Circuitos Digitales, Temporizadores y Sistemas Microprogramables

Introducción a los Circuitos Digitales

Cuando se trabaja con circuitos digitales, se hace necesario utilizar circuitos que sean capaces de generar impulsos, mantenerlos, retardo, adaptarlos…

Los circuitos que realizan estas funciones son:

• Multivibradores monostables: Son circuitos que a su salida tienen un estado estable y un estado inestable. Estos circuitos permanecen en su circuito estable durante un tiempo indefinido, y cuando se les activa con una señal exterior de disparo pasan al estado inestable, permanecen en él durante un periodo de tiempo y luego retornan a su estado estable. Entre las aplicaciones más usuales de los monostables destacan las siguientes:
  • Generar impulsos de anchura controlable.
  • Regenerar impulsos deformados en la transmisión.
  • Retardar impulsos digitales.
  • Establecer un intervalo de tiempo fijo entre el principio y el fin de la transmisión de datos.
• Multivibradores astables: Son circuitos que en su salida tienen dos estados inestables y pasan de uno a otro sin necesidad de ninguna señal externa. Las aplicaciones más usuales de estos circuitos son:
  • Generadores de ondas cuadradas: se utilizan tanto como generadores de impulsos como relojes.
  • Bases de tiempo: se utilizan como referencia de tiempos en circuitos de informática.
  • Circuitos de disparo de otros circuitos.
• Retardadores de impulsos: Como su nombre indica, son circuitos que presentan a su salida una respuesta al estímulo de entrada con un tiempo de retardo $t$ después de haber sido activados. Entre las aplicaciones más importantes están:
  • Retardo en la activación de circuitos.
  • Retardo en la transmisión de señales de televisión y de radio.
  • Retardo en la desactivación de los circuitos.

Estudio de Circuitos Monostables con Puertas Lógicas

Funcionamiento: En reposo, este circuito tiene un nivel alto a la entrada de la segunda puerta NOR, el cual hace que la salida de esta puerta esté en nivel bajo, el LED esté apagado y las dos entradas de la puerta NOR 1 estén en nivel bajo, lo cual hace que a la salida de esta puerta se tenga un nivel 1 y el condensador $C$ esté descargado.

El Circuito Integrado 555

En este integrado, las tres resistencias de entrada se comportan como un divisor de tensión que divide la tensión de alimentación entre 3.

Los amplificadores operacionales son circuitos que funcionan de la siguiente forma:

• Si la tensión de entrada $V^+$ es mayor que $V^-$, la tensión de salida ($V_s$) es positiva.
• Si es al revés, la tensión de salida es negativa.

El transistor en este integrado funciona en corte y en saturación. Cuando a la entrada del transistor hay una tensión de nivel alto o de 5V, el transistor se comporta como un cortocircuito. Sin embargo, cuando la entrada del transistor es de nivel bajo o de 0V, el transistor está en corte y se comporta como un circuito abierto.

El funcionamiento del integrado 555 es el siguiente:

• Cuando la entrada por el terminal 6 es mayor que $2/3$ de $V_{CC}$, el primer operacional tiene en su salida $+V_{CC}$, la cual activa la entrada $R$ del biestable y coloca la salida $Q$ negada en 1, lo cual pone en saturación al transistor haciendo que se comporte como un cortocircuito y a su vez pone un 0 en la salida de la puerta inversora.
• Cuando la tensión de entrada del terminal 2 cae por debajo de $1/3$ de $V_{CC}$, entonces se activa el 2º operacional e introduce un nivel alto por la entrada $S$ del biestable. En este caso, el biestable se activa, su salida $Q$ negada se pone a 0, lo cual hace que el transistor se corte y se comporte como un circuito abierto, y en la salida de la puerta inversora se tenga un 1.

El 555 como Multivibrador Monostable por Nivel Bajo y con Salida Activa a Nivel Alto

En el instante inicial, la salida del monostable está abajo, el transistor está descargado y el condensador $C$ está saturado.

Cuando se activa el pulsador de disparo, el operacional 2 se pone a nivel alto y se activa la entrada del biestable. A partir de aquí, la salida $Q$ negada se pone a 0 y el transistor se corta, lo cual hace que el condensador $C$ se cargue a través de $R_1$.

El condensador $C$ se va cargando hasta que la entrada $V^+$ del operacional 1 supera a la entrada $V^-$. A partir de aquí, la entrada $R$ del biestable se activa y hace que su salida $Q$ negada se ponga a 1, que el transistor se sature, se comporte como un circuito y se descargue el condensador.

Estudio del Integrado 555 como Multivibrador Astable

El multivibrador astable es un circuito que está permanentemente cambiando de valor, pasando de 1 a 0 y de 0 a 1, y generando una onda cuadrada.

Cuando se alimenta el circuito, el condensador $C$ empieza a cargarse. En esta situación, la entrada $S$ se pone a 1, lo cual hace que la salida $Q$ negada se ponga a 0 y que el transistor se corte, con lo cual el condensador $C$ se va cargando a través de $R_1$ y $R_2$.

Cuando la carga del condensador supera $2/3$ de $V_{CC}$, entonces la entrada $R$ se pone a 1, la salida $Q$ negada igualmente se pone a 1 y el transistor se satura, descargándose el condensador a través de $R_2$.

El condensador $C$ está constantemente cargándose y descargándose, provocando que en la salida del circuito haya una señal cuadrada como se muestra en la siguiente figura.

Circuito Retardador con Puertas Lógicas

Los circuitos retardadores se caracterizan por presentar a su salida la señal de entrada retardada un tiempo $t$. En la figura adjunta se muestra un circuito retardador con 2 puertas NAND conectadas como puertas inversoras.

