Tecnología 4º ESO. Andalucía

DEMO

INCLUYE

PROYECTO DIGITAL BANCO DE RECURSOS Y LIBRO DIGITAL

4 ESO

a í g o l o n tec ázqu M . P. B l

ez, I.

Z L. LÓPE .

J , s o J. Sant Hoyos,

SUMA

piezaS

ASÍ ES

tu libro Apertura de unidad

on los or visual c Organizad lacioigitales re recursos d ado. cada apart n a d o s co n

4

ELECTRÓNICA DIGITAL

Cada unidad comienza con un breve texto que pretende acercar al alumnado las relaciones entre ciencia, tecnología y sociedad a través de algún hecho relevante relacionado con los contenidos que se van a desarrollar.

Los ejercicios resueltos permiten el aprendizaje de procesos de razonamiento y estrategias de resolución de problemas.

han modifivos digitales que rnos con rodeados de dispositi Hoy día vivimos forma de relaciona nuestra vida y la vos que cado profundamente el número de dispositi Cada vez es mayor al desarronuestro entorno. esto es así debido única función. Todo la electrónica digital no se limitan a una en el campo de últimas décadas fundamenllo vivido en las tecnología. Sus basados en esta ica control electrón de la y los sistemas que ocurre con , a diferencia de lo s de señal eléctrica tos son muy simples, continuo valores se trabaja con de señal: alto o analógica, donde valores o niveles digital solo hay dos en la electrónica es uno o cero. nte en código binario bajo, cuyo equivale

ELECTRÓNICA DIGITAL VÍDEO

VÍDEO

«Objetivos de Desarrollo Sostenible».

EN DOCUM

Electrónica digital.

Un mundo de ceros y unos

TO

DOR

Traductor de texto a binario.

Lógica binaria: estados y niveles de tensión

2

Puertas lógicas.

el inicio y bienestar desde dedicado a la salud natural. Este El objetivo 3 está ión hasta la muerte misma concepc dad, accidente de la vida en su causas de enferme a analizando las plantear una objetivo comienz continuación a y es para pasar a estos incidentes y muerte más frecuent la reducción de con das relaciona en desarroserie de metas especial en los países ica digilas personas, en la protección de ntadas en la electrón tecnologías fundame por medio llo. El empleo de metas. Por un lado, ir a alcanzar estas recaba sobre tal puede contribu de datos que se la ingente cantidad a la planifiyendo del análisis de contribu Por otro, iente a la salud. su implantación. todo lo concern de salud durante ón de los planes 3.4, 3.5, cación y correcci s a las metas 3.3, los datos asociado 1-2-4. Consulta 3.7, 3.8 y 3.9.

SIMULA

1

Desde el ábaco hasta las bacterias.

TACIÓN PRESEN

compromiso ODS

Puertas lógicas básicas EN DOCUM

3

DOCUM

4

«Diseña y construye un circuito lógico».

TO

Cómo aplicar la técnica «Pienso, me interesa, investigo...».

Los circuitos integrados digitales UTORIAL VIDEOT

Compromiso ODS. Actividades para reflexionar en grupo y proponer acciones para alcanzar las metas de desarrollo sostenible propuestas en cada una de las unidades.

ENTO

Cómo aplicar la técnica «Piensa y comparte en pareja».

Simulación de circuitos lógicos con Logisim

5 Decodificadores y multiplexores

que se deberían de datos crees

o qué tipo hacerlo 1 Anota en tu cuadern los análisis de salud y de qué modo para realizar ón de datos perso-

Taller de tecnología Diseña un circuito electrónico digital de seguridad

recabar protecci la normativa sobre para no infringir nales.

para 2 ¿Cómo harías

tratar los datos

nologías usarías?

recabados? ¿Qué

o tres dispositivos

3 Anota en tu cuadern forma cotidiana. que utilices de

tipo de tec-

DOCUM

ENTO

«Consejos para elaborar tu portfolio».

ica

Trabaja con lo aprendido

basados en la electrón

EN DOCUM

TO

Plan Lingüístico: textos descriptivos.

«Para estudiar».

digital

s dispones de un

En anayaeducacion.e

105

orio

vídeo introduct

ca digital.

sobre la electróni

104

Desarrollo de los contenidos y actividades ä 2.4 Las puertas negadas NAND y NOR

2 PUERTAS LÓGICAS BÁSICAS

Aunque aparentemente una función negada puede entenderse como el resultado de aplicar la operación complemento o negación a cualquiera de las puertas AND y OR, desde el punto de vista industrial, las puertas NAND y NOR tienen una enorme importancia, ya que, paradójicamente, para fabricar una puerta lógica negada se utilizan menos transistores que para fabricar las puertas AND y OR.

Puerta NAND Tabla de verdad A

B

F

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Símbolo

A

F

B

Tabla de verdad A

B

F

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

Símbolo

A

F

B

En cambio, la función NOR representa la negación de la puerta OR y se obtendrá como resultado un «1» solo en los casos en que las variables de entrada sean simultáneamente «0».

Ejemplo resuelto Comprende, piensa, investiga...

Saco de dudas

2 Utilizando puertas lógicas de 2 entradas, dibuja los esquemas de los circuitos que correspondan a las siguientes funciones lógicas: F=A+B+C G=A·B·C H = (A · B) + (A · C) M = (A · B) + (Ā · B) K = (A + B) · (Ā + B)

3

En 1959, el ingeniero Jack Kilby logró integrar varios componentes semiconductores sobre el mismo sustrato. Con esto había conseguido encapsular en un mismo componente todo un circuito electrónico. A partir de este punto, la mayoría de los fabricantes iniciaron la carrera por tratar de integrar en una misma pastilla circuitos cada vez más densos y complejos.

El nivel de complejidad y densidad se mide por la cantidad de transistores utilizados en los circuitos integrados. Esto es lo que se denomina la escala de integración. Desde la década de 1960, las capacidades para incluir mayor cantidad de transistores en menores áreas de semiconductor se han multiplicado.

Observa la siguiente tabla en la que se expone la información de la escala de integración (SI, del inglés Scale of Integration): Transistores empleados

Año

S

Pequeña (Small)

2-25

1960

M

Mediana (Medium)

25-100

Escala

3 LOS COMPONENTES DE LOS SISTEMAS NEUMÁTICOS E HIDRÁULICOS Prototipo del circuito integrado de Jack Kilby.

Gracias a su invención pudo desarrollar el primer ordenador que incorporaba circuitos integrados, la calculadora, la impresora térmica y muchos otros inventos. En el año 2000 obtuvo el Premio Nobel de Física.

Conseguir puertas NOT con puertas NAND o NOR Como verás más adelante en la unidad, las puertas lógicas se encapsulan de forma múltiple en circuitos integrados. A menudo, ocurre que hay que comprar un circuito integrado para utilizar una sola puerta de las 6 u 8 que suele tener cada uno. Ese desperdicio se puede solucionar si estás utilizando un circuito integrado de puertas NAND o NOR y tienes alguna sin utilizar. ¿Cómo se puede hacer?

La forma de reconvertir una puerta NOR o una puerta NAND es muy sencilla. Basta con unir los terminales de las variables de entrada. De esta forma, en la puerta solo permites dos posibilidades de entrada: un «0» o un «1» que se introducirán por igual en todas las entradas simultáneamente.

Observa la tabla de verdad de la puerta NAND o de la puerta NOR y podrás comprobar esto.

Válvula antirretorno.

Significado

Válvulas de control de flujo, o antirretorno

1965

Permiten la circulación del fluido en un100-1 000 sentido, impidiendo compleL Grande (Large) 1971 tamente su paso en el sentido contrario. Normalmente, el cierre del 1982 VL Muy grande (Very Large) 1 000-105 circuito se realiza mediante una bola que se mueve empujada por el 5 -106 1988de este.

UL en una Ultragrande (Ultra Large) fluido u otra dirección abriendo o10cerrando el paso GL

Gigagrande (Giga Large)

Válvulas de regulación XL

Extremadamente grande Large)de trabajo presión(Extreme o el caudal

106-109

1996

>109

2005

3 ESTRUCTURAS DE CONTROL

Limitan la en el circuito, actuando como elemento de seguridad. Las válvulas reguladoras de caudal permiten 1971 1985 1993 2010 2017 controlar laMicroprocesador velocidad deMicroprocesador avance o retroceso de un cilindro, mediante Microprocesador Microprocesador Microprocesador de de 32 bits de 64 bits de 64 bits de 64 bits parcialun4 bits tornillo que estrangula una sección de tubo, impidiendo mente el paso del fluido y, por lo tanto, disminuyendo su caudal. Este caudal puede ser regulado en los dos sentidos de circulación del fluido, o bien en uno solo combinando la válvula de regulación con una válvula antirretorno.

2 300 275 000 3 100 000 382 000 000 1 000 000 000 transistores

transistores

transistores

transistores

F = [Ā · B̄ · C̄ ] + [Ā · B̄ · C] + + [Ā · B · C̄ ] + [Ā · B · C]

transistores

Así, las puertas lógicas se encapsulan en circuitos integrados y cada uno suele contener varias puertas que se alimentan desde una señal activa común, normalmente denominada VCC , y disponen de un termiCuando el fluido circula en el otro Cuando el fluido circula en este sentinal común de masa, denominado comúnmente GND, donde se conecsentido, la válvula antirretorno do, la válvula antirretorno lo obliga a ta el pasar valorpor de el referencia de tensión de 0 voltios. se abre, y el fluido puede circular conducto regulado por el libremente sin pasar por el

tornillo.

3 Para cada función, construye una

El fluido no sipasa.

Fujitsu, fábrica de productos electrónicos tuada en Málaga: operaria atornillando una placa base.

Todos los chips, o circuitos integrados, se fabrican siguiendo unos conducto regulado por el tornillo. modelos estandarizados. Por ejemplo, el modelo de la figura corresponde un circuito integrado package de la 14 presión pines. CualLas aválvulas de control dedual-in-line presión actúan sobre del fluido quier configuración al denivel puertas lógicaspor o de que utilice manteniéndola requerido el circuito sistema.lógico La fuerza del resorte estedetermina formato tendrá la misma apariencia.

Otras que la máxima presión admisible; si configuraciones la presión de entrada es podemos mercado son los circuitos SIL (Single-in-Line mayor,encontrar el muelle en se el retrae haciendo que el vástago y con él, el disco de package), o los circuitos integrados superficial, o SMD. cierre, suban reduciendo el paso de de soldadura fluido, lo que disminuye la presión Estos sonregulación muy habituales en lapor industria deúltimos salida. La se realiza medioelectrónica. de un elemento roscado

Bucles anidados Para ver cómo anidar un bucle for dentro de otro, vamos a dibujar varios conjuntos de círculos concéntricos.

A través del programa se fijará el número de conjuntos, lo que permitirá determinar diámetro de los círculos el a partir del ancho del lienzo.

En primer lugar, dibujamos un conjunto de círculos todo el ancho del lienzo. que ocupen El número de círculos a representar viene determinado por la variable num. Prueba a modificar el valor variable para comprobar de la cómo los círculos ajustan su diámetro al ancho del lienzo. En el cuadro del margen se explica cómo calcular los diámetros.

Además, se ha incluido un degradado de color en los círculos, definiendo el color negro para el primero y blanco para el último utilizando fill (255*i/(nu m-1)).

Si tuviéramos un solo círculo, la posición de su centro estaría en width/2.

