CIRCUITOS LÓGICOS

Reporte de Circuitos lógicos

Objetivo

Conocer acerca de los temas manejados en esta unidad para así tener una idea lógica de qué es y que aplicaciones tienen en sí estos temas.

Introducción

En el siguiente reporte trataremos los conceptos, clasificaciones y tipos de lo que son: temporizadores, flip – flop, registros y memorias los cuales nos servirán para posteriormente realizar prácticas y así mismo ver sus funciones, teniendo en cuenta que cada uno de ellos tiene una función diferente, la cual se mostrará en el desarrollo de este reporte.

Desarrollo

A continuación se presentan los temas que abordaremos en nuestro reporte:

4.1 Temporizadores

4.2 Flip – flop

4.3 Registros

4.4 Memorias

4.1 Temporizadores

Se denomina temporizador al dispositivo mediante el cual podemos regular la conexión o desconexión de un circuito eléctrico durante un tiempo determinado.

El temporizador es un tipo de relé auxiliar, pero se diferencia en que sus contactos no cambian de posición instantáneamente.

Los temporizadores son una herramienta utilizada para activar y desactivar una variable dentro del programa de acuerdo al tiempo que se haya especificado. Así es posible programar una salida, para que en un determinado tiempos encienda o se apague un dispositivo externo, por medio de un temporizador que solo existe a nivel lógico.

El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835. [1] (Bricos, 2012)

Clasificación de los temporizadores

1. Térmicos.

2. Neumáticos.

3. De motor síncrono

4. Electrónicos.

Los temporizadores pueden trabajar a la conexión o a la desconexión.

1. A la conexión: cuando el temporizador recibe tensión y pasa un tiempo hasta que conmuta los contactos.

2. A la desconexión: cuando el temporizador deja de recibir tensión al cabo de un tiempo conmuta los contactos.

Funcionamiento de algunos tipos de temporizadores:

1.- Temporizador a la conexión.

Es un relé cuyo contacto de salida conecta después de un cierto retardo a partir del instante de conexión de los bornes de su bobina A1 y A2, a la red. El tiempo de retardo es ajustable mediante un potenciómetro o regulador frontal del aparato si es electrónico. También se le puede regular mediante un potenciómetro remoto que permita el mando a distancia; este potenciómetro se conecta a los bornes con las letras Z1 y Z2 y no puede aplicarse a los relés de los contactos.

2.- Temporizador a la desconexión.

Es un relé cuyo contacto de salida conecta instantáneamente al aplicar la tensión de alimentación en los bornes A1 y A2 de la bobina. Al quedar sin alimentación, el relé permanece conectador durante el tiempo ajustado por el potenciómetro frontal o remoto, desconectándose al final de dicho tiempo.

3.- Temporizadores térmicos.

Los temporizadores térmicos actúan por calentamiento de una lámina bimetálica. El tiempo viene determinado por el curvado de la lámina.

Constan de un transformador cuyo primario se conecta a la red, pero el secundario, que tiene pocas espiras y está conectado en serie con la lamina bimetálica, siempre tiene que estar en cortocircuito para producir el calentamiento de dicha lamina, por lo que cuando realiza la temporización se tiene que desconectar el primario y deje de funcionar.

4.- Temporizadores neumáticos.

El funcionamiento del temporizador neumático está basado en la acción de un fuelle que se comprime al ser accionado por el electroimán del relé.

Al tender el fuelle a ocupar su posición de reposo la hace lentamente, ya que el aire ha de entrar por un pequeño orificio, que al variar de tamaño cambia el tiempo de recuperación del fuelle y por lo tanto la temporización. Un fuelle es una serie de diafragmas metálicos conectados entre sí. [1] (Bricos, 2012)

5.- Temporizadores de motor síncrono.

Son los temporizadores que actúan por medio de un mecanismo de relojería accionado por un pequeño motor, con embrague electromagnético. Al cabo de cierto tiempo de funcionamiento entra en acción el embrague y se produce la apertura o cierre del circuito.