Su funcionamiento es el siguiente: en reposo, la primera puerta NAND está conectada a $V_{CC}$, con lo cual su salida está a 0, el condensador está descargado y la salida de la segunda puerta NAND está en nivel alto.

Cuando el interruptor $S_1$ se cierra, se coloca en la entrada de la primera puerta NAND un 0, el cual hace que su salida se ponga a 1 y que el condensador $C$ empiece a cargarse. El tiempo que transcurre desde que el condensador empieza a cargarse hasta que su tensión consigue activar la segunda puerta NAND es el tiempo de retardo. Cuando a la entrada de la segunda puerta NAND el nivel de tensión vale 1, entonces se invierte la salida de esta puerta y se coloca un 0 en su salida.

Estructura de un Sistema Microprogramable

Un sistema microprogramable es un sistema digital formado por varios integrados capaces de interpretar y ejecutar secuencialmente las órdenes contenidas en un programa a una velocidad muy elevada.

Sus aplicaciones son muchas, pero las más usadas son:

• Realizar operaciones informáticas o cálculos matemáticos.
• Controlar procesos industriales tanto en la parte de producción como en la parte de seguridad.
• Controlar el funcionamiento de aparatos domésticos, tales como lavadoras, lavavajillas, etc.

Todos los conceptos relacionados con el sistema se agrupan en los tres siguientes términos genéricos:

• Hardware: Está formado por todos los circuitos y componentes electrónicos que forman el sistema.
• Software: Es el conjunto de instrucciones y rutinas con que se programa el sistema.
• Firmware: Es el conjunto de instrucciones y programas que son inalterables por el usuario y que se encuentran implícitos en la estructura electrónica de un circuito.

Hardware de un Sistema Microprogramable con Microprocesador

1. Unidad Central de Proceso (CPU): Es un circuito integrado que tiene los siguientes elementos:
   • Unidad de decodificación e interpretación.
   • Unidad aritmético-lógica (ALU).
   • Contador de programa.
   • Varios registros de almacenamiento de información.
2. Circuitos de selección de chips: Es un conjunto de decodificadores y multiplexores que tiene la finalidad de obtener las señales de activación de cada bloque del sistema.
3. Memoria RAM: También llamada memoria de lectura o escritura, permite introducir y sacar datos de cada una de las posiciones de memoria.
4. Memoria ROM: Es una memoria solo de lectura y permite leer la información de cada posición de memoria.
5. Unidad de entrada/salida: Es la puerta de comunicación con el exterior. Tiene como mínimo 2 registros: uno de salida donde se coloca la información que se quiere entregar y otro registro de entrada por donde entra la información al interior del sistema.
6. Buses: Son el conjunto de grupos de hilos que transportan información del mismo tipo y que sirven para realizar la comunicación entre los diferentes bloques del sistema microprogramable.

Los 3 buses fundamentales son:

• Bus de datos: A través de él se transportan los datos. Su número de hilos es igual a la longitud de la palabra en binario que procesa el microprocesador.
• Bus de direcciones: Su misión consiste en transmitir al integrado correspondiente la dirección donde se encuentra el dato con el que se va a trabajar. El número de líneas que forman el bus de direcciones determina la máxima cantidad de memoria que puede gobernar el sistema.
  Nº de direcciones de memoria = $2^{ ext{nº líneas del bus de direcciones}}$
• Bus de control: Este bus utiliza un cierto número de líneas para recibir órdenes, entre ellas: líneas de lectura/escritura a las memorias, líneas de puesta a 0 o de activación de dispositivos, líneas de interrupción, etc.
• Periféricos: Los periféricos son dispositivos exteriores capaces de realizar dos tipos de funciones:
  • Comunicación entre el sistema y el usuario: entre ellas tenemos teclado, pantalla, etc.
  • Almacenamiento masivo de información: disco duro, pendrive, etc.
• Sistemas de control externo: Se utilizan para la comunicación entre el sistema microprogramable y los procesos industriales o máquinas. Los más habituales son: sensores, convertidores analógicos/digitales, componentes de conmutación y potencia (relés, contactores, etc.).

Lógica Tristado

En los sistemas microprogramables, los buses están permanentemente conectados a todos los bloques del sistema. Esto supone que la información estaría simultáneamente en todos los integrados y produciría errores de funcionamiento. Para evitar estos errores se usan dispositivos de lógica tristado que tienen 3 estados posibles:

• Estado 0 (L): Nivel bajo.
• Estado 1 (H): Nivel alto.
• Estado inactivo: Estado de alta impedancia o desconectado.

Cuando un integrado no se utiliza en un determinado proceso, entonces se activa el estado de alta impedancia y de esta forma se consigue desconectar este integrado del resto del circuito. Estos dispositivos de lógica tristado son imprescindibles para el buen funcionamiento de los circuitos digitales.

Software de un Sistema Microprogramable

El software está formado por un conjunto de informaciones que se agrupan en instrucciones, datos y programas. Los lenguajes de programación se clasifican en los siguientes tipos:

1. Lenguaje máquina o de bajo nivel: Es el único lenguaje que entienden los microprocesadores; está formado por palabras binarias que son interpretadas y ejecutadas por el microprocesador.
2. Lenguaje ensamblador: Como el lenguaje máquina no es útil para el programador porque resulta muy complejo utilizar palabras binarias, se ha desarrollado un lenguaje más fácil para el usuario llamado lenguaje ensamblador, el cual utiliza unas instrucciones muy sencillas y fáciles de programar.
3. Lenguajes de alto nivel: Son los lenguajes de programación más evolucionados y constan de instrucciones complejas capaces de realizar varias tareas. El lenguaje de alto nivel más utilizado es C.