Si queremos dibujar dos, es necesario dividir la anchura del lienzo entre dos.

Cada círculo ocupará una anchura de width/2, que correspond e con su diámetro. El centro del primero estará en el punto medio de esa longitud: (widht/2) /2, y para obtener el centro del segundo, habrá que sumarle una distancia equivalente al diámetro: (widht/2) /2 + widht/2 o, lo que es lo mismo, diametro + diametro /2.

Para los siguientes círculos, la posición de los centros se obtendrá sumando el valor del diámetro a la posición del centro del círculo anterior.

De esta forma, la fórmula para obtener la posición del centro que podrás utilizar en un bucle será:

Válvula reguladora de caudal con válvula antirretorno

El fluido pasa sin dificultad.

Práctica guiada

Calculan do el centro de los círculos

Aunque los circuitos digitales que se incluyen en los microprocesadores tienden a alcanzar escalas de integración cada vez mayores, los que constituyen circuitos integrados de puertas lógicas se siguen fabricando desde hace tres décadas con tecnologías y escalas de integración similares.

Z = (A · B · C) + Ā · C̄

tabla de verdad escribiendo todas las posibles combinaciones para las variables independientes y obtén el valor de la función correspondiente en cada caso.

que genes Las imá xto an al te a co m p a ñ uirir rán a adq te ayuda ve. la dizajes c los apren

Unidad 4

LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES

El empleo de menor número de transistores para fabricar una puerta tiene como consecuencia menores consumos y un aumento significativo en la velocidad de respuesta de las puertas. En definitiva, construir circuitos mediante puertas negadas es una de las técnicas preferidas por la comunidad dedicada al desarrollo e ingeniería de hardware.

Una puerta NAND tendrá una tabla de verdad complementaria a la de la puerta AND; es decir, mientras que alguna de las variables de entrada tenga un valor «0», la variable de salida tomará el valor de «1». Observa, además, el símbolo digital empleado para representar la función en un esquema eléctrico que se basa en la forma de la puerta AND a la que se le ha añadido una bolita representativa de la negación de la función original.

Puerta NOR

Comprende, piensa, investiga… Actividades para afianzar el aprendizaje y relacionar conocimientos.

LOS Recursos en la web DE ESTA UNIDAD

y unos

Un mundo de ceros

void setup(){ size(1000

,500);

smooth();

s guiaPráctica co n s das para aprentruir los aso a dizajes p p a s o.

background(205); //Fondo gris claro } //Fin setup void draw(){ //La variable de control del bucle se puede //declarar dentro del paréntesis num: número de //círculos a dibujar int num=4; //Diámetro en función del ancho y del número de //círculos int diamet = width/num ; for(int i=0; i<num; i=i+1){ fill(255*i/(num-1) ); //Dibujamos las elipses ellipse(diamet/2+i *diamet,height/2,d iamet,diamet); } //Fin for noLoop(); //No es necesario redibujar } //Fin draw()

diametro/2 + i*diametro utilizando i = 0 para el primer círculo.

que se puede ajustar manualmente.

110

Válvula reguladora de caudal bidireccional

Válvula de control e presión hidráulica.

111

Tornillo de ajuste

Soporte de ajuste

Vamos a dibujar ahora varios círculos concéntric os de diferentes colores utilizando un bucle for. La variable de control del bucle nos servirá para definir el diámetro de los círculos de forma decreciente hasta que el más pequeño tenga un diámetro no inferior a una décima parte del primero. Por otro lado, también se utiliza para degradar el color de los círculos. Puedes ver el resultado en la página siguiente.

Entrada

Los iconos incluidos en algunas actividades sugieren la clave del proyecto que puede aplicarse en cada caso.

Vástago de la válvula.

El estrechamiento producido por el tornillo reduce el caudal de salida sea cual sea el sentido en el que pasa el fluido.

Salida

void setup(){ size(800,800); smooth(); background(205);

Disco de cierra

} 202

146

Las claves

del proyecto

ODS Compromiso ODS

Plan Lingüístico

Desarrollo del pensamiento

Aprendizaje cooperativo

Descubre los Objetivos de Desarrollo Sostenible y forma parte activa de nuestro compromiso para lograr un mundo más igualitario y habitable.

Pon en práctica tus destrezas comunicativas en los diferentes tipos de texto que te proponemos. El lenguaje siempre está presente, ¡comunícate!

Trabaja estrategias de pensamiento: reflexiona sobre los contenidos que estás aprendiendo, genera ideas, organízalas, priorízalas, arguméntalas, exponlas…

Implícate en tu aprendizaje y participa en el de todo el grupo; comprobarás que cooperar mejora el rendimiento y la convivencia en clase.

TALLER DE TECNOLOGÍA Taller de tecnología

DISEÑA UN CIRCUITO ELECTRÓNIC Presentación del proyect o

Simplificación de la

Comprueba en Logisim que cambiando las entradas, las combinaci nes cumplen la función ocomo en la tabla de verdad.

s que intervienen

Vamos a construir el sistema lógico que atiende a esta situación.

Comenzamos definiendo las variables de entrada. de entrada (A) indica La primera variable el propio funcionam iento del robot, variable que si se encuentra a nivel bajo (0), es indicativa es decir, una de peligro porque el de ausencia robot está parado, y cuando transporta un alto (1), determina que nivel el robot está operativo.

Las otras tres variables (B, C y D) contendrán la información binaria que mente, la posición de una persona en las inmediacioindica, respectivadiante un nivel alto nes del robot me(1).

Con este planteamie nto y esta definición de las variables de entrada, la salida vendrá determinad a por una función F que tendrá bajo (0) cuando no un nivel haya peligro, mientras que cuando porte un alto (1), indicará que nivel es preciso parar el robot de forma inmediata.

C

D

PASO 2

Realización de la tabla de verdad

A 0

Observa en la tabla de verdad que mientras A tenga el valor 0, la función F será 0, de la misma forma que cuando A tenga el valor 1, la función F no informará de peligro hasta que todos los sensores se encuentren en nivel bajo (0).

En el resto de combinaci ones, la variable F será un nivel alto (1).

INICIO

Encender robot

Leer sensores B, C y D

B

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

0

122

1

0

1

1

0

0

1

1

0

0

➜ U2 CI 7408, puerta AND de dos entradas.

PASO 5

Simulación en Tinkerca

d

Utiliza Tinkercad para crear el circuito y simular su funcionamiento antes de proceder al montaje en el aula-taller. Observa debe ser algo similar que el resultado a la imagen de la izquierda.

En el gráfico, las conexiones se han hecho de la siguiente rojo VCC, negro GND, forma: cable azul para las entradas A, B, C y D, naranja salida F y verde para para la la conexión entre puertas lógicas.

Para facilitar el reconocim iento de las entradas de la función, se han rotulado y señalado convenientemente.

Se puede simular la introducción de valores 0 y 1 uniendo las entradas con GND o V . A modo CC de ejemplo, puedes ver cómo sería la introducción de la combinaci ón 1111, esto es, todas las entradas unidas VCC. Se han empleado a cables de color morado para distinguirlos del resto de cables utilizados hasta el momento.

Ahora se puede comproba r cómo se enciende el led y el valor de corriente consumida la por el circuito se ha incrementado, tal y muestra el amperímet como ro integrado en la fuente de alimentación.

Comprueba cómo cambia el valor de intensidad del amperímetro según conectas las distintas entradas de datos.

Anota en tu cuaderno los valores de corriente y las conclusiones que extraes de las distintas medidas obtenidas con las diferentes combinaci ones de entrada.

0

1

1

1

0

1

0

1

1

1

1

1

0

0

1 1

1

➜ U1 CI 7432, puerta OR de dos entradas.

0

0

0

➜ R1 Resistencia de 330 Ω ± 5 %.

0

1

1 1 0

entes y cableado

0

1

1

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

El circuito es sencillo de montar, ya que bastará con adquirir dos circuitos integrados, hilo de cobre y una placa de prototipado o breadboar d.

En este caso, vamos a utilizar tecnología TTL y como fuente mentación emplearem de alios cualquiera de las fuentes de tensión bles que tenemos en variael taller que fijaremos a 5 voltios.

La salida de la función F será un led.

Lista de componentes:

➜ L1 Diodo led rojo de 633 nm.

0

0

0

0

0

Elección de los compon

0

0

1 Pintar

0

1

1

0

PASO 4

F

0

0

1

NO

D

0 0

SÍ Detener

C

función lógica F

Utilizando Logisim, la función F se minimiza a la siguiente expresión: F=AD+AC+AB y, por tanto, se puede simplificar a F = A · [D + (C + B)], de forma que se podrán utilizar puertas de dos entradas.

Esto implica el empleo de una puerta AND de dos entradas y de puertas OR de dos dos entradas, como se puede ver en el circuito lógico de la izquierda.

Definición de las variable

B

B=1oC=1oD=1

PASO 3

En un taller se utiliza un brazo robótico para llevar a cabo un trabajo de pintura de chapa.

Dado que el brazo es móvil, se ha querido un sistema de seguridad incluir compuesto por tres dispuestos en posiciones sensores de presencia de caso de que esté funcionand riesgo cercanos al robot, para que, en o, este se pare inmediatam de los sensores detecta ente si alguno presencia humana en robot. Este problema las proximidades del es aplicable a muchos otros sistemas.

PASO 1

Las experiencias del apartado Taller de Tecnología permiten recordar y aplicar los contenidos desarrollados a lo largo de la unidad.

Unidad 4

O DIGITAL DE SEGURIDAD

123

Trabaja con lo aprendido l de el materia seleccionar Recuerda o. tu portfoli unidad para

trabaja con lo

trabajo de

esta

Recuerda que dispones, en tu banco de recursos: •

aprendido

1 Sabiendo que la ley de Ohm es V = I · R y la ley que determina la capacidad de un condensador es C = Q / V, donde Q es la carga eléctrica que se puede llegar a acumular en un condensador sometido a una tensión eléctrica V, demuestra que el producto entre las unidades de resistencia eléctrica y de capacidad eléctrica se mide en segundos.

a)

ID/(mA)

2

¿Qué te hace decir eso? ¿Por qué crees que se ha utilizado el elemento químico silicio o el germanio para construir semiconductores de estado sólido?

3

Describe cómo funciona una válvula termoiónica y qué similitud tiene su funcionamiento con la de un diodo semiconductor.

4 Explica mediante un circuito sencillo la actuación de un transistor como interruptor automático.

5 Calcula el punto de trabajo del diodo del siguiente

2V + –

c)

1

4V + –

0

0,2

8V

–

0,4

0,6

0,8

1,2

VD/(V)

está el transistor del siguiente circuito, sabiendo que la tensión en la unión base-emisor es de 0,7 voltios, que la mínima tensión de saturación entre colector y emisor es de 0,2 voltios y que se utiliza un transistor con una ganancia β = 25.

RC IC

IB C

R1

10 V – R2

1,0

B

Realiza los cálculos exactos y compáralos con los datos que puedes obtener de la gráfica.

9 ¿Qué diferencia existe entre un componente elec-

4,7 kX

d)

55 kX

6V – 220 kX

5,5 kX

+

Explica el porqué del comportamiento de un diodo semiconductor como una resistencia de muy alto valor o como una resistencia de muy bajo valor según el tipo de voltaje al que esté sometido. tor? ¿Qué magnitudes relaciona?

Explica mediante un ejemplo cuándo un transistor está en el estado de saturación.

