CAPIULO II
MARCO TEORICO
A. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACION Para el presente trabajo especial de grado fue necesario la revisión de
investigaciones anteriores que aportaran conocimiento y material de
apoyo para la realización de dicho trabajo. Las investigaciones
consultadas se mencionaran a continuación.
Fuenmayor y Mejia (1996) realizaron el proyecto de investigación
titulado “Optimización del Banco de Pruebas para motores eléctricos
Hipotronics MTC-1000V de la empresa Servicios Industriales Serwestca
C.A”.La empresa Servicios Industriales Serwestca C.A es una empresa de
servicios, cuyo fuerte esta localizado en el departamento de reparaciones,
en el cual se prestan servicios de mantenimiento y reparación a
transformadores, motores y generadores eléctricos.
Uno de los equipos que cumple una función vital dentro del área de
pruebas de este departamento es el Banco de Pruebas Hipotronics MTC-
1000V, el cual estaba presentado una serie de limitaciones y fallas que
alteraba negativamente su funcionamiento y eficiencia.
La investigación es de campo, debido a que todo el proceso de
investigación fue llevado a cabo en el lugar donde funciona y opera el
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equipo, el cual representa el objeto de investigación, de mismo modo la
investigación también es aplicada, porque se busca solventar los
problemas y limitaciones presentes en el equipo, en un lapso de tiempo
corto.
El procedimiento metodológico utilizado se dividió en varias etapas:
conocer el equipo, determinar las fallas en el equipo, realizar correctivos
para eliminar fallas, mejorar los sistemas presentes, calibrar los
instrumentos de medición presentes y probar el equipo.
Por este motivo el propósito general de esta investigación es optimizar
dicho Banco de Pruebas, para ello se cumplieron una seria de etapas. La
primera consistió en conocer a profundidad, las características
funcionamiento, limitaciones y fallas del Banco de Prueba. Luego se
ejercito el mantenimiento electrónico donde se hicieron los correctivos
necesarios para eliminar dichas fallas.
Posteriormente, se llevo a cabo el mejoramiento de los sistemas
presentes en el equipo, a través del diseño e implementación de dos
dispositivos electrónicos, un selector automático temporizado para el
sistema de medición de temperatura y un convertidor analógico digital
para el medidor de vibraciones. Se calibraron los instrumentos que posee
el Banco de Pruebas, y finalmente se realizaron pruebas para verificar el
buen funcionamiento del equipo, esto permite incrementar la eficiencia de
los trabajos realizados por dicho equipo y por ende la calidad de los
servicios prestados por la empresa.
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En el estudio de investigación descrito anteriormente el propósito
principal es optimizar el banco de pruebas a través de una serie de etapas
las cuales representan un vínculo similar al actual trabajo de información
sirviendo de guía para su desarrollo en cuanto a la metodología.
También fue de gran ayuda las técnicas y métodos de diseño
utilizados para la construcción del dispositivo electrónico. La revisión del
contenido que posee la optimización del banco de prueba fue de gran
valor puesto que sirvió para aclarar puntos con respecto a las técnicas de
detección de fallas y los posibles problemas típicos que poseen los
circuitos integrados y de cómo realmente deben funcionar.
Asimismo fue consultado el trabajo de investigación expuesto por,
Gutiérrez y Nieto (1997), quienes presentaron el siguiente trabajo de
investigación que lleva por nombre “Diseño de modulo VAW y adecuación
de un banco de prueba multiamp TTS-984 para transformadores de
distribución. Caso Maraven.”. El presente estudio tiene como objeto
fundamental la reinstrumentación de un banco de pruebas marca
Multiamp, modulo TTS-981, utilizando para ello nuevas tecnologías.
Para el desarrollo de esta investigación se realizó un análisis de las
tarjetas electrónicas que esta posee para determinar su funcionamiento,
reinstrumentándo el banco posteriormente a través de la conexión de
dispositivos electrónicos actuales. Para llevar a cabo el estudio, se utilizó
la metodología propuesta por el Ing. José Galindo y el TSU Alirio Álvarez,
la cual consiste en el desarrollo de varios procedimientos o fases que
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permitieron realizar el proceso de investigación de tal manera que se
obtuvieran los resultados requeridos.