6.- Temporizadores electrónicos.

El principio básico de este tipo de temporización, es la carga o descarga de un condensador mediante una resistencia. Por lo general se emplean condensadores electrolíticos, siempre que su resistencia de aislamiento sea mayor que la resistencia de descarga: en caso contrario el condensador se descargaría a través de su insuficiente resistencia de aislamiento. [1] (Bricos, 2012)

¿Cómo trabaja un temporizador?

El elemento fundamental del temporizador es un contador binario, encargado de contar los pulsos suministrados por algún circuito oscilador, con una base de tiempo estable y conocida.

Para que se utilizan:

1. Medición de tiempo

2. División de frecuencia

3. Medición de período y frecuencia

4. Conteo de eventos

5. Base de tiempo para otros periféricos

6. USART

7. PWM

Estructura básica del temporizador

A continuación se describe la estructura básica de un temporizador/contador está compuesta por tres bloques fundamentales:

1. Contador binario: es el elemento básico del temporizador/contador y su misión es contar los pulsos del reloj. Hay dos propiedades esenciales a tener en cuenta, respecto a este componente: la cantidad de pulsos que puede contar y la posibilidad de controlar el sentido del conteo, sea ascendente o descendente.

2. Circuitos de configuración y control: constituyen la interfaz entre el contador binario y elementos externos. Es uno de los elementos que da valor añadido al simple contador binario.

3. Circuitos especializados de salida: Se utilizan para notificar, a otro elemento del sistema, sobre el estado del temporizador o acerca de la ocurrencia de un determinado evento. [2] (Quezada, 2008)

Características

1. Longitud del contador: Los más comunes son aquellos que tienen 8 ó 16 bits, determina la cantidad máxima de pulsos que se pueden contar.

2. Lectura/escritura: En general, los temporizadores pueden ser escritos o leídos por el procesador del microcontrolador. En algunos casos, donde el temporizador está vinculado a algún periférico muy específico, esta opción puede no existir o estar limitada.

3. Modos de trabajo: Existen, en principio dos: contador y temporizador. Como contador, se cuentan los pulsos desde una fuente externa al microcontrolador. Los pulsos contados pueden tener período variable. Como temporizador, se cuentan los pulsos suministrados por una fuente estable y conocida, que puede ser externa, o alguna fuente generada internamente por el microcontrolador.

4. Forma de conteo: La forma típica es el conteo ascendente, sin embargo, existen contadores con la opción de configurar el modo de conteo, sea éste ascendente, descendente o de otro tipo específico.

5. Configuración de activación por frente: Permite establecer cuando se produce el conteo, si en el frente de subida del reloj o en el frente de caída del mismo.

6. Configuración del reloj: En la mayoría de los casos la fuente de reloj es configurable. Incluso existen microcontroladores con abundante variedad de formas de configurar el reloj, de modo que se puedan obtener distintos tipos de bases de tiempo.

7. Interrupciones: En la mayoría de casos, los temporizadores tienen interrupciones asociadas, con el objetivo de notificar al procesador que ha ocurrido el cruce por cero o algún valor específico en el registro de conteo.

A continuación se analizara como se ve un temporizador por dentro en particular, el TIMER0 de los microcontroladores PIC de la MICROCHIP. Específicamente los PIC de gama media. [2] (Quezada, 2008)

Analizando el esquema de este temporizador podemos observar que el mismo puede utilizar como fuentes básicas de reloj una fuente externa conectada al pin T0CKI (el pin específico en el encapsulado del microcontrolador depende del dispositivo) o puede utilizarse la señal de reloj interna, generada por el microcontrolador. [2] (Quezada, 2008)

4.2 Flip Flop

Los circuitos lógicos se clasifican en dos categorías. Los grupos de puertas y los que se denominan circuitos lógicos secuenciales. Los bloques básicos para construir los circuitos lógicos secuenciales son los flip -flops. La importancia de los circuitos lógicos se debe a su característica de memoria.