15

Explica qué es el punto de trabajo de un transistor y qué relación tiene con la recta de carga de un circuito en el que se haya conectado uno. Pon un ejemplo en un circuito dotado de un transistor NPN.

19

Piensa y comparte en pareja. Crea R1 el siguiente circuito en el que se utiliza un 5 V + – diodo de silicio entre R3 otros componentes.

R2 Incluye dos aparatos de medida para medir la intensidad que cede la batería y la intensidad a través del diodo. Anota los valores medidos en la simulación y compáralos con los cálculos obtenidos mediante fórmulas en tu cuaderno.

20 Interpreta el siguiente circuito y dibuja en tu cuaderno el esquema eléctrico correspondiente.

Uso de Fritzing 16

8 ¿Cuál sería el estado del ejercicio anterior si se

¿Qué corriente estará circulando por el diodo?

imágenes para que trabajes la observación y la interpretación.

tu cuaderno y comprueba los valores obtenidos en los distintos aparatos de medida mediante el cálculo de las magnitudes eléctricas del circuito; en este caso, la intensidad que cede la batería al circuito y el voltaje de la resistencia R4.

36 kX

–

13 ¿Cuál es el factor de amplificación de un transis-

– 10 V

R3

Saco de dudas. Observa el siguiente gráfico donde se representan la recta de carga y la característica de un diodo semiconductor. El circuito se compone de una batería V, del diodo y de un resistor R. Teniendo en cuenta los valores de la gráfica, calcula los valores de la batería V y de la resistencia R del circuito.

25 kX

0,5 V + 1,6 kX

14

+

E

cambia el resistor de base por uno de resistencia óhmica 10 veces menor? Justifica tu respuesta con cálculos apropiados.

6

12

7 Identifica el estado de funcionamiento en el que

+

+

Unidad 3

de fichas para mejorar tu ciudadanía digital.

Diseño y simulación de circuitos con Tinkercad

2

0,5

circuito si se trata de un diodo de silicio. Estima el valor del voltaje del diodo según los valores teóricos habituales de los fabricantes. Utiliza para los cálculos los siguientes valores: R1 = 2 kΩ, R2 = 1 kΩ, R3 = 4,7 kΩ.

Cuestiones sobre los aspectos esenciales de la unidad, con las que podrás hacer tu propio resumen.

2,2 kX

b)

18 Monta el siguiente circuito, dibuja el esquema en

3 2,5

1,5

Componentes electrónicos activos

I

de diversos talleres para gestionar tus emociones y de una diana para evaluarlas.

•

Componentes electrónicos pasivos

Petición del oyente. Dibuja en Fritzing cada uno de los circuitos del ejercicio 11. ¿Cuántas conexiones podrías llegar a incluir en los montajes como mínimo?

17 Interpreta el siguiente montaje en una placa de prototipado y dibuja el esquema eléctrico.

trónico pasivo y un componente activo?

10 ¿Qué dispositivo eléctrico es capaz de acumular

11 En los siguientes circuitos se han utilizado dio-

a) ¿Qué valor tienen el voltaje y la resistencia equivalente del circuito de base que se ha conectado a través del divisor de tensión formado por R1 y R2?

dos de silicio cuyo valor de tensión umbral es de VD = 0,7 V. Indica el estado en el que están funcionando los diodos y, en su caso, qué corriente eléctrica circula a través de los diodos.

b) Considerando que VBE = 0,7 voltios, que el valor mínimo de VCE en saturación es 0,2 voltios y que el transistor del montaje tiene una ganancia hFE = 20, calcula los valores de VCE, IB, IC e IE.

energía eléctrica cuando se le somete a un aumento de voltaje?

102

zar s para afian Actividade do n a z li do uti lo estudia de s ia g te estra diferentes trabajo.

103

Educación emocional

Cultura emprendedora

TIC

académica y profesional

Evaluación

Aprende a conocerte; identifica las situaciones que te generan emociones bloqueantes y gestiónalas con experiencias de autoafirmación constructiva.

Confía en tus aptitudes y conocimientos, desarrolla la creatividad, adáptate a las situaciones cambiantes y ten una actitud proactiva y responsable.

Aprende a obtener información, seleccionarla y aplicarla; a planificar, gestionar y elaborar trabajos; a colaborar en Red de forma ética y segura.

Valora tus capacidades personales, descubre y despierta tu vocación, entrénate en la toma de decisiones y aprende a orientarte entre distintas opciones.

Descubre diversas estrategias para analizar qué has aprendido y cómo lo has aprendido; entrénate para asumir compromisos o superar dificultades.

Orientación

ASÍ ES

el PROYECTO

DIGITAL

www.anayaeducacion.es

libro digital Banco de recursos

Regístrate en www.anayaeducacion.es. Solo necesitas tener un correo electrónico, el código que se indica en la primera página de este libro y el permiso de tu padre, madre, tutor o tutora legales. Así podrás acceder al banco de recursos y descargar el libro digital.

Una versión digital de tu libro, que podrás usar en condiciones offline y online, con acceso a los recursos digitales tanto agrupados por tipologías como asociados a los contenidos de cada unidad.

Un espacio con recursos, técnicas y actividades, diseñado para afianzar tus conocimientos.

Más sobre las claves

Recursos relacionados con LAS CLAVES del proyecto ODS

Compromiso ODS, con microvídeos que te ayudarán a conocer cuáles son las metas para alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible trabajadas en el proyecto.

Plan Lingüístico, con infografías que te darán las pautas para abordar el trabajo por medio de distintos tipos de textos (descriptivo, narrativo, expositivo, etc.).

Desarrollo del pensamiento, donde se incorporan explicaciones sobre cómo aplicar las distintas estrategias de pensamiento planteadas en el proyecto.

Aprendizaje cooperativo, que incluye la descripción de las técnicas de aprendizaje cooperativo propuestas en el proyecto.

Educación emocional, con orientaciones para superar la inquietud generada en diferentes situaciones de tu proceso de aprendizaje (inicio del curso, enfrentarte a un examen, etc.).

TIC, mediante fichas que reforzarán tu uso saludable, correcto y seguro de las tecnologías de la información y la comunicación.

Orientación académica y profesional, con información sobre diferentes profesiones vinculadas a los contenidos tratados en la asignatura.

0:40/1:33

Evaluación, se presentan orientaciones para hacer tu portfolio, así como rúbricas y dianas que facilitan tu autoevaluación.

Recursos DESTACADOS de la materia Presentación de la unidad Lecturas relacionadas con la materia Simulaciones Vídeos Videotutoriales Presentaciones Para estudiar

Recursos clasificados por unidades

Todos los recursos clasificados para que puedas localizar fácilmente los relacionados con cada apartado de tu unidad.

ASÍ SON

LOS contenidos del curso

1

COMUNICACIONES

Pág. 8

1. La radiación electromagnética ............................................ 10 2. La ionosfera y las señales electromagnéticas .......... 13 3. La modulación en la transmisión de las ondas ........ 14 4. La transmisión de señales por fibra óptica ................ 18 5. La transmisión inalámbrica por medio de antenas .... 20 6. La comunicación vía satélite ........................................... 22 Taller de Tecnología. Persigue la posición de satélites artificiales .................................................................................. 26 Trabaja con lo aprendido ...................................................... 28

2

INSTALACIONES EN VIVIENDAS

Pág. 30

1. Instalaciones eléctricas ............................................................. 32 2. Instalación de agua sanitaria ................................................. 44 3. Instalaciones de gas ................................................................... 52 4. Instalaciones de climatización ............................................. 54 5. Comunicaciones ........................................................................... 58 6. Sistemas de seguridad y domótica ................................... 62 7. Normativa ........................................................................................ 63 8. Arquitectura bioclimática ........................................................ 70

4

ELECTRÓNICA DIGITAL

Pág. 104

1. Lógica binaria: estados y niveles de tensión ...........

2. Puertas lógicas básicas ...........................................................

3. Los circuitos integrados digitales ....................................

4. Simulación de circuitos lógicos con Logisim ............

5. Decodificadores y multiplexores ......................................

106 108 111 114 120

Taller de Tecnología. Diseña un circuito electrónico digital de seguridad ......................................................................... 122 Trabaja con lo aprendido ..................................................... 124

5

PROGRAMACIÓN CON PROCESSING

Pág. 126

1. Qué es Processing ...................................................................

2. Representación de gráficos ...............................................

3. Estructuras de control ..........................................................

4. Funciones ......................................................................................

128 130 138 148

Taller de Tecnología. Crea un juego de pong con Processing ................................................................................... 150 Trabaja con lo aprendido .................................................... 153

Taller de Tecnología. Analizando la instalación eléctrica ........................................................................................ 72 Trabaja con lo aprendido ...................................................... 73

3

ELECTRÓNICA ANALÓGICA

Pág. 76

1. Introducción ......................................................................... 78 2. Componentes electrónicos pasivos ............................ 80 3. Componentes electrónicos activos ............................. 82 4. Fritzing, una herramienta OpenSource para montaje de circuitos ................................................. 90 5. Diseño y simulación de circuitos con Tinkercad ...... 94 Taller de Tecnología. Fabrica un oscilador. ...................... 100 Led con temporizador .................................................................. 101 Trabaja con lo aprendido ..................................................... 102

6

CONTROL POR ORDENADOR: ARDUINO Y PROCESSING

Pág. 154

1. Los sistemas de control ..........................................................

2. Arduino .............................................................................................

3. Sensores ...........................................................................................

4. Actuadores .....................................................................................

5. El control programado con Arduino ...............................

156 159 163 168 172

Taller de Tecnología. Programa y diseña un sistema innovador para controlar un semáforo. ............................. 176 Trabaja con lo aprendido ..................................................... 180

7

HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA

Pág. 182

1. Introducción ...................................................................................

2. Principios físicos de funcionamiento .............................

3. Los componentes de los sistemas neumáticos e hidráulicos ...................................................................................

4. Simbología ......................................................................................

5. Circuitos básicos .........................................................................

6. Uso de simuladores ...................................................................

7. Aplicación en sistemas industriales ................................

184 186 192 203 206 212 214

Taller de Tecnología. Construye una máquina hidráulica .................................................................................................. 216 Trabaja con lo aprendido ..................................................... 217

8

TECNOLOGÍA Y SOCIEDAD

Pág. 220

1. El desarrollo tecnológico a lo largo de la historia .................................................................................. 2 22 2. Análisis de la evolución de objetos tecnológicos .................................................................................. 234 3. Desarrollo sostenible ................................................................ 240 Trabaja con lo aprendido ..................................................... 2 42

PROYECTO TECNOLÓGICO

Pág. 244

Detector de CO2 para prevenir la COVID-19 en las aulas

4

ELECTRÓNICA DIGITAL Un mundo de ceros y unos Hoy día vivimos rodeados de dispositivos digitales que han modificado profundamente nuestra vida y la forma de relacionarnos con nuestro entorno. Cada vez es mayor el número de dispositivos que no se limitan a una única función. Todo esto es así debido al desarrollo vivido en las últimas décadas en el campo de la electrónica digital y los sistemas de control basados en esta tecnología. Sus fundamentos son muy simples, a diferencia de lo que ocurre con la electrónica analógica, donde se trabaja con valores continuos de señal eléctrica, en la electrónica digital solo hay dos valores o niveles de señal: alto o bajo, cuyo equivalente en código binario es uno o cero.

compromiso ODS El objetivo 3 está dedicado a la salud y bienestar desde el inicio de la vida en su misma concepción hasta la muerte natural. Este objetivo comienza analizando las causas de enfermedad, accidente y muerte más frecuentes para pasar a continuación a plantear una serie de metas relacionadas con la reducción de estos incidentes y la protección de las personas, en especial en los países en desarrollo. El empleo de tecnologías fundamentadas en la electrónica digital puede contribuir a alcanzar estas metas. Por un lado, por medio del análisis de la ingente cantidad de datos que se recaba sobre todo lo concerniente a la salud. Por otro, contribuyendo a la planificación y corrección de los planes de salud durante su implantación.

