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INFORME DE LABORATORIO - ELECTR ONICA DIGITAL´
LABORATORIO N° 2
Estudiantes: Richary Trujillo, Patrick Guachamin, Luis Guevara
Docente: Msc. Edgar Jaramillo
T´ecnico de laboratorio: Msc. Alejandra Pinto Erazo
10 de julio de 2024
Resumen Este laboratorio de Electr´onica Digital describe el dise˜no y desarrollo de un circuito que suma dos n´umeros entre 0 y 9 introducidos mediante pulsadores, y multiplica el resultado por dos. Se utiliz´o Proteus para simular y confirmar el funcionamiento del circuito antes de su implementaci´on. Los resultados muestran que el circuito integra componentes digitales fundamentales y opera seg´un lo previsto. Este proyecto proporciona a los estudiantes una valiosa experiencia pr´actica y refuerza importantes conceptos de electr´onica digital.
1. Introducci´on
Este informe de laboratorio presenta el dise˜no y desarrollo de un circuito que suma dos n´umeros de entrada, proporcionados mediante pulsadores, y multiplica el resultado por dos. Este tipo de circuito tiene aplicaciones en sistemas de control y automatizaci´on de procesos sencillos. En este proyecto, se utiliz´o el software Proteus para el dise˜no y la simulaci´on del circuito, asegurando su correcto funcionamiento antes de la implementaci´on f´ısica. El dise˜no, implementaci´on y pruebas del circuito ser´an discutidos en detalle en este informe, incluyendo una descripci´on de los componentes utilizados y los resultados obtenidos.
2. Objetivos
2.1. General
Dise˜nar un circuito digital que sume dos n´umeros introducidos mediante pulsadores y multiplique el resultado por dos, utilizando el software Proteus para comprobar su funcionamiento.
2.2. Espec´ıficos
Implementar un mecanismo de entrada con pulsadores que permita al usuario introducir dos n´umeros enteros, cada uno entre 0 y 9.
Incorporar un sumador binario para calcular la suma de los dos n´umeros de entrada y mostrar el resultado.
Desarrollar un circuito que multiplique la suma por dos y muestre el resultado.
3. Fundamentaci´on te´orica
3.1. Introducci´on a la Electr´onica Digital
La electr´onica digital se centra en la manipulaci´on de se˜nales el´ectricas que representan valores discretos, t´ıpicamente en forma binaria (0 y 1). A diferencia de la electr´onica anal´ogica, donde las se˜nales pueden tomar cualquier valor dentro de un rango continuo, las se˜nales digitales solo pueden estar en dos estados definidos. Esta caracter´ıstica permite una mayor precisi´on y resistencia al ruido, haciendo que la electr´onica digital sea fundamental en la computaci´on, telecomunicaciones, y control autom´atico [1].
3.2. Fundamentos de los Circuitos Combinacionales
Los circuitos combinacionales son aquellos en los que la salida depende ´unicamente de las entradas pre- sentes en un momento dado, sin depender de estados anteriores. Los principales componentes de los circuitos combinacionales incluyen [2]:
3.2.1. Puertas L´ogicas
Las puertas l´ogicas son los bloques b´asicos de los circuitos digitales. Cada tipo de puerta realiza una operaci´on l´ogica espec´ıfica sobre sus entradas para producir una salida. Las puertas l´ogicas m´as comunes son [3]:
AND:Una de las puertas fundamentales utilizadas para construir todas las funciones l´ogicas es la puerta l´ogica AND. Una puerta l´ogica AND se utiliza para realizar multiplicaciones l´ogicas y puede tener dos o m´as entradas. La salida es 1 solo si todas las entradas son 1.
OR:Una puerta l´ogica OR ejecuta la operaci´on l´ogica de suma y puede tener dos o m´as entradas. La salida es 1 si al menos una de las entradas es 1.
NOT: La salida es el inverso de la entrada (1 se convierte en 0 y 0 se convierte en 1). La puerta l´ogica NOT es un inversor que realiza el proceso de complementaci´on o inversi´on. Un nivel l´ogico se convierte en el nivel opuesto a trav´es del inversor. Convierte un 1 en un 0 y un 0 en un 1 en bits.
NAND, NOR, XOR, XNOR: Variaciones que combinan las funciones b´asicas de AND, OR, y NOT.