Los flip-flops son dispositivos sincrónicos y el estado de sus salidas es controlado en instantes de tiempo discretos por una señal de reloj. Los flip-flops son dispositivos que responden a una señal de reloj durante los cambios de 1 a 0 lógico o de 0 a 1 lógico, según el tipo de flip-flop.

Para lograr que los flip-flops respondan al cambio de la señal del reloj es necesario implementar un circuito que detecte el flanco de subida o bajada de la señal de reloj, tal es el caso del flip-flop D maestro/esclavo. Un flip-flop de este tipo contiene dos cerrojos, uno de ellos actúa como maestro y el otro como esclavo. Durante la transición de la señal de reloj de 1 a 0 lógico las entradas se emplean para determinar la salida del maestro. Cuando la señal de reloj pasa de 0 a 1 lógico el estado del maestro se trasmite al esclavo. De esta forma se garantiza que las salidas Q y Q' del flip-flop cambien cada vez que ocurre una transición de 0 a 1 en la señal de reloj. [3] (UNAL, 2014)

Flip-Flop S-R (Set-Reset)

Este dispositivo es similar al cerrojo S-R, la diferencia radica en la inclusión de una señal de reloj, que actúa como señal de confirmación del paso de los datos hacia el circuito principal, el cual se encarga de memorizar los datos. Este tipo de flip-flop no es muy comercial.

Flip-Flop D (Data)

El flip-flop D es muy similar al cerrojo D, y su diferencia radica en que la señal habilitadora (enable) es reemplazada por el mecanismo del flip-flop maestro/esclavo, el cual actualiza los datos cada vez que la señal de reloj tiene una transición de 0 a 1 o 1 a 0 dependiendo del tipo de flip-flop.

Tabla de verdad de este flip-flop, la cual indica que el dado se transfiere cuando ocurre un pulso de reloj.

La forma de operación de este flip-flop es muy sencilla:

1. Cuando D=0 y se presenta un cambio de 0 a 1 lógico en la entrada de reloj del flip-flop la salida Q=0.

2. Cuando D=1 y se presenta un cambio de 0 a 1 lógico en la entrada de reloj del flip-flop la salida Q=1.

En otras palabras, el dato en D se transfiere y memoriza en Q cada vez que se presenta una transición de 0 a 1 lógico en la señal de reloj (CLK); esta condición se conoce con el nombre de transición por flanco positivo. La condición complementaria a la anterior es cuando la transición es de 1 a 0 lógico, en este caso se dice que la transición se da por flanco negativo.

Este flip-flop se puede utilizar para que la transición se dé por flanco negativo, simplemente basta con poner a la entrada del reloj (CLK) un inversor. [3] (UNAL, 2014)

Flip-Flop D Preset-Clear

Este flip-flop es similar al flip-flop D, excepto que este tiene dos entradas asincrónicas activadas en bajo llamadas Preset y Clear. Estas entradas como su nombre lo indican sirven respectivamente para poner en 1 y 0 la salida Q del flip-flop independientemente de la señal de reloj.

La gran parte de los Circuitos Integrados que contienen flip-flops vienen con entradas asincrónicas de inicialización y borrado (Preset y Clear), comúnmente representados con las abreviaturas PRE y CLR.

Flip-Flop J-K

Este flip-flop es una versión modificada del flip-flop D, y su aplicación es muy difundida en el Análisis y Diseño de Circuitos Secuenciales. El funcionamiento de este dispositivo es similar al flip-flop S-R, excepto que en este no se presentan indeterminaciones cuando sus dos entradas se encuentran en 1 lógico, si no que el flip-flop entra en un modo de funcionamiento llamado modo complemento, en el cual, la salida Q cambia a su estado complementario después de cada pulso de reloj. [3] (UNAL, 2014)

En la siguiente tabla se indican los estados de entrada y salida de este flip-flop. Note que las entradas J y K controlan el estado de este flip-flop de la misma manera que en el flip-flop D. Cuando las entradas son J=1 y K=1 no generan un estado indeterminado a la salida, sino que hace que la salida del flip-flop cambie a su estado complementario.