1-2-4. Consulta los datos asociados a las metas 3.3, 3.4, 3.5, 3.7, 3.8 y 3.9.

1 Anota en tu cuaderno qué tipo de datos crees que se deberían recabar para realizar los análisis de salud y de qué modo hacerlo para no infringir la normativa sobre protección de datos personales.

2 ¿Cómo harías para tratar los datos recabados? ¿Qué tipo de tecnologías usarías?

3 Anota en tu cuaderno tres dispositivos basados en la electrónica digital que utilices de forma cotidiana.

En anayaeducacion.es dispones de un vídeo introductorio sobre la electrónica digital.

104

LOS Recursos en la web DE ESTA UNIDAD VÍDEO

ELECTRÓNICA DIGITAL

«Objetivos de Desarrollo Sostenible».

VÍDEO

Un mundo de ceros y unos DOCUMENTO

Desde el ábaco hasta las bacterias.

PRESENTACIÓN

Puertas lógicas.

1

SIMULADOR

Lógica binaria: estados y niveles de tensión

Traductor de texto a binario.

2 Puertas lógicas básicas DOCUMENTO

3 VIDEOTUTORIAL

«Diseña y construye un circuito lógico».

Electrónica digital.

Los circuitos integrados digitale

s

4

Simulación de circuitos lógicos con Logisim

Cómo aplicar la técnica «Pienso, me interesa, investigo...».

DOCUMENTO

Cómo aplicar la técnica «Piensa y comparte en pareja».

5

Decodificadores y multiplexores

DOCUMENTO

«Consejos para elaborar tu portfolio».

Taller de tecnología Diseña un circuito electrónico digital de seguridad

DOCUMENTO

Plan Lingüístico: textos descriptivos.

Trabaja con lo aprendido «Para estudiar».

105

1 Una de las ramas de la electrónica que mayor difusión y aplicación ha tenido en las últimas décadas ha sido la electrónica digital. La causa principal de esta tendencia se debe al uso masivo de ordenadores y sistemas de control automatizados y dirigidos mediante microprocesadores, pero aún más al desarrollo a escala global de las Tecnologías de la Información y la Comunicación impulsadas con el uso de Internet.

LÓGICA BINARIA: ESTADOS Y NIVELES DE TENSIÓN Señal analógica Amplitud (ancho de onda)

Frecuencia de Mhz

Tiempo

ää 1.1 Tecnologías digitales

Señal digital Amplitud 1 0 0 1 0 1

Un circuito digital maneja básicamente señales digitales. Una señal digital, también conocida como señal binaria, es un voltaje que únicamente puede tomar dos valores, un valor bajo asociado normalmente a 0 voltios, y un valor alto que, dependiendo de la tecnología utilizada en los circuitos, puede estar entre 5 y 24 voltios.

1 0 1 0 0 1

Tiempo

El funcionamiento de un circuito digital es independiente del tipo de semiconductores empleado y se asocia a un comportamiento matemático como verás más adelante. No obstante, para fabricar un circuito que cumpla un determinado funcionamiento, se utilizan dos tipos de tecnologías diferentes:

➜➜ Tecnología TTL (Transistor Transistor Logic, «lógica transistor a tran-

El lenguaje de las máquinas El lenguaje basado en códigos binarios es el empleado por los ordenadores y las máquinas digitales para representar datos, transmitirlos, realizar operaciones con ellos y establecer comunicación entre distintos componentes y dispositivos. La razón de usar dos dígitos se debe a que la tecnología digital utiliza transistores como elementos fundamentales de control, haciendo que estos trabajen con dos estados únicos (activado-desactivado, abierto-cerrado, pasa corriente-no pasa corriente…).

sistor»). Sus orígenes se encuentran en el desarrollo de circuitos basados en transistores bipolares. Se caracteriza por ser una tecnología de procesado muy rápido y de consumo energético moderado, si bien las últimas familias de circuitos integrados TTL han reducido considerablemente el consumo. Los valores de tensión eléctrica que utilizan son valores bajos a 0 voltios y valores altos a 5 voltios, siendo esta última, además, la tensión con la que se alimentan estos circuitos.

➜➜ Tecnología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor, «semiconductor complementario de óxido metálico»), que emplea como elemento básico transistores MOS o derivados de los transistores de efecto de campo. Estos transistores, desde su invención, se han diferenciado por utilizar valores mayores de tensión para transmitir un valor alto a la vez que utilizan corrientes muy bajas, lo que hace que la tecnología CMOS destaque por su bajo consumo.

Gracias a esto, se han podido desarrollar dispositivos tales como ordenadores portátiles, tabletas y teléfonos móviles, que requieren ser autónomos de una fuente de alimentación.

ää 1.2 La lógica binaria Utilizando los valores de tensión, alto y bajo, indicados para cada tecnología, se establecen los conocidos como estados lógicos binarios. Un estado lógico binario puede tomar dos valores que se corresponden con cada valor de tensión. Por lo general, se utiliza la lógica positiva que asocia un valor bajo de tensión con un valor matemático «0» y un valor alto de tensión con un valor matemático «1». Ten en cuenta que estos valores matemáticos se han de considerar un elemento básico de información.

Cada una de estas posibilidades se denomina combinación. Así, si solo puedes utilizar un dígito, las combinaciones posibles son dos, el 1 y el 0. Pero si utilizas dos dígitos, tendrás 22 combinaciones, esto es, 4 combinaciones que son 00, 01, 10 y 11.

106

¿Has oído hablar de las puertas lógicas biológicas? Descubre e investiga a través de la lectura «Desde el ábaco hasta las bacterias» disponible en anayaeducacion.es.

Unidad 4

ää 1.3 El sistema de numeración binario natural Cuando escribes una secuencia de números en el sistema decimal, sabes que cada posición tiene un valor diferente, es decir, el dígito de la derecha es el que indica las unidades, y según avances hacia la izquierda, los dígitos tomarán el significado de decenas, centenas, millares, unidades de millar, etc. Observa, por ejemplo, cómo después de escribir el 9, no dispones de más números y tienes que incluir un dígito más a la izquierda. Así, escribirás en ese nuevo dígito el número 1 y, a la derecha, el 9 se cambiará por el 0. De esta forma, después del 9 podrás escribir el 10. Lo mismo ocurrirá cuando quieras escribir los números siguientes al 99, 999, al 9 999, etc.

Bit Un número binario de un dígito se denomina «bit». Esta palabra procede de la composición de las palabras binary digit en inglés.

Para codificar el número 3 en binario, hacen falta dos bits, y para codificar el número 6, se necesitan tres bits.

En el sistema de numeración binario natural sucede exactamente lo mismo. La diferencia es que solo dispones de las cifras 0 y 1 para componer todos los números. Por esa razón, cuando se listan los números binarios ordenados, al escribir el 0 y después el 1, el número que le seguirá es el 10.

De la misma forma, cuando se haya escrito el 11, el número siguiente que escribirás será el 100. Observa cómo después del 111 irá el 1000, después del 1111 irá el 10000, etc. Fíjate en la siguiente tabla en la que se muestran los primeros 16 números binarios ordenados de mayor a menor y en la columna de la derecha su correspondiente número en el sistema decimal.

Número binario

Número decimal

Número binario

Número decimal

0

0

1000

8

1

1

1001

9

10

2

1010

10

11

3

1011

11

100

4

1100

12

101

5

1101

13

110

6

1110

14

111

7

1111

15

Es importante que observes también cómo se convierten los números binarios en decimales. La posición de cada dígito tiene un valor. Así, el primer valor de la derecha indica si el número es par o impar dependiendo respectivamente si acaba en 0 o en 1. Esto se expresa matemáticamente como un valor de 20. El segundo dígito de la derecha indica si es múltiplo de 2 y, por tanto, tendrá un valor de 21; el tercero, si es múltiplo de 4, es decir, de 22, y así sucesivamente.

Fíjate de qué manera se convierte un número binario en su correspondiente decimal, por ejemplo, el 1101: 1101 = 1 x 23 + 1 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20 = 8 + 4 + 0 + 1 = 13. Comprueba este resultado en la tabla anterior.

2

5

2

4

2

3

2

2

2

1

2

Número decimal

0

Número binario

32

16

8

4

2

1

Número decimal equivalente

1101

–

–

1

1

0

1

13

¿Sabrías escribir tu nombre en binario? Convierte cualquier texto en código binario utilizando el traductor disponible en anayaeducacion.es.

Comprende, piensa, investiga...

1 Convierte estos números binarios en su correspondiente número decimal. a) 100101 b) 101010 c) 11001100 d) 11010101 e) 11010101 f) 10101010101

107

2 PUERTAS LÓGICAS BÁSICAS

Al igual que sucede con los números decimales, los números binarios también pueden operarse entre sí. Las operaciones que se pueden realizar se dividen en dos grandes grupos, operaciones aritméticas y funciones lógicas. Las primeras son las habituales: suma, diferencia, producto y división. Para calcularlas, se emplean las mismas reglas que ya conoces.

Pero lo que ha impulsado el desarrollo de los sistemas digitales es la aplicación de las funciones lógicas que cumplen una serie de leyes conocidas como álgebra de Boole. Por este motivo, a las funciones lógicas se las conoce también como lógica booleana.

El álgebra de Boole utiliza tres operaciones lógicas básicas. Existen funciones más complejas, pero siempre pueden ser reducidas hasta una combinación de estas tres:

➜➜ El complemento, o negación. ➜➜ La suma lógica. ➜➜ El producto lógico.

El empleo de una o varias de estas operaciones lógicas en una misma expresión se denomina función lógica. Dicha función utiliza variables de entrada independientes, las cuales pueden tomar cualquiera de las combinaciones posibles utilizando los estados lógicos 0 y 1, para dar lugar a una variable dependiente, o variable de salida.

Cualesquiera de estas operaciones han sido implementadas con circuitos electrónicos, conocidos como puertas lógicas. Así una puerta lógica dispone de unas entradas por las que recibe señales eléctricas y emite a través de un terminal de salida una señal eléctrica alta o baja como consecuencia de la operación lógica calculada.

Vamos a ver a continuación cómo define el álgebra de Boole las operaciones básicas mediante puertas lógicas.

ää 2.1 El complemento, o negación La operación complemento, o negación, establece una variable de salida cuyo valor es el estado binario contrario al de la variable de entrada. Si definimos una variable de entrada A, la operación se representa mediante una barra sobre la letra que representa la variable lógica.

Así, Ā es la negación de la variable A, por lo que una función complemento se escribirá F = Ā.

Tabla de verdad de la función NOT A

F

0 1

1 0

Símbolo electrónico de la puerta NOT

A

108

F

Esta operación se implementa en una puerta lógica, la puerta NOT, que da como resultado el inverso del estado de la variable de entrada.

Si A vale 1, Ā tomará el valor 0. Si por el contrario a A se le asigna el valor de 0, Ā tomará el valor de 1. Estos valores se pueden representar con la tabla de valores, conocida como tabla de verdad.