3.2.2. Codificadores y Decodificadores
Los codificadores convierten una entrada de m´ultiples l´ıneas en un c´odigo binario. Los decodificadores rea- lizan la operaci´on inversa, convirtiendo un c´odigo binario en una salida de m´ultiples l´ıneas. Por ejemplo, un decodificador BCD a 7 segmentos convierte un n´umero binario en se˜nales que pueden activar los segmentos adecuados en una pantalla de 7 segmentos [4].
Figura 1: Codificadores y Decodificadores
3.2.3. Sumadores
Los sumadores son circuitos que realizan la operaci´on aritm´etica de suma. Un sumador completo (full adder) puede sumar dos bits junto con un bit de acarreo (carry). Los sumadores pueden ser cascaded para sumar n´umeros de m´ultiples bits [5].
3.3. Funcionamiento de los Circuitos Secuenciales
A diferencia de los circuitos combinacionales, los circuitos secuenciales tienen salidas que dependen no solo de las entradas actuales sino tambi´en de los estados anteriores del sistema. Esto se logra mediante el uso de elementos de almacenamiento como flip-flops y registros [6].
Figura 2: Circuitos Secuenciales
3.5.1. Ingreso de N´umeros
El ingreso de n´umeros se realiza mediante pulsadores que permiten seleccionar d´ıgitos del 0 al 9. Estos d´ıgitos se codifican en un formato adecuado para su procesamiento digital [5].
3.5.2. Suma de N´umeros
Los n´umeros ingresados se suman utilizando un sumador digital, que produce un resultado binario [7].
3.5.3. Multiplicaci´on del Resultado
El resultado de la suma se multiplica por 2 mediante una operaci´on de desplazamiento o una suma adicional del mismo valor, demostrando la eficiencia de la aritm´etica binaria [6].
- Materiales y Equipos
En esta parte se detallar´a los materiales que se usaron en el circuito y los equipos necesarios para el correcto funcionamiento.
74LS04: Es un circuito integrado TTL que contiene seis puertas l´ogicas NOT (inversores). Cada puerta invierte la se˜nal de entrada
Figura 3: Circuito Integrado 74LS
Figura 4: Datasheet 74LS
74LS48: Es un decodificador BCD a 7 segmentos que convierte n´umeros en formato BCD (4 bits) en se˜nales para controlar un display de 7 segmentos.
Figura 5: Circuito Integrado 74LS
bits, asignando prioridad a las entradas de mayor valor.
- Figura 6: Datasheet 74LS
- 74ls147: Es un codificador que convierte 10 entradas decimales activas bajas en una salida BCD de
- Figura 7: Circuito Integrado 74LS - Figura 8: Datasheet 74LS
- 74LS83: Es un sumador binario de 4 bits que realiza operaciones de suma binaria con dos entradas de - Figura 9: Circuito Integrado 74LS bits (A y B) y proporciona una salida de 4 bits (S) junto con una se˜nal de acarreo. - Figura 10: Datasheet 74LS
Figura 15: Dip Switch
Resistencias: Es un componente que limita el flujo de corriente el´ectrica en un circuito. Para el correcto funcionamiento del circuito, se ocupar´a 28 resistencias de 320 ohmios y 18 resistencias de 10k
Figura 16: Resistencias
Bateria 5V: Suministra la corriente para el funcionamiento del sumador y multiplicador.
Figura 17: Bater´ıa 5v
- Desarrollo
El desarrollo del proyecto ”Sumador y Multiplicador Digital”se llev´o a cabo siguiendo una serie de pasos bien definidos, los cuales se describen a continuaci´on:
5.1. Dise˜no del Circuito
El circuito fue dise˜nado utilizando el software Proteus. A continuaci´on se detallan los componentes principales utilizados en el dise˜no y su disposici´on en el circuito:
Pulsadores: Se utilizaron para ingresar dos n´umeros, cada uno entre 0 y 9. Codificador 74LS147: Convierte la entrada de los pulsadores en un c´odigo BCD de 4 bits.
Decodificador BCD a 7 segmentos 74LS48: Permite la visualizaci´on de los n´umeros ingresados en displays de 7 segmentos.
Sumador 74LS83: Realiza la suma de los dos n´umeros ingresados.
Puertas L´ogicas AND y OR (74LS08 y 74LS32): Utilizadas para implementar la l´ogica del circuito multiplicador.