Flip-Flop T (Toggle)

Este flip-flop recibe su nombre por la función que realiza (Toggle) cambiando el estado de la salida por su complemento. Es una modificación del flip-flop J-K limitándolo a cumplir exclusivamente esta función, la cual se logra uniendo las terminales J y K.

La tabla de verdad de este flip-flop se limita a las líneas 1 y 4 del flip-flop J-K. [3] (UNAL, 2014)

Existen varias formas de diseñar y construir flip-flops, pueden construirse con compuertas lógicas, mediante la utilización de los cerrojos maestro y esclavo, sin embargo, es posible construir flips-flops usando compuertas de transmisión e inversores, que funcionan de forma similar controlando y almacenando datos. En la siguiente figura se ilustra el circuito de un flip-flop D maestro/esclavo construido con compuertas de transmisión e inversores CMOS. Por comodidad las compuertas de transmisión CMOS se muestran en su representación abreviada. [3] (UNAL, 2014)

A continuación se ilustra otra configuración para este flip-flop que físicamente en el chip ocupa menos espacio pero que maneja tiempos de propagación más prolongados dentro del circuito.

Los flip-flops construidos de esta forma tienen algunas ventajas con respecto a aquellos construidos con compuertas lógicas, entre las que se pueden mencionar las siguientes:

1. El tamaño de los circuitos de los flip-flops construidos con compuertas de transmisión e inversores es más reducido.

2. La velocidad de propagación de los datos es menor.

3. Permiten integrar más dispositivos en un mismo circuito integrado.

4. Disipan menos potencia durante su operación.

5. El costo de diseño y construcción es menor. [3] (UNAL, 2014)

4.3. Registros

Un registro es un sistema secuencial síncrono constituido por un conjunto de flip-flops funcionando como elementos de memoria (biestables D). Se emplean como elementos de memoria de reducida capacidad. Los registros se usan para almacenar una serie de bits relacionados, como un byte (8 bits) de una computadora.

Tienen diversas aplicaciones prácticas como:

1. Transmitir y recibir datos en serie y en paralelo.

2. Conversión de datos en formato serie y paralelo y viceversa.

3. Almacenamiento de información (memoria).

Tipos de registros:

Registros de desplazamiento entrada serie - salida serie. Es el registro más sencillo, en el que recibimos la información en serie e y en la salida obtenemos también en serie, pero retarda tantos ciclos de reloj como número de biestables compongan el registro. Funcionan de la siguiente forma, partiendo de que en el inicio todos los biestables están reseteados Q=0, en el primer flanco de subida de la señal de reloj (o bajada, dependiendo del biestable), el contenido de la entrada del primer biestable pasa a la su salida que es a su vez la entrada del segundo biestable. Este tipo de registro se suele usar como unidad de retardo.

Registros de desplazamiento entrada serie - salida paralelo. En este tipo de registros, la información se recibe en serie y la salida la obtenemos en paralelo, una vez transcurridos tantos ciclos de reloj como biestables compongan el registro. Las salidas Q están conectadas a las entradas del biestable y a su vez a la salida en paralelo, el funcionamiento es igual que el anterior pero dependiendo del número de biestables y al terminar el ciclo de reloj, tememos una salida de tantos bits en paralelo como número de biestables. [4] (UHU, 2014)

Registros de desplazamiento entrada paralelo - salida serie. En este tipo de registro, la información es introducen en el registro en paralelo simultáneamente en todos los biestables, por el contrario, la salida de los bits se obtienen en serie, una vez transcurridos tantos ciclos de reloj como número de biestables compongan el registro. Se realizan conjugando con un circuito combinacional y otra entrada que llamamos Shift/Load con una entrada directa y otra invertida, cuando se producen un flanco activo de reloj, se produce un paso de las entradas al registro de datos a través del c. Combinacional, cuando está a nivel alto, las puertas permiten el desplazamiento en serie hacia la derecha de los bits almacenados., Produciéndose la salida de todos los datos una vez transcurridos los ciclos de reloj, es útil a la hora de convertir datos paralelos a serie para poderlos enviar por un cable.