A la hora de representar esta función de forma esquemática, el símbolo empleado es un triángulo con una bolita en su vértice frontal, tal y como aparece en la figura de la izquierda.

La simbología de funciones lógicas que aparece en esta unidad es la más conocida para representar los dispositivos lógicos, la simbología estándar americana MIL. (Military standard graphics symbols for logic diagrams).

En anayaeducacion.es dispones de una presentación interactiva que te ayudará a entender el funcionamiento de las puertas lógicas.

Unidad 4

ää 2.2 La suma lógica

Suma lógica

La función suma lógica se aplica a más de una variable y se define como una operación que da como resultado un «1» cuando al menos una de las variables es «1». Este funcionamiento es el mismo que se consigue conectando dos interruptores en paralelo. Observa cómo, ante una corriente eléctrica, en el momento en que cualquiera de los dos interruptores se cierra, la corriente encontrará un camino para seguir circulando. Esta función se representa mediante el signo «+» al igual que la suma aritmética, pero debes tener en cuenta que una suma lógica y una suma aritmética son operaciones totalmente diferentes. Su expresión matemática es F = A + B. También es posible encontrar bibliografía que usa el símbolo «ˇ» en lugar de «+» F = A ˇ B. En el cuadro de la derecha puedes ver cuál es el símbolo de esta operación mediante una puerta lógica, denominada puerta OR, y la tabla de verdad que define la función de salida F ante las diferentes combinaciones de las entradas A y B.

Tabla de verdad AB

F

00 0 01 1 10 1 11 1 g=h Puerta OR

A

F

B Analogía eléctrica A

B

ää 2.3 El producto lógico

Producto lógico

La función producto lógico tiene la peculiaridad de ser una puerta que ofrece la intersección entre los valores de las variables. Esto significa que la función será «1» solo en el caso de que todas las variables de entrada tomen ese mismo valor. Este funcionamiento es el mismo que se consigue conectando dos interruptores en serie. Particularizando a una función lógica de dos entradas, por ejemplo A y B, se muestra en el cuadro de la derecha la tabla de verdad que corresponde a la puerta producto lógico, también conocida como puerta AND y que se representa mediante la ecuación F = A · B. En ella se observa cómo la función toma el valor «0» para todas las combinaciones, excepto para aquella en la que A y B toman el valor «1» simultáneamente.

También es posible encontrar bibliografía que usa el símbolo «ˆ» en lugar de «·» F = A ˆ B.

Tabla de verdad AB

F

00 01 10 11

0 0 0 1

Puerta AND

A

F

B Analogía eléctrica

A

Ejemplo resuelto

B

Funciones compuestas A partir de las tres puertas lógicas NOT, OR y AND, se pueden componer funciones más complejas. Observa, por ejemplo, la siguiente expresión matemática: F = (A + B) · C Esta expresión indica que al resultado de la suma lógica de A y B se le aplicará posteriormente el producto lógico por C. Si llevas a cabo las operaciones para cada una de las combinaciones posibles de las tres variables A, B y C, obtendrás la tabla de verdad representada a la derecha. El esquema del circuito digital será: A B

F

A B C

F

0 0 0

0

0 0 1

0

0 1 0

0

0 1

1

1

1 0 0

0

1 0 1

1

1 1 0

0

1 1 1

1

C

109

ää 2.4 Las puertas negadas NAND y NOR

2 PUERTAS LÓGICAS BÁSICAS

Aunque aparentemente una función negada puede entenderse como el resultado de aplicar la operación complemento o negación a cualquiera de las puertas AND y OR, desde el punto de vista industrial, las puertas NAND y NOR tienen una enorme importancia, ya que, paradójicamente, para fabricar una puerta lógica negada se utilizan menos transistores que para fabricar las puertas AND y OR.

Puerta NAND Tabla de verdad A B

F

0 0

1

0

1

1

1 0

1

1

0

1

Símbolo

A

F

B

Una puerta NAND tendrá una tabla de verdad complementaria a la de la puerta AND; es decir, mientras que alguna de las variables de entrada tenga un valor «0», la variable de salida tomará el valor de «1». Observa, además, el símbolo digital empleado para representar la función en un esquema eléctrico que se basa en la forma de la puerta AND a la que se le ha añadido una bolita representativa de la negación de la función original.

Puerta NOR Tabla de verdad A B

F

0 0

1

0

1

0

1 0

0

1

0

1

Símbolo

A

El empleo de menor número de transistores para fabricar una puerta tiene como consecuencia menores consumos y un aumento significativo en la velocidad de respuesta de las puertas. En definitiva, construir circuitos mediante puertas negadas es una de las técnicas preferidas por la comunidad dedicada al desarrollo e ingeniería de hardware.

F

B

En cambio, la función NOR representa la negación de la puerta OR y se obtendrá como resultado un «1» solo en los casos en que las variables de entrada sean simultáneamente «0».

Ejemplo resuelto Comprende, piensa, investiga...

Saco de dudas

2 Utilizando puertas lógicas de 2 entradas, dibuja los esquemas de los circuitos que correspondan a las siguientes funciones lógicas: F=A+B+C G=A·B·C H = (A · B) + (A · C) M = (A · B) + (Ā · B) K = (A + B) · (Ā + B) Z = (A · B · C) + Ā · C̄ F = [Ā · B̄ · C̄ ] + [Ā · B̄ · C] + + [Ā · B · C̄ ] + [Ā · B · C]

3 Para cada función, construye una tabla de verdad escribiendo todas las posibles combinaciones para las variables independientes y obtén el valor de la función correspondiente en cada caso.

110

Conseguir puertas NOT con puertas NAND o NOR Como verás más adelante en la unidad, las puertas lógicas se encapsulan de forma múltiple en circuitos integrados. A menudo, ocurre que hay que comprar un circuito integrado para utilizar una sola puerta de las 6 u 8 que suele tener cada uno. Ese desperdicio se puede solucionar si estás utilizando un circuito integrado de puertas NAND o NOR y tienes alguna sin utilizar. ¿Cómo se puede hacer?

La forma de reconvertir una puerta NOR o una puerta NAND es muy sencilla. Basta con unir los terminales de las variables de entrada. De esta forma, en la puerta solo permites dos posibilidades de entrada: un «0» o un «1» que se introducirán por igual en todas las entradas simultáneamente.

Observa la tabla de verdad de la puerta NAND o de la puerta NOR y podrás comprobar esto.

3 LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES

Unidad 4

En 1959, el ingeniero Jack Kilby logró integrar varios componentes semiconductores sobre el mismo sustrato. Con esto había conseguido encapsular en un mismo componente todo un circuito electrónico. A partir de este punto, la mayoría de los fabricantes iniciaron la carrera por tratar de integrar en una misma pastilla circuitos cada vez más densos y complejos.

El nivel de complejidad y densidad se mide por la cantidad de transistores utilizados en los circuitos integrados. Esto es lo que se denomina la escala de integración. Desde la década de 1960, las capacidades para incluir mayor cantidad de transistores en menores áreas de semiconductor se han multiplicado.

Observa la siguiente tabla en la que se expone la información de la escala de integración (SI, del inglés Scale of Integration):

Prototipo del circuito integrado de Jack Kilby.

Gracias a su invención pudo desarrollar el primer ordenador que incorporaba circuitos integrados, la calculadora, la impresora térmica y muchos otros inventos. En el año 2000 obtuvo el Premio Nobel de Física.

Escala

Significado

Transistores empleados

Año

S

Pequeña (Small)

2-25

1960

M

Mediana (Medium)

25-100

1965

L

Grande (Large)

100-1 000

1971

VL

Muy grande (Very Large)

1 000-10

1982

UL

Ultragrande (Ultra Large)

6

10 -10

1988

GL

Gigagrande (Giga Large)

106-109

1996

XL

Extremadamente grande (Extreme Large)

>109

2005

5

5

1971 Microprocesador de 4 bits

1985 Microprocesador de 32 bits

1993 Microprocesador de 64 bits

2010 Microprocesador de 64 bits

2017 Microprocesador de 64 bits

2 300 transistores

275 000 transistores

3 100 000 transistores

382 000 000 transistores

1 000 000 000 transistores

Aunque los circuitos digitales que se incluyen en los microprocesadores tienden a alcanzar escalas de integración cada vez mayores, los que constituyen circuitos integrados de puertas lógicas se siguen fabricando desde hace tres décadas con tecnologías y escalas de integración similares.

Así, las puertas lógicas se encapsulan en circuitos integrados y cada uno suele contener varias puertas que se alimentan desde una señal activa común, normalmente denominada VCC, y disponen de un terminal común de masa, denominado comúnmente GND, donde se conecta el valor de referencia de tensión de 0 voltios.

Fujitsu, fábrica de productos electrónicos situada en Málaga: operaria atornillando una placa base.

Todos los chips, o circuitos integrados, se fabrican siguiendo unos modelos estandarizados. Por ejemplo, el modelo de la figura corresponde a un circuito integrado dual-in-line package de 14 pines. Cualquier configuración de puertas lógicas o de circuito lógico que utilice este formato tendrá la misma apariencia. Otras configuraciones que podemos encontrar en el mercado son los circuitos SIL (Single-in-Line package), o los circuitos integrados de soldadura superficial, o SMD. Estos últimos son muy habituales en la industria electrónica.

111

3 LOS CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES

Presentación comercial La mayoría de las puertas lógicas se encapsulan en chips de plástico con disposición de los terminales en ambos lados, conocidos como Dual-in-Line package y suelen ser de 14 terminales. También se pueden encontrar algunas puertas lógicas encapsuladas con 10, 12, 16 e, incluso, 24 terminales. No obstante, todos los fabricantes disponen de un catálogo en Internet para cada modelo de chip, que puede ser consultado accediendo a su página.

Punto de terminal 1 Rebaje frontal

Los circuitos integrados, dependiendo de la tecnología de transistores que se emplee, tendrán características de consumo de corriente y potencia eléctrica, niveles de voltaje para cada estado lógico y tiempos de respuesta diferentes, aunque funcionarán de la misma forma.

Terminal 7

Terminal 14 Terminal 1

Así, la tecnología TTL, que emplea transistores bipolares, consumirá más, aunque el tiempo de respuesta en la salida será menor. Esta tecnología se reconoce por utilizar el número 74 como prefijo en la denominación de los circuitos integrados. Además, la tecnología TTL se diversifica en varias familias que se reconocen por una o dos letras que siguen al prefijo 74. Por ejemplo, podrás encontrar en el mercado un circuito integrado, el 7404, en el que todos los fabricantes encapsulan seis puertas NOT, y sus versiones 74LS04, de bajo consumo, 74H04, de menor tiempo de respuesta, etc.

Puerta NOT Circuito integrado TTL serie 7404

Puerta NAND Circuito integrado TTL serie 7400

VCC

Puerta NOR Circuito integrado TTL serie 7402

VCC

Puerta OR Circuito integrado TTL serie 7452

VCC

VCC

14

13

12

11

10

9

8

14

13

12

11

10

9

8

14

13

12

11

10

9

8

14

13

12

11

10

9

8

1

2

3

4

5

6

7 GND

1

2

3

4

5

6

7 GND

1

2

3

4

5

6

7 GND

1

2

3

4

5

6

7 GND

Por otro lado, la tecnología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), que emplea transistores de efecto de campo (MOSFET o MOS Field Effect Transistor). Estos transistores tienen la peculiaridad de polarizarse con tensiones en lugar de con corrientes, como lo hacen los transistores bipolares que dan lugar a la tecnología TTL. Así, los transistores MOS son más pequeños que los bipolares, tienen un consumo mucho menor y, además, permiten a los circuitos CMOS «regenerar» las señales que llegan degradadas. En cambio, las señales evolucionan con retardos de propagación mucho mayores, si bien existen algunas soluciones técnicas que reducen los tiempos de propagación.