Resistencias: Utilizadas para limitar la corriente en los circuitos de entrada y salida.
5.2. Funcionamiento del Circuito
El funcionamiento del circuito se puede dividir en tres etapas principales:
5.2.1. Ingreso de N´umeros
Los n´umeros se ingresan a trav´es de pulsadores que est´an conectados al codificador 74LS147. Este codificador convierte los n´umeros ingresados en un formato BCD de 4 bits, que luego es enviado al decodificador 74LS para ser visualizado en los displays de 7 segmentos.
5.2.2. Suma de N´umeros
Los n´umeros en formato BCD son enviados al sumador 74LS83, que realiza la suma binaria de los dos n´umeros. El resultado de la suma es mostrado en otro display de 7 segmentos.
5.2.3. Multiplicaci´on del Resultado
El resultado de la suma es multiplicado por 2 utilizando un conjunto de puertas l´ogicas AND y OR. La multiplicaci´on por 2 se realiza sumando el n´umero consigo mismo, aprovechando las propiedades de la aritm´etica binaria. El resultado final es mostrado en un display de 7 segmentos adicional.
5.3. Simulaci´on en Proteus
El circuito fue simulado en Proteus para verificar su correcto funcionamiento antes de proceder con la implementaci´on f´ısica. La simulaci´on permiti´o identificar y corregir posibles errores en el dise˜no del circuito. A continuaci´on, se presenta la imagen del circuito simulado en Proteus:
Figura 18: Circuito Simulado en Proteus
5.4. Implementaci´on F´ısica
Tras confirmar el correcto funcionamiento del circuito mediante la simulaci´on, se procedi´o a la implemen- taci´on f´ısica utilizando una placa de pruebas (protoboard). Los componentes fueron dispuestos de acuerdo al dise˜no simulado, y se realizaron pruebas para asegurar que el circuito funcione correctamente en condiciones reales. Para optimizar el espacio en el protoboard, se utiliz´o un dip switch de 10 segmentos en lugar de pulsadores individuales para ingresar los n´umeros. Adem´as, se utiliz´o cable de timbre para realizar las conexiones en el protoboard. La alimentaci´on del circuito se realiz´o a trav´es de un puerto USB de la computadora, que proporcionaba 5.14 volts, un valor ideal para el funcionamiento del circuito. Se utilizaron tres protoboards para colocar todos los componentes necesarios. Durante la implementaci´on, se utiliz´o un mult´ımetro para verificar los puntos de entrada y salida de voltaje en los integrados, asegurando que cada conexi´on y cambio de n´umero se reflejara correctamente en el circuito.
- Interpretaci´on de Resultados / Discusi´on
En esta secci´on, se analizar´an y discutir´an en detalle los resultados obtenidos tanto de las simulaciones en Proteus como de las pruebas f´ısicas realizadas sobre el circuito.
6.1. Simulaci´on en Proteus
La simulaci´on del circuito en Proteus permiti´o verificar el correcto funcionamiento del dise˜no antes de su implementaci´on f´ısica. Los resultados de la simulaci´on mostraron que el circuito pod´ıa sumar dos n´umeros introducidos mediante pulsadores y multiplicar la suma por dos.
Figura 20: Simulaci´on del Circuito en Proteus
Durante la simulaci´on, se observaron los siguientes aspectos importantes:
Entrada de Pulsadores: Los pulsadores funcionaron correctamente al introducir n´umeros entre 0 y 9. Cada pulsaci´on gener´o la entrada esperada, que fue procesada por el sumador binario.
Sumador Binario: El sumador binario sum´o correctamente los dos n´umeros de entrada, produciendo la suma esperada. No se detectaron errores en la operaci´on de suma.
Multiplicaci´on por Dos: El circuito multiplicador, dise˜nado para multiplicar el resultado de la suma por dos, funcion´o sin errores, proporcionando una salida correcta para cada entrada sumada.
Visualizaci´on de Resultados: Los resultados de la suma y la multiplicaci´on se mostraron correctamente en los displays de siete segmentos, facilitando la verificaci´on visual.
La simulaci´on en Proteus confirm´o que el dise˜no del circuito era funcional y que todas las partes interactuaban correctamente. Sin embargo, la simulaci´on no detect´o algunos problemas menores que surgieron durante la implementaci´on f´ısica.