Registros de desplazamiento entrada paralelo - salida paralelo. En este tipo de registros la información si introducida simultáneamente en los biestables paralelo y cuando se producen un flanco activo de la señal de reloj, los datos se obtienen también a la salida en paralelo. [4] (UHU, 2014)

Registros de funciones especiales (SFR)

Todos los microcontroladores cuentan con registros internos que permiten controlar y supervisar las funciones y recursos disponibles del dispositivo. Los registros de los microcontroladores PIC se encuentran en un espacio especial de la memoria de datos, el SFR (Special Function Registers). En los dispositivos PIC16F87X estos registros son de 8 bits, la mayoría de lectura y escritura. [5] (Molina, 2014)

1. El registro STATUS

El registro de estado (STATUS) es uno de los más importantes y empleados en el microcontrolador. Proporciona información acerca del resultado de operaciones aritméticas, operaciones lógicas y causa de reinicios, además de permitir la selección del banco de memoria de datos.

2. El registro W

El registro de trabajo W (Working Register) es un registro relevante especial de 8 bits que participa en la mayoría de instrucciones. A diferencia de los SFR, se encuentra dentro de la misma CPU, y puede ser accedido tanto para lectura como para escritura.

A continuación se presenta que tanto la entrada como la salida lleva un número, que más que una identificación se refiere a la dirección del registro de memoria que las identifica. Esto es importante, pues debemos decirle al PLC donde está cada cosa, o, en otras palabras, debemos dar una dirección a cada uno y a todos los dispositivos del PLC. Ejemplo sencillo de programación mediante LD utilizando los registros:

Vamos a analizar cómo sería el funcionamiento de un LD correspondiente a un circuito sencillo, para comparar las diferencias:

El circuito de la Figura 7 energizará la bobina cuando, sin abrir la SW2, cierre la SW1 pues de esta forma quedará aplicado a la bobina el potencial de la batería.

Veamos en la Figura 8 como sería este mismo circuito, representado en un LD, incluyendo los números de registros. Recordemos que cada peldaño de la escalera debe contener una o más entradas y una o más salidas. También, la primera instrucción de cada peldaño debe ser siempre una entrada, y la última, una salida o su equivalente. Este sería un pequeño ejemplo de cómo se comportan los registros. [5] (Molina, 2014)

4.4 Memorias

Tipos y arquitecturas

Los ordenadores y gran mayoría de equipos electrónicos requieren de elementos de memoria para guardar datos y/o instrucciones de programa. El tipo de memoria puede ser diferente dependiendo del uso y tiempos de acceso requeridos. Podemos encontrar básicamente dos tipos:

1. Memoria principal, generalmente de acceso rápido, sobre la que se ejecutan la mayoría de instrucciones o programas. Suele ser de acceso aleatorio (Random Acces Memory, RAM), y se definen como aquellas memorias en las que el tiempo requerido para acceder (guardar o leer) a ellas es independiente de su localización física, y generalmente corto.

2. Memoria de almacenamiento masivo. También conocidas como memorias serie o secuenciales. En ellas los datos están solo disponibles en la secuencia u orden en la que originalmente se guardaron, y por tanto, el tiempo de acceso a ella dependerá del lugar que ocupe en ella. Se utilizan generalmente para guardar programas que no se usan mucho (SSOO).

También se pueden clasificar como memorias de lectura/escritura (R/W) o de solo lectura (W). En las memorias de R/W, las velocidades de lectura y escritura son comparables y se suelen utilizar en las computadoras para almacenar datos y programas.