Los circuitos integrados de esta familia se denominan con un número que empieza por 4 (por ejemplo 4001, 4011, 4081) y son los más utilizados en la actualidad, empleándose en la fabricación de microprocesadores, memorias, procesadores digitales de señales, y otros muchos dispositivos en los que se precisa un consumo bajo de energía.

112

Unidad 4 NOT CMOS serie 4069

NAND CMOS serie 4011

VCC

NOR CMOS serie 4001

VCC

OR CMOS serie 4071

VCC

VCC

14

13

12

11

10

9

8

14

13

12

11

10

9

8

14

13

12

11

10

9

8

14

13

12

11

10

9

8

1

2

3

4

5

6

7 GND

1

2

3

4

5

6

7 GND

1

2

3

4

5

6

7 GND

1

2

3

4

5

6

7 GND

Comprende, piensa, investiga...

Pienso, me interesa, investigo

4 Averigua qué son los siguientes circuitos integrados: CMOS

TTL

4071

7408

e) ¿Cuál es el rango operativo de temperatura para su funcionamiento?

4000

7410

6 Uno de los parámetros de las puertas lógicas es

4002

7421

4098

7430

el conocido como Fan-out. Averigua qué significa y en qué unidades se mide.

4049

7408

7 De los catálogos de fabricantes se han obtenido

5 En la tabla inferior se han reproducido los datos que un determinado fabricante ha publicado en su catálogo de productos. Corresponden al circuito integrado de una puerta lógica NAND de dos entradas. Observa los valores y responde a las siguientes preguntas: a) ¿Cuál es el rango de alimentación del circuito integrado? b) En la segunda línea se indica el voltaje de entrada admisible en nivel alto. ¿Por qué solamente se indica el valor mínimo? c) Con el valor VIL también se ofrece solo un dato, el valor máximo de voltaje. ¿Por qué no se indica otro valor?

Símbolo

d) ¿Qué significado crees que tiene que el valor indicado en el parámetro IOH sea negativo?

Parámetro

los valores de propagación de señales a través de una puerta que indican cuánto tarda en reaccionar al producirse un cambio en la entrada de una puerta lógica. Observa los datos expresados en nanosegundos e indica a qué tecnología crees que pertenece cada uno, justificando tu respuesta.

Tiempo de propagación

Familia lógica A

Familia lógica B

Medio

Máximo

Medio

Máximo

50

100

4

10

Imagínate que se ha de transmitir una señal a través de un millar de circuitos lógicos ¿Qué diferencia máxima de tiempo habrá dependiendo de qué tecnología se emplee?

Mín

Nom

Máx

Unidades

4,75

5

5,25

V

VCC

Tensión de alimentación

VIH

Entrada, nivel alto (HIGH)

VIL

Entrada, nivel bajo (LOW)

0,8

V

IOH

Salida, nivel alto (HIGH)

–0,4

mA

IOL

Salida, nivel bajo (LOW)

8

mA

TA

Temperatura de funcionamiento

70

°C

2

0

V

113

4 Para el diseño de circuitos digitales, los programas de simulación permiten ahorrar mucho tiempo. Hay gran variedad de programas de simulación, pero una buena opción para iniciarte en el diseño de circuitos digitales es Logisim, un programa de distribución gratuita que puedes descargar desde https://sourceforge.net/projects/circuit/. El uso de Logisim es muy intuitivo y sencillo, y puedes instalarlo en sistemas Linux, MacOS y Windows.

SIMULACIÓN DE CIRCUITOS LÓGICOS CON LOGISIM

Nada más instalarlo, podrás ver la siguiente ventana provista de diversas áreas, las más importantes están indicadas en la figura.

Menú de opciones Utilidades de acceso directo

Panel de exploración de componentes

Lienzo de trabajo

Panel de atributos y propiedades de los componentes

Por su utilidad y mayor uso, debajo del menú de opciones dispones de una primera fila superior de Utilidades de acceso directo. Estas son las siguientes: Acceso

A

114

Unidad

Acceso

Unidad

La mano permite cambiar los valores digitales en las entradas del circuito.

Nodo terminal de salida. Normalmente, las funciones tienen un solo terminal de salida que es la variable dependiente de la función, pero puede que en algún caso quieras monitorizar algún cable intermedio.

La flecha es para realizar selecciones simples de componentes o crear cables de conexión entre componentes, pulsando la tecla izquierda del ratón y arrastrándolo hasta la posición deseada. Si dibujas un cuadrado en el lienzo, todos los componentes que se encuentren dentro de él podrán ser movidos sin perder las conexiones con el resto de los componentes fuera de la selección múltiple.

Acceso directo para situar una puerta NOT en el lienzo.

Herramienta de edición de texto para escribir indicaciones en el lienzo.

Acceso directo para situar una puerta AND en el lienzo.

Nodo terminal de entrada. Se colocará uno de estos símbolos por cada entrada independiente que tenga la función lógica del circuito.

Acceso directo para situar una puerta OR en el lienzo.

En el vídeo «Diseña y construye un circuito lógico» disponible en anayaeducacion.es podrás ver cómo se construye un circuito en Logisim y su simulación en Tinkercad.

Unidad 4

ää 4.1 Diseñando circuitos Práctica guiada Vamos a construir paso a paso el circuito que implementa la función F = (A + B) · C

Paso 1 Despliega la carpeta Puertas en el panel de exploración de componentes y selecciona la puerta AND mediante un clic. Mueve el ratón al lienzo de trabajo y verás cómo aparecerá la puerta que podrás situar donde quieras.

Repite esta misma operación con una puerta OR. Coloca la puerta OR a la izquierda de la puerta AND, porque vas a proceder a conectarlas entre sí.

Incluye tres terminales cuadrados, que serán los valores de las variables, y un terminal redondo, que actuará como estado de la variable dependiente o resultado de la función.

Paso 2 Para crear las conexiones, usaremos el botón izquierdo del ratón. Se hace clic sobre un terminal y se arrastra hasta el terminal de destino sin soltar. Si necesitas partir del terminal de un componente y conectar con otro cable, lo podrás hacer soltando la tecla del ratón cuando hayas llegado al cable. Si pasas por encima pero no te detienes, los cables se entrecruzan pero no se conectan.

Es muy posible que los terminales de entrada tengan la conexión con una orientación que no te conviene para luego lanzar los cables.

Para cambiar la orientación, tienes que seleccionar el nodo terminal y, en el panel de atributos, cambiar la propiedad Orientación.

En el caso del siguiente esquema, los nodos terminales se han orientado hacia abajo (Orientación Sur). En definitiva, procura que el circuito quede parecido a este.

Paso 3 Si quieres hacer más compacto el circuito o mover una de las puertas, utiliza la herramienta flecha como se indica en la tabla de la página anterior.

115

4 SIMULACIÓN DE CIRCUITOS LÓGICOS CON LOGISIM Selección: Puerta OR Orientación

Este

Bits de datos

1

Tamaño de puerta

Medium

Número de esntradas

2

Outpue value

0/1

Etiqueta

OR

Fuente de etiquetado

Sans Serif plano 12

Negate 1 (Arriba)

No

Fuente del etiquetado

No

Práctica guiada Paso 4 Edita las puertas y los terminales para darles nombres aplicando textos en el panel de atributos. Todos los componentes poseen una propiedad «etiqueta» donde les podrás asignar un nombre uno a uno. Los nodos de entrada se llamarán «A», «B» y «C», las puertas «AND» y «OR», y el terminal de salida «F». En el caso de las puertas, hay otros atributos que tendrás que modificar según el tipo de circuito, como, por ejemplo, «Número de entradas», que en este caso restringirás a las 2 necesarias, o el «Tamaño de la puerta», que por defecto aparecerá en el valor «Medium».

Para simular el funcionamiento del circuito, usaremos la herramienta de cambio (mano). Al presionar sobre los terminales de entrada cambiarán de 0 a 1 y, si presionamos de nuevo, de 1 a 0.

Comprende, piensa, investiga...

8 Sigue los mismos pasos para construir las siguientes funciones, guiándote de los paréntesis para las conexiones: F = (A + B) + (B · C) G=A·B·C+Ā·B·C H = (A · B) + (A · C̄)

9 Observa el circuito de la derecha y responde a las siguientes preguntas: a) ¿Cuál es la expresión de F en función de las variables A, B y C? b) ¿Cuántas puertas diferentes utiliza el circuito? c) ¿Cuántos circuitos integrados se han de emplear para construir la función lógica propuesta? d) ¿Se podría hacer algún cambio en alguno de los componentes para conseguir utilizar el menor número de circuitos integrados?

116

Piensa y comparte en pareja

e) Utiliza la herramienta de la mano para cambiar los valores de las entradas. Marca todas las combinaciones e indica si observas algo extraño en la función F.

Unidad 4

ää 4.2 Comprobando el funcionamiento de los circuitos

A menudo, en el diseño de circuitos lógicos, se parte de un problema técnico que hay que solucionar. Es decir, se conocen las variables de entrada, que normalmente serán elementos sensores de entorno, o mecanismos eléctricos, como interruptores o pulsadores, y también las señales de salida que alimentarán un determinado actuador. Entre ellos existirá una relación matemática que se conoce mediante la tabla de verdad.

En estos casos, Logisim permitirá la definición de las variables y la tabla de verdad mediante la opción Ventana/Análisis combinacional.

Vamos a plantear la tabla de verdad de una función con tres variables de entrada A, B y C y una variable de salida F, cuyos valores han sido elegidos al azar.

Entradas

Salidas

A

B

C

F

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

1

0

0

0

1

0

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

La tabla de verdad con la que vamos a trabajar es la que aparece en el margen.

Al invocar esta parte de la aplicación, aparece una ventana con múltiples pestañas. En las dos primeras de la izquierda, Entradas y Salidas, habrá que dar nombre a las variables. Para ello, escribe en el cuadro de texto, una a una, las variables A, B y C, y pulsa en cada caso el botón Añadir.

A continuación, pulsa en la pestaña Tabla y escribe directamente los valores de cada combinación en el lugar donde están escritas las «X».

Con un clic sobre la «X» aparece un «0» y con dos clics escribirás un «1».

Una vez que hayas terminado de colocar todos los valores binarios en la función F, el simulador efectúa los cálculos precisos para obtener la expresión matemática. Para ello, pulsa en la pestaña Expresión donde podrás comprobar el resultado de esta simulación y de la aplicación de las reglas del álgebra de Boole a la hora de simplificar las expresiones en las funciones digitales.