6.2. Pruebas F´ısicas del Circuito
Despu´es de la simulaci´on exitosa, el circuito fue construido f´ısicamente utilizando un protoboard y compo- nentes electr´onicos como resistencias, LEDs, pulsadores y displays de siete segmentos. Las pruebas f´ısicas del circuito revelaron algunos detalles adicionales:
Figura 21: Circuito F´ısico en Protoboard
Ruido y Rebote en Pulsadores: Se observ´o que los pulsadores f´ısicos introduc´ıan ruido y rebote (bouncing), lo que provocaba m´ultiples pulsaciones no deseadas. Para mitigar este efecto, se implementaron debouncers utilizando condensadores y resistencias.
Consumo de Energ´ıa: El circuito mostr´o un consumo de energ´ıa mayor de lo esperado debido al uso de m´ultiples LEDs y displays. Se consider´o la implementaci´on de una fuente de alimentaci´on m´as robusta para asegurar un funcionamiento estable.
Conexiones Sueltas: Las conexiones en el protoboard eran susceptibles a desconectarse con facilidad, lo que causaba fallos intermitentes. Se recomend´o soldar las conexiones en una placa de circuito impreso (PCB) para mejorar la estabilidad y confiabilidad del circuito.
Interferencia Electromagn´etica: En ambientes con alta interferencia electromagn´etica, el circuito ex- periment´o algunas alteraciones en las entradas y salidas. Se sugiri´o utilizar blindaje adecuado y cableado trenzado para minimizar estas interferencias.
6.3. Comparaci´on de Resultados
La comparaci´on entre los resultados de la simulaci´on y las pruebas f´ısicas es fundamental para entender las limitaciones y fortalezas del dise˜no del circuito. Aunque ambos m´etodos confirmaron la funcionalidad b´asica del circuito, surgieron algunas diferencias notables:
Aspecto Simulaci´on Pruebas F´ısicas Introducci´on de N´umeros Sin problemas de rebote Problemas de rebote en pulsadores Consumo de Energ´ıa No relevante Mayor de lo esperado Conexiones Estables Sujetas a desconexiones Interferencia No presente Afectada por interferencias
Cuadro 3: Comparaci´on de Resultados entre Simulaci´on y Pruebas F´ısicas
6.4. An´alisis de Desempe˜no y Mejora
El an´alisis de los resultados obtenidos indica que, aunque el dise˜no del circuito es fundamentalmente s´olido, existen ´areas que pueden mejorarse:
Implementaci´on de Debouncers: Para mejorar la confiabilidad de los pulsadores, se deben implementar debouncers tanto en hardware como en software.
Optimizaci´on del Consumo de Energ´ıa: Redise˜nar el circuito para utilizar componentes de bajo consumo y optimizar el uso de los LEDs y displays.
Conexiones M´as Estables: Considerar la migraci´on del circuito a una PCB para asegurar conexiones m´as estables y duraderas.
Mitigaci´on de Interferencias: Implementar t´ecnicas de mitigaci´on de interferencias electromagn´eticas, como el uso de blindaje y cableado adecuado.
tanto la simulaci´on como las pruebas f´ısicas proporcionaron informaci´on valiosa sobre el dise˜no y funcio- namiento del circuito sumador y multiplicador digital. Las lecciones aprendidas de estas pruebas permitir´an mejorar el dise˜no y asegurar un rendimiento ´optimo en aplicaciones futuras.
- Video
Link del Video
- Conclusiones y Recomendaciones
8.1. Conclusiones
En el proyecto ”Sumador y multiplicador digital”, se integraron con ´exito varios componentes digitales esenciales, como pulsadores, sumadores y registros. La capacidad del circuito para sumar dos n´umeros de entrada y multiplicar el resultado por dos se confirm´o mediante la simulaci´on en Proteus.
El uso de Proteus en el dise˜no y simulaci´on de circuitos permiti´o identificar y corregir fallos de dise˜no antes de la implementaci´on f´ısica, lo cual subraya la importancia de las herramientas de simulaci´on en el desarrollo de proyectos electr´onicos.
La ejecuci´on de este proyecto ha mejorado la capacidad de los estudiantes para resolver problemas y comprender los usos pr´acticos de los sumadores y multiplicadores digitales en sistemas reales, fortaleciendo as´ı sus habilidades en electr´onica digital.