Las memorias de solo lectura (Read Only Memory, ROM) permiten leer información a elevada velocidad, pero limitan la función de escritura. Suelen contener el SSOO de la computadora.

Las memorias semiconductoras poseen estructuras regulares y compactas que las hacen ideales para ser implementadas con tecnologías de circuitos integrados de alta escala de integración (VLSI). Desde los circuitos originales que permitían 1K bit de capacidad de almacenamiento en 1970, se han venido multiplicado por 4 cada tres años aproximadamente, hasta los actuales de 256M bits por chip comercial, y superando, en algunos casos, el Gigabit. [3] (UNAL, 2014)

Organización del chip de memoria

En la Fig. 5.42 se muestra la arquitectura de un chip de memoria de que tiene 64M bits. La parte central de un bit de memoria está compuesta por celda en las que se guardan los bits, celdas de memoria. Se trata de circuitos electrónicos con capacidad para almacenar un bit. La organización del conjunto de celdas de memoria se suele realizar en forma de matriz cuadrada. Por ejemplo, con 2M filas y 2N columnas, para una capacidad total de almacenamiento de 2M+N bits (1Mbit = 1024 bits filas x 1024 bits columnas). Así, cada celda de la matriz se conecta a una de las 2M líneas de fila, conocidas como líneas de palabras, y a una de las 2M líneas de columnas, llamadas líneas de dígitos o líneas de bits. Una celda se selecciona para leer o escribir en ella seleccionando su línea de palabra y su línea de bits.

Para activar cada una de las líneas de palabra se utiliza un decodificador de filas, circuito combinacional que selecciona la línea de palabra particular, cuya dirección de M bits se aplica a la entrada del decodificador. A0 , ....., AM-1. La línea seleccionada experimenta un incremento en su tensión, generalmente de 0.1 a 0.2V. Esta señal es detectada por la línea de columna L y se sensa a través de un amplificador sensor, que se ocupa de regenerar la señal a los niveles lógicos [0, VDD]. Esta señal será, junto con las demás celdas en la misma fila seleccionada, la entrada del decodificador de columnas, que se ocupa de seleccionar la señal particular cuya dirección de N-bits se aplicó a la dirección del decodificador AM,.....AM+N-1 y hace que la señal aparezca en la línea de datos (I/O) del chip.

Para la escritura se procede de forma similar. El bit de datos se establece en la línea I/O.

Se selecciona la celda en la que se va a guardar mediante los códigos de filas y columnas. El

amplificador-sensor permite escribir la señal aplicada a la celda seleccionada. Amplificadores y decodificadores se estudiaran en el tema. [3] (UNAL, 2014)

Resultados

Después de haber realizado la investigación y haber encontrado las características y especificaciones de cada uno de los elementos ya mencionados se continuará con las aplicaciones previas que tienen que ver en relación a nuestra carrera.

1. Los contadores y temporizadores son la herramienta básica que se usa en el proceso de automatización de varias industrias. Por ejemplo, la programación del reloj de tiempo real del televisor para que se encienda a determinada hora sería un temporizador con retardo a la conexión, mientras que el apagado de las luces interiores de un vehículo a posterior al cierre de sus puertas, revela la aplicación de un temporizador con retardo a la desconexión. Podríamos decir que toda nuestra vida se rige por tiempos: tenemos un horario para cada una de nuestras actividades y ese horario es regido de manera voluntaria por nuestro reloj y nuestra conciencia.

1. Las computadoras son implementaciones de lógica Booleana. Las funciones booleanas se describen completamente por medio de tablas de verdad. Las compuertas lógicas son pequeños circuitos eléctricos que implementan operadores lógicos.

2. Las computadoras consisten de circuitos lógicos combinacionales y secuenciales. Los circuitos combinacionales producen salidas inmediatamente después de que sus entradas cambian. Los circuitos secuenciales requieren de la señal de reloj para producir cambios en las salidas. [6] (Gonzalez, 2014)

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