117

4 SIMULACIÓN DE CIRCUITOS LÓGICOS CON LOGISIM

Aproximación a la expresión matemática que representa la función Observa que en total hay cuatro combinaciones que en la tabla de verdad dan como resultado un 1. La forma de expresarlas es sumando las cuatro combinaciones en una suma total. Cada uno de los sumandos corresponde con el producto de las tres variables A, B y C, de manera que el producto de las cuatro formas sea «1». Así, en la primera combinación ABC = 001, para que la función F sea «1», hay que escribir Ā · B̄ · C, esto es, al tener A un valor «0», B un «0» y C un «1», se obtiene Ā = 0̄ = 1, B̄ = 0̄ = 1 y C = 1. En total, las expresiones afectadas en la función F son: Posición del sumando en la tabla de verdad

Combinación de ABC

Expresión que da lugar a F = «1»

2.°

001

– Ā ·B · C

3.°

010

– Ā · B ·C

6.°

101

– A ·B · C

8.°

111

A·B·C

F = Ā · B̄ · C + Ā · B · C̄ + A · B̄ · C + A · B · C El proceso que sigue Logisim para simplificar es tratar de determinar qué parte de las expresiones no interviene en el resultado final. Vamos a hacer un análisis concreto de los sumandos segundo y sexto. Observa cómo ambos tienen en común la expresión B̄ · C, pero el segundo tiene Ā, y el sexto, simplemente A. Es decir, que lo importante para que la función sea «1» es que se conserve la expresión B̄ · C, mientras que no importa el valor que tome A, porque puede ser «0» o «1». Esto indica que la expresión de ambos sumandos se puede reducir a: Ā · B̄ · C + A · B̄ · C = [Ā + A] · B̄ · C = [1] · B̄ · C = B̄ · C Una vez simplificada la expresión de los sumandos segundo y sexto la expresión de la función quedaría así: F = B̄ · C + Ā · B · C̄ + A · B · C

Obtención en Logisim de la expresión matemática Si pulsas en la pestaña Minimizado, verás que aparece esta asociación en una matriz cuadrada llamada mapa de Karnaugh, donde se sitúan todos los 1 y 0, y en la que aparecen las posiciones segunda y sexta anexas una a otra sombreadas de color rosa. En definitiva, Logisim ha encontrado en el mapa dos simplificaciones (la sombreada en rosa y la sombreada en azul) y una combinación que por su situación aislada no puede simplificarse: F = B̄ · C + Ā · B · C̄ + A · C Esta no es la expresión más simplificada de forma absoluta, pero sí es la más simplificada en la forma de suma de productos utilizando el mapa de Karnaugh. Si miras detenidamente la función, el primer y el tercer sumando tienen la variable C en común, por lo que se podría simplificar aún más, aunque tendrás que evaluar estas simplificaciones ulteriores, porque no siempre una simplificación necesariamente implica una solución más barata.

Para finalizar, solo queda generar el circuito digital con puertas lógicas pulsando en el botón Crear Circuito. Tendrás que indicar el proyecto al que asignarás el circuito si tienes abierto más de uno, darle un nombre al circuito y seleccionar si quieres que se utilicen solo puertas con dos entradas y si quieres utilizar solo puertas NAND. 118

Unidad 4

ää 4.3 La forma más barata de fabricar circuitos El método de simplificación mediante el mapa de Karnaugh es una forma muy eficaz de simplificar funciones sin tener que entrar en farragosos cálculos matemáticos. Las expresiones obtenidas son las que menor número de puertas emplean.

Pero las puertas lógicas, como has visto en el epígrafe 3 de esta unidad, se venden encapsuladas en circuitos integrados. Así, la diversidad de puertas en una misma solución puede obligar a comprar tres o cuatro tipos distintos de circuitos integrados. En el proceso anterior, en el último paso el programa Logisim daba tres opciones:

➜➜ Crear el circuito con las puertas propuestas por la solución de la función.

➜➜ Crear el circuito empleando puertas dotadas de solo dos entradas. ➜➜ Crear un circuito utilizando solo puertas NAND, proceso, por otra parte, denominado «homogenización de circuitos lógicos».

Comprobaremos las tres opciones para evaluar cuál es la solución óptima que utiliza el menor número de circuitos integrados. Comprueba en Internet estos circuitos integrados para entender qué cantidad de circuitos hace falta en cada caso. a) Circuito con puertas heterogéneas con tecnología CMOS Puerta lógica

Cantidad de puertas

Circuito integrado

Cantidad de circuitos integrados

NOT

3

4049

1

AND 2 Input

2

4081

1

AND 3 Input

1

4073

1

OR 3 Input

1

4075

1

Total circuitos integrados

4

b) Circuito con puertas heterogéneas de dos entradas con tecnología CMOS Puerta lógica

Cantidad de puertas

Circuito integrado

Cantidad de circuitos integrados

NOT

3

4049

1

OR 2 Input

2

4071

1

AND 2 Input

4

4081

1

Total circuitos integrados

3

c) Circuito con puertas heterogéneas NAND con tecnología CMOS Puerta lógica

Cantidad de puertas

Circuito integrado

Cantidad de circuitos integrados

NAND 2 Input

11

4011

3

Total circuitos integrados

3

Para la función F dada, las soluciones b y c son las más apropiadas.

Si imponemos criterios técnicos relacionados con los retardos acumulados en la propagación de señales en el circuito, deberemos elegir como óptima la solución b.

119

5 En los sistemas digitales, no todo son circuitos integrados con puertas lógicas. Existen otros tipos de circuitos que desarrollan funciones distintas, que pueden incluso dar lugar a la creación de funciones lógicas. Estos son los decodificadores y los multiplexores.

DECODIFICADORES Y MULTIPLEXORES Entradas

Salidas

A

B

D0

D1

D2

D3

0

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

0

1

0

0

1

0

0

1

1

1

0

0

0

ää 5.1 Decodificador Un decodificador, o «decoder», es un circuito digital combinacional, esto es, que se constituye a partir de puertas lógicas. Su funcionamiento depende del número de entradas y salidas, y así, se dispone de decodificadores de 2 entradas y 4 salidas (denominados decodificadores 2/4), de 3 entradas y 8 salidas (llamados decodificadores 3/8); en general, reciben n entradas y producen 2n salidas.

Su funcionamiento se basa en la inserción de un código binario natural en sus entradas y la activación de una sola salida de todas las posibles. Cada salida indicará una combinación del código de entrada.

Así, un decodificador 2/4 dispone de dos entradas binarias a través de las cuales se puede introducir cualquiera de los cuatro códigos que corresponden con cada una de las combinaciones posibles, es decir, 00, 01, 10 y 11. Cada una de estas señales de entrada activará, respectivamente, las salidas D0, D1, D2 y D3.

El decodificador 2/4 más habitual en tecnología TTL es el encapsulado en el circuito integrado 74VHC13. Este decodificador actúa de forma inversa; es decir, su tabla de verdad considera activas las señales negadas. Observa la tabla de verdad y la disposición de los terminales en la figura inferior, extraída del catálogo de un fabricante.

− Ea

1

16

VCC

A0a

2

15

− Eb

A1a

3

14

A0b

— O0a

4

13

A1b

— O1a

5

12

— O2a

6

— O3a GND

Salidas

– E

A0

A1

– O0

– O1

– O2

– O3

H

X

X

H

H

H

H

— O0b

L

L

L

L

H

H

H

11

— O1b

L

H

L

H

L

H

H

7

10

— O2b

L

L

H

H

H

L

H

8

9

— O3b

L

H

H

H

H

H

L

Comprende, piensa, investiga...

10 Accede a la página web de algún fabricante de circuitos integrados como Fairchild y trata de encontrar el circuito integrado decodificador 3/8. Escribe en tu cuaderno la disposición de sus terminales y su tabla de verdad.

120

Entradas

H = HIGH Voltage Level (1) L = LOW Voltage Level (0) X = Indiferente

En la figura habrás observado que en la definición de la tabla de verdad no se emplean 0 o 1, sino H y L, valores indicativos de tensiones altas o bajas. En esencia, es la misma información, ya que normalmente asociaremos L = 0 y H = 1. No obstante, en la distribución de los terminales en el plano de la izquierda podrás observar cómo los terminales se activan mediante valores L, lo que se indica a menudo como activación por señales negadas y de ahí la barra sobre el nombre de cada terminal. El circuito integrado contiene dos decodificadores que se pueden utilizar de forma independiente.

Unidad 4

ää 5.2 Multiplexor Un multiplexor es un circuito fabricado con puertas lógicas equipado con varias entradas lógicas, llamadas entradas de dato, pero con una sola salida; en cierto modo, un multiplexor actúa como un conmutador múltiple, en el que se pone en contacto una de las entradas con la salida. La selección de qué entrada se conectará con la salida se lleva a cabo mediante unas entradas adicionales llamadas entradas de selección. Observa esta configuración en la figura de la derecha.

Entradas de datos

MUX

Salida Y

-

Dn-1 Dn

A B C ... N

Entradas digitales de selección

El multiplexor más sencillo es el multiplexor 2/1. Este dispositivo ha sido desarrollado en el circuito integrado 74157 en el que se incluyen cuatro multiplexores iguales en su funcionamiento. El circuito integrado 74157 utiliza, además de VCC y GND como terminales de alimentación, una entrada STROBE común a los 4 multiplexores, la cual si se encuentra en valor alto (1), los mantiene inhibidos, es decir, ninguno de ellos funciona. Solo cuando STROBE tiene nivel bajo (0), se puede utilizar cualquiera de los multiplexores.

El terminal SELECT actúa como entrada de selección. Si SELECT = 0, se conectan las entradas 1A, 2A, 3A, y 4A, respectivamente, con las salidas 1Y, 2Y, 3Y y 4Y. En caso de que SELECT = 1, serán las entradas 1B, 2B, 3B y 4B las que se conecten con sus respectivas salidas 1Y, 2Y, 3Y y 4Y.

1

Select

VCC

16

1

2

1A

Strobe

15

2

3

1B

4A

14

3

Strobe VCC 16 1G Strobe 15 B 2G 1C3 A 14

4

1Y

4B

13

4

1C2

2C3

13

5

2A

4Y

12

5

1C1

2C2

12

6

2B

3A

11

6

1C0

2C1

11

7

2Y

3B

10

7

1Y

2C0

10

8

GND

3Y

9

8

GND

2Y

9

74157

STROBE

Por otra parte, el circuito integrado 74153 contiene dos multiplexores 4/1. En este caso, cada uno de los multiplexores, 1 y 2, dispone de una entrada de inhibición (STROBE1G y STROBE2G) que se activa con nivel bajo (0). Cada uno de ellos dispone de cuatro entradas 1C3-1C21C1-1C0 para el multiplexor 1 y 2C3-2C2-2C1-2C0 para el multiplexor 2 que se conectarán con sus respectivas salidas 1Y y 2Y según la combinación de las entradas SelectB y SelectA. Para entender mejor su funcionamiento, observa la tabla de funcionamiento del multiplexor 1.

Comprende, piensa, investiga...

D1 D2 D3 D4

1

74153

SelectBSelectA

Salida 1Y

Multiplexor bloqueado e inhibido

0

0-0

1C0

0

0-1

1C1

0

1-0

1C2

0

1-1

1C3

Preparar la tarea

11 Un tipo especial de decodificador es el cono-

12 Haz un diagrama de bloque donde representes

cido como decodificador BCD a display de 7 segmentos. El código BCD es un tipo particular de código binario en el que solo se codifican mediante cuatro bits los diez números decimales que se pueden representar con un dígito, es decir, del 0 al 9. Estos decodificadores admiten como entradas un número decimal codificado en binario, procediendo a activar las salidas oportunas para iluminar un dispositivo visualizador de siete segmentos.

un multiplexor 4/1, indicando los bits de dato, los bits de selección y la salida Y.

