PDF de programación - Diseño Digital para Ingeniería

Diseño Digital para Ingeniería



1



DISEÑO DIGITAL PARA INGENIERIA



Autor:

Rubén Darío Cárdenas Espinosa
Matrícula Profesional CL20633345

[email protected]

Manizales, Departamento de Caldas

República de Colombia

Febrero de 2009

Candidato a Doctor en Ciencias con especialidad en Ingeniería Eléctrica

Master of Sciences with major in Enginnering Electrical de Atlantic International University

Especialista en Gerencia en Finanzas, Ingeniero Electrónico, Tecnólogo Profesional en

Electrónica y Automatización Industrial de Universidad Autónoma de Manizales

Catedrático del Programa Ingeniería de Sistemas Universidad Minuto de Dios – CERES

Chinchiná

Gerente de Proyectos Programa Paz y Competitividad y Profesor Asistente del

Departamento de Electrónica y Automatización de la Universidad Autónoma de Manizales

Coordinador Ingenierías, Catedrático programas de posgrado y pregrado Universidad

Antonio Nariño Sede Manizales

Catedrático Tecnología en Electrónica Universidad de Caldas

Catedrático UNITECNICA (Ingecómputo) Manizales





Diseño Digital para Ingeniería



2

Objetivo Terminal del Curso


Analizar y aplicar los conceptos básicos y técnicos de diseño en sistemas lógicos
combinacionales y secuenciales programables.

Implementar circuitos que controlen secuencias y procesos automáticos.

Diseñar sistemas digitales para la manipulación y procesamiento de datos.


Breve Descripción


El desarrollo de la electrónica, se ha constituido en uno de los más grandes
sucesos de la época moderna y ha sido fundamental para los grandes adelantos
tecnológicos, en casi todos los campos del saber.

Las herramientas y conocimientos de electrónica digital son necesarios para el
análisis, diseño e implementación de circuitos y sistemas digitales, en especial con
el almacenamiento, transformación y comunicación de la información en forma
digital.



Diseño Digital para Ingeniería



3

TABLA DE CONTENIDO


Presentación
1. Sistemas Numéricos
1.1. Sistema Decimal
1.2. Sistema Binario
1.3. Sistema Hexadecimal
1.4. Sistema Octal
1.5. Conversiones de un Sistema a Otro
1.6. Representación de Números Enteros y de Punto Flotante
1.7. Operaciones Aritméticas en Binario
2. Principios de Diseño de Lógica Combinacional
2.1. ¿Qué es Electrónica Digital?
2.2. Álgebra de Boole
a. Operaciones Booleanas y Compuertas Básicas
b. Compuertas Lógicas Combinadas
c. Circuitos Integrados y Circuito de Prueba
d. Propiedades de las Operaciones Booleanas
e. Teoremas Boléanos
f. Teoremas de DeMorgan
2.3. Simplificación de Expresiones Lógicas
2.4. Implementación de Funciones Lógicas mediante Compuertas
2.5. Síntesis de Diseño de Circuitos Combinacionales
2.6. Métodos para Sintetizar Circuitos Lógicos
a. Método de Suma de Productos (SDP)
b. Método de producto de sumas (PDS)
c. Mapas de Karnaugh
d. Algoritmo de Quine – McCluskey
3. Circuitos Lógicos Combinacionales
3.1. Circuitos Aritméticos
3.2. Decodificadores
3.3. Registros de Tres Estados
3.4. Codificadores
3.5. Multiplexores y Demultiplexores
3.6. Generadores de Paridad
3.7. Comparadores
3.8. Implementación de Funciones Lógicas con Decodificadores
3.9. Implementación de Funciones Lógicas con Multiplexores
4. Lógica Secuencial
4.1. Oscilador Simétrico con compuertas NOT
4.2. Disparadores Schmitt Trigger
4.3. Oscilador de Cristal
4.4. Osciladores Controlados
4.5. Circuito Integrado 555
4.6. CI 555 como Multivibrador Astable
4.7. CI 555 como Multivibrador Monoestable
4.8. Circuitos Monoestables
4.9. Circuitos Biestables (FLIP-FLOPs)
4.9.1. FLIP-FLOP Básico R-S (Reset-Set)
4.9.2. FLIP FLOP RS - Controlado por un pulso de reloj
4.9.3. FLIP-FLOP D
4.9.4. FLIP-FLOP D PRESET-CLEAR
4.9.5. FLIP-FLOP J-K

5
6
7
7
8
8
10
13
16
20
20
20
21
22
24
25
27
27
30
31
31
32
34
37
39
47
48
50
67
75
76
81
87
91
95
96
99
100
101
102
104
104
106
106
107
108
108
109
110
112
113



