÓN

Realizar la programación de las compuertas mediante la declaración de ecuaciones booleanas

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