Accede a la información de algún fabricante, busca los circuitos integrados 4511 en CMOS o 7447 en TTL y trata de entender la distribución de los terminales y su funcionamiento.

Conecta una señal de «0» o de «1» en los bits de dato para que se cumpla la siguiente tabla: SelectB-SelectA

Salida 1Y

0-0

1

0-1

0

1-0

0

1-1

1

13 Dibuja un esquema de los componentes y las conexiones necesarios para implementar la función lógica F = Ā · D + B̄ · D̄ + B · C · D + A · B̄ · C̄ mediante un multiplexor. Busca en la Web y elige el dispositivo que creas más conveniente.

121

ología

Taller de tecn

DISEÑA UN CIRCUITO ELECTRÓNICO DIGITAL DE SEGURIDAD En un taller se utiliza un brazo robótico para llevar a cabo un trabajo de pintura de chapa. Dado que el brazo es móvil, se ha querido incluir un sistema de seguridad compuesto por tres sensores de presencia dispuestos en posiciones de riesgo cercanos al robot, para que, en caso de que esté funcionando, este se pare inmediatamente si alguno de los sensores detecta presencia humana en las proximidades del robot. Este problema es aplicable a muchos otros sistemas.

Presentación del proyecto

PA S O 1

Definición de las variables que intervienen Vamos a construir el sistema lógico que atiende a esta situación.

Comenzamos definiendo las variables de entrada. La primera variable de entrada (A) indica el propio funcionamiento del robot, es decir, una variable que si se encuentra a nivel bajo (0), es indicativa de ausencia de peligro porque el robot está parado, y cuando transporta un nivel alto (1), determina que el robot está operativo. Las otras tres variables (B, C y D) contendrán la información binaria que indica, respectivamente, la posición de una persona en las inmediaciones del robot mediante un nivel alto (1).

Con este planteamiento y esta definición de las variables de entrada, la salida vendrá determinada por una función F que tendrá un nivel bajo (0) cuando no haya peligro, mientras que cuando porte un nivel alto (1), indicará que es preciso parar el robot de forma inmediata.

C

D

B

PA S O 2

Realización de la tabla de verdad Observa en la tabla de verdad que mientras A tenga el valor 0, la función F será 0, de la misma forma que cuando A tenga el valor 1, la función F no informará de peligro hasta que todos los sensores se encuentren en nivel bajo (0).

En el resto de combinaciones, la variable F será un nivel alto (1).

INICIO

Encender robot

Leer sensores B, C y D

B=1oC=1oD=1

SÍ Detener

122

NO

Pintar

A

B

C

D

F

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

0

0

1

1

0

0

1

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

0

0

0

1

1

1

0

1

0

0

0

0

1

0

0

1

1

1

0

1

0

1

1

0

1

1

1

1

1

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

Unidad 4

PA S O 3

Simplificación de la función lógica F Utilizando Logisim, la función F se minimiza a la siguiente expresión: F = A D + A C + A B y, por tanto, se puede simplificar a F = A · [D + (C + B)], de forma que se podrán utilizar puertas de dos entradas.

Esto implica el empleo de una puerta AND de dos entradas y de dos puertas OR de dos entradas, como se puede ver en el circuito lógico de la izquierda.

Comprueba en Logisim que cambiando las entradas, las combinaciones cumplen la función como en la tabla de verdad.

PA S O 4 : Lista de componentes 3 nm. ➜➜ L1 Diodo led rojo de 63

Elección de los componentes y cableado El circuito es sencillo de montar, ya que bastará con adquirir dos circuitos integrados, hilo de cobre y una placa de prototipado o breadboard.

.

0 Ω ± 5 % ➜➜ R1 Resistencia de 33

tradas.

de dos en ➜➜ U1 CI 7432, puerta OR

D de dos entradas. ➜➜ U2 CI 7408, puerta AN

PA S O 5

En este caso, vamos a utilizar tecnología TTL y como fuente de alimentación emplearemos cualquiera de las fuentes de tensión variables que tenemos en el taller que fijaremos a 5 voltios.

La salida de la función F será un led.

Simulación en Tinkercad Utiliza Tinkercad para crear el circuito y simular su funcionamiento antes de proceder al montaje en el aula-taller. Observa que el resultado debe ser algo similar a la imagen de la izquierda.

En el gráfico, las conexiones se han hecho de la siguiente forma: cable rojo VCC, negro GND, azul para las entradas A, B, C y D, naranja para la salida F y verde para la conexión entre puertas lógicas.

Para facilitar el reconocimiento de las entradas de la función, se han rotulado y señalado convenientemente.

Se puede simular la introducción de valores 0 y 1 uniendo las entradas con GND o VCC. A modo de ejemplo, puedes ver cómo sería la introducción de la combinación 1111, esto es, todas las entradas unidas a VCC. Se han empleado cables de color morado para distinguirlos del resto de cables utilizados hasta el momento.

Ahora se puede comprobar cómo se enciende el led y el valor de la corriente consumida por el circuito se ha incrementado, tal y como muestra el amperímetro integrado en la fuente de alimentación.

Comprueba cómo cambia el valor de intensidad del amperímetro según conectas las distintas entradas de datos. Anota en tu cuaderno los valores de corriente y las conclusiones que extraes de las distintas medidas obtenidas con las diferentes combinaciones de entrada.

123

l de r el materia selecciona Recuerda . lio fo rt ra tu po unidad pa

esta trabajo de

ndido

o apre l n o c a j a b a r t

9 Monta el siguiente circuito con Logisim y escribe

Lógica binaria 1 Anota en tu cuaderno cuántas combinaciones se pueden codificar en binario natural en los siguientes casos usando 5 bits - 8 bits - 10 bits - 12 bits.

en tu cuaderno la tabla de verdad de la función a la salida de cada puerta lógica.

Anota también el número más grande que se puede codificar en cada uno de los casos anteriores.

2 Ordena de mayor a menor los siguientes números binarios de cuatro dígitos: 0110 - 0001 - 1001 - 1111 - 1100 - 0101 - 1101 - 0111

3 Convierte en decimal el número binario 0100101.

Puertas lógicas básicas 4

10 Construye la tabla de verdad del siguiente circui-

Explica qué diferencia existe entre una operación aritmética y una operación lógica.

to lógico y trata de obtener, utilizando Logisim, el circuito más simplificado:

5 Escribe las tablas de verdad de las funciones NAND y OR utilizando tres variables independientes.

6 Dibuja las conexiones apropiadas para que una puerta NOR funcione como una puerta negación. ¿Se podría construir una puerta NOT mediante puertas AND?

11 Dibuja el esquema eléctrico con puertas lógicas

Los circuitos integrados digitales 7

Describe las características más importantes de las tecnologías TTL y CMOS.

Simulación de circuitos lógicos con Logisim 8

Preparar la tarea. Existe una función lógica llamada OR EXCLUSIVA o XOR cuya tabla de verdad es la siguiente: Entradas

Salida

A

B

F=A5 B

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Construye dos circuitos en Logisim, el primero utilizando puertas lógicas NOT, AND y OR; y el segundo con puertas NAND de dos entradas. Copia ambos circuitos en tu cuaderno.

Busca aplicaciones prácticas de la función OR EXCLUSIVA y anota al menos tres de ellas en tu cuaderno.

124

de la función:

G = (A + B) · (Ā + C)

12 Utiliza Logisim para resolver un circuito que con-

siste en un sumador aritmético de un bit. Para ello, abre Logisim y define A y B como las variables de entrada, y D y U como las variables de salida.

Utiliza el análisis combinacional y define la tabla de verdad como está expuesta en la figura. Piensa que el resultado es aritmético y no lógico, de forma que 1 + 0 = 0 + 1 = 01 y que 1 + 1 = 10, que es el número 2 decimal codificado en binario. Crea el circuito lógico con el menor número de puertas posibles.

Entradas

Salidas

A

B

D

U

0

0

0

0

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

0

13 Empleando la misma estrategia que en el ejercicio anterior, utiliza dos variables de dos bits para construir un sumador de dos bits y llámalas A1 y A0 para el primer sumando, y B1 y B0 para el seanayaeducación.es Consulta el apartado «Para estudiar» en el banco de recursos.

Unidad 4

gundo sumando. Ten en cuenta que ahora la suma aritmética de dos números de dos bits puede dar lugar a un número de 3 bits como es el caso de la suma del número 2 con el número 3, que, como sabes, da lugar al número 5, que en binario se ha de codificar como 101. De esta forma, necesitas tres bits para la señal de salida; puedes asignar en este orden los nombres C, D y U a las variables de salida que componen el número del resultado.

Para visualizar la señal generada, vamos a emplear un osciloscopio.

14 Construye la tabla de verdad que corresponda

al siguiente esquema y escribe la expresión de la función lógica F:

a) Modifica el ajuste del osciloscopio para que puedas ver con claridad la forma de onda.

Cuando visualices con claridad la forma de onda, ve variando la resistencia ajustable para comprobar cómo varía el período de la señal.

15 Simplifica la siguiente expresión lógica: F=A·B+A·C·D

16 Utilizando la función lógica del ejercicio anterior,

realiza un análisis de cuál es el montaje que utiliza menor número de circuitos integrados entre la solución directa con una combinación de puertas NOT, OR y AND o con una solución indirecta utilizando solo puertas NOR.

17

Muchos circuitos digitales dependen de una señal de reloj para funcionar de forma sincronizada. Empleando unos pocos componentes electrónicos vamos a montar un circuito astable que puede cumplir perfectamente esa función y simularlo en Tinkercad.

Componentes: 1 breadboard pequeña, 1 fuente de alimentación, 1 circuito integrado 555, 1 condensador de 10 nF, 1 condensador electrolítico de 1 nF, 1 resistencia de 100 kΩ, 1 resistencia ajustable de 250 kΩ.

b) ¿Qué ocurre si cambias el valor de alimentación a 9 V? ¿Cuál es el rango permitido de alimentación del 555? c) Busca información sobre el circuito integrado 555, dibuja en tu cuaderno la configuración de pines y anota para qué sirve cada uno. Busca también los modos de operación y toma nota de las fórmulas matemáticas que permiten calcular los parámetros de la onda en función de los valores de los componentes empleados. d) Realiza las siguientes modificaciones en el circuito básico del circuito integrado 555: Cambia el condensador electrolítico de 1 μF por otro de 10 μF. Añade un led a la salida (terminal 3 del circuito integrado 555) y una resistencia de protección de 330 Ω. Ajusta el osciloscopio para que el tiempo por división sea de 500 ms.

El resultado debería ser similar al de la imagen.

VCC = 5 V R1 = 250 kX

R2 = 100 kX

C1 = 1 nF GND

4

8

RESET VCC 7 DIS 6 3 THR OUT Out 2 TRIG GND CTRL 1 5 C2 = 10 nF

e) ¿Qué ha ocurrido al introducir los cambios señalados?

125

© GRUPO ANAYA, S.A., 2021 - C/ Juan Ignacio Luca de Tena, 15 - 28027 Madrid.

Reservados todos los derechos. El contenido de esta obra está protegido por la Ley, que establece penas de prisión y/o multas, además de las correspondientes indemnizaciones por daños y perjuicios, para quienes reprodujeren, plagiaren, distribuyeren o comunicaren públicamente, en todo o en parte, una obra literaria, artística o científica, o su transformación, interpretación o ejecución artística fijada en cualquier tipo de soporte o comunicada a través de cualquier medio, sin la preceptiva autorización.