Diseño Digital para Ingeniería



4

4.9.6. FLIP-FLOP T (Toggle)
5. Contadores y Registros
5.1. Contadores de Propagación
5.2. Contador de propagación ascendente
5.3. Contadores con números MOD < 2n
5.4. Contador de propagación descendente
5.5. Contadores Sincrónicos
5.6. Ejemplos de Contadores en Circuito Integrado
5.7. Registros de Corrimiento
5.8. Registro de Corrimiento Básico
5.9. Tipos de Entradas y Salidas en los Registros de Corrimiento
5.10. Registros de corrimiento bidireccionales
5.11. Registros en Circuito Integrado
5.12. Aplicaciones de los Registros de Corrimiento
5.13. Contador en Anillo
6. Análisis y Diseño de Circuitos Secuenciales
6.1. Teoría de Máquinas de Estado (FSM)
6.2. Máquinas de Estado de Mealy y Moore
6.3. Ecuaciones Lógicas
6.4. Tablas de Estado
6.5. Diagramas de Estado
6.6. Tablas de Transición de FLIP-FLOPs
6.7. Mapas de Karnaugh
6.8. Análisis y Diseño de Circuitos Secuenciales Sincrónicos
6.9. Diseño de Circuitos Secuenciales con FLIP-FLOPs D
6.10. Estados no usados
6.11. Análisis de Circuitos Secuenciales Asincrónicos
6.12. Ejemplos de Control Secuencial
7. Dispositivos Lógicos Programables
7.1. Tipos de PLD
7.2. Estructura de los Dispositivos Lógicos Programables Básicos
7.3. Herramientas para la Automatización del Diseño Electrónico
7.4. Principios y Aplicaciones de los Dispositivos Lógicos Programables como
las PALs y las GALs.
7.5. Arquitectura de Diversos PLD's Secuenciales
7.6. Memorias
7.7. Aplicaciones de las Memorias
7.8. Lógica programable temprana
Bibliografía
ANEXO 1 Evaluación Diseño Electrónico Digital
ANEXO 2 Respuestas Evaluación Diseño Electrónico Digital
ANEXO 3 Proyecto Conversión análoga digital



113
114
114
114
116
116
117
120
123
123
124
125
126
128
128
130
130
130
132
132
134
134
135
136
139
141
144
149
154
155
155
156

157
163

177
185
186
187
192
193




Diseño Digital para Ingeniería



5

PRESENTACIÓN

también


Los circuitos digitales se emplean en productos electrónicos como videojuegos, hornos
de microondas, sistemas de control para automóviles, dispositivos biomédicos, entre
otros;
los podemos encontrar equipos de prueba como medidores,
generadores y osciloscopios, dispositivos de telecomunicación y consumo masivo
como los celulares, radios, televisores y computadores personales.

La era de la electrónica Digital está en auge y las técnicas digitales han reemplazado a
muchos de los circuitos análogos empleados en el pasado.

El papel o finalidad de la Educación es generar valores y conocimientos que permitan
convertir a todos los individuos en seres capaces de pensar, sentir, realizar, generar e
innovar, para contribuir al mejoramiento y beneficio de la sociedad a la cuál
pertenecen.

La Educación abierta o a distancia apoyada en tecnología no se debe limitar al
conocimiento, debe asumir el reto de desarrollar las herramientas necesarias que le
permitan al estudiante ser un participante activo de su proceso de aprendizaje, éste
debe ser inquieto, preguntón crítico y motivarse cada vez más en lo que aprende de su
profesor y motivar en él un sentimiento investigativo e innovador.

El enfoque de este tipo de Educación está orientado al estudiante, quién es el directo
responsable de su proceso de aprendizaje, por lo tanto, para el desarrollo de este
curso se implementa un modelo pedagógico y andragógico de aprendizaje interactivo
virtual con el apoyo técnico necesario que apoye la Psicología de Aprendizaje,
haciendo énfasis en sus tres elementos: Perdurabilidad, Transparencia y Habilidad
Práctica. Esto permitirá contrarrestar las desventajas que se presentan en la
Educación virtual como son la desmotivación y deserción del estudiante por la lentitud
del proceso y por la reducción de la interacción personal.

Para lograr aprendizajes sistémicos en la educación, es necesario avanzar hacia un
modelo de pedagogía y andragogía que se identifique con los aspectos sociales que
se espera, impacten, para lograr así, una transformación de la realidad a través de la
educación.

El presente curso ha sido elaborado a partir de mi experiencia docente y profesional
aplicada en la Universidad Autónoma de Manizales, Universidad de Caldas,
Universidad Antonio Nariño, Unitécnica (Ingecómputo) y otras Instituciones del Eje
Cafetero.

El Módulo Diseño Digital para Ingeniería brindará a los estudiantes los conceptos y
técnicas empleadas en el diseño de sistemas lógicos combinacionales y secuenciales,
las herramientas y conocimientos de los Circuitos Digitales, a través de ejercicios de
aplicación para afianzar los conceptos vistos, y el aprendizaje significativo, facilitando
transferir los conocimientos adquiridos a otros contextos de su quehacer profesional.

Dedico este trabajo a mi bella esposa Kathy Faridy, a mi bebé por nacer Sara
Gabriela, mi mamá Ofelia, tías Lilia y Lucila y demás miembros de mi familia y en
especial a la memoria de mi tío José Hernán Espinosa Martínez quien fue un
padre para mí (mi mentor) y le debo lo que soy hoy día “que la luz de su alma nos
siga guiando por el camino de la vida”.


Rubén Darío





Diseño Digital para Ingeniería



6

1. Sistemas Numéricos

El sistema decimal es universalmente empleado para representar cantidades en el
mundo real. Los sistemas electrónicos digitales tienen que recoger la información y
convertirla en dígitos binarios para procesarla internamente. Así mismo, cuando la
información es procesada, es necesario convertir esta información, por lo general a
decimal antes de llevarla al mundo exterior. En realidad, no se mane