Los resultados de las pruebas realizadas a los transformadores a
través del banco de prueba, estuvieron dentro del margen permitido para
los valores de los parámetros que se deben medir. De allí, la
reinstrumentación del banco de pruebas, permitió obtener un instrumento
con un nivel avanzado de tecnología, facilitando una mejor calidad en la
inspección de los transformadores instalados en la red de distribución
eléctrica de Maraven.
De la consulta de este trabajo de estudio, se obtuvo información con
respecto a las características de operación que deben tomarse en cuenta
con relación a las entradas y salidas que pueden ser arrojadas por el
banco de prueba.
Del mismo modo Galicia (1997), también realizo una investigación
exclusiva titulada “Implementación de un detector de fallas para circuitos
integrados TTL y CMOS”, que le permitiera a estudiantes, técnicos e
ingenieros, en una forma rápida y eficiente, corregir posibles averías en
circuitos integrados de baja escala de integración y en sistemas digitales
básicos.
Para la consecución de los objetivos propuestos se adopto una
metodología de diagnóstico basada en la simulación de señales de
prueba y en la subdivisión del problema en diversas etapas facilitando el
diseño del dispositivo. Con la implementaron del detector de fallas de
circuitos integrados, la “E.T.1. Anselmo Belloso” obtuvo una herramienta
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de laboratorio que le brinda a la institución la posibilidad de formar un
recurso humano capacitado adecuadamente en el área de mantenimiento
preventivo de sistemas digitales.
La revisión de este trabajo de investigación fue de gran importancia,
puesto que ofrece información fundamental en cuanto al contenido y
descripción de los términos que son requeridos para la realización del
presenta trabajo de estudio. También aporto conocimiento en cuanto a las
características que se deben tener presentes con relación a la elaboración
del banco de pruebas tales como, las entradas y salidas que se requieren
para su funcionamiento y las posibles fallas que pueden surgir en un
circuito integrado.
De igual forma, Añes (1998) presento un tema especial de grado
titulado “Diseño de un banco de trabajo simulado por el computador
personal”. El propósito de esta investigación fue diseñar un banco de
trabajo, simulado por el computador personal; con el fin de realizar
mediciones de voltaje, corriente, ohnmiaje y la visualización mediante el
osciloscopio del comportamiento de sistemas.
La metodología utilizada fue la propuesta por Angulo, quien la divide
en varias etapas a saber: definición de las especificaciones, esquema
general del hardware, ordinograma general, adaptación entre el hardware
y el software, ordinogramas modulares y codificación de programas,
implementación del hardware, depuración del software y construcción del
prototipo definitivo y pruebas finales. Como resultado se obtuvo una forma
distinta y poco común para realizar diferentes mediciones a equipos o
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dispositivos, logrando así hacer una forma más económica para resolver
algunos problemas electrónicos.
La revisión del trabajo de investigación señalada anteriormente, sirvió
de base a esta investigación por las contribuciones realizadas en cuanto a
informaciones acerca de los instrumentos electrónicos de medición que se
encuentran en el mercado actualmente y todo lo referente a las
tecnologías que pueden ser utilizadas. También sirvió para aclarar la
importancia y evolución de los dispositivos electrónicos.
De igual forma, Bermúdez y Fernández (2002), realizaron un trabajo
de investigación titulado “Banco de prueba utilizando microcontroladores
para los sensores de la empresa Schlumberguer de Venezuela S.A.”.
Para lo cual se analizaron los procedimientos de las operaciones de dicho
sensor, así como también se determino la confiabilidad y disponibilidad de
los mismos a fin de establecer los requerimientos del banco de prueba a
diseñar.
A tal efecto se revisaron las teorías de Angulo, Maloney, y Fink,
inherentes al tema de estudio, lo que permitió establecer las bases
teóricas que guiaron la investigación, la metodología utilizada fue de tipo
proyectiva, aplicada y descriptiva, con un prototipo basado en el diseño
previamente analizado. El cual fue sometido a un sin numero de pruebas
pertinentes para establecer el buen funcionamiento del mismo.
Los resultados obtenidos indican que la no existencia de un banco de
prueba con la capacidad de determinar el grado de funcionamiento de los
sensores de la empresa Schlumberger de Venezuela S.A.; trae como
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consecuencia la falta de control e ineficiencia de los procesos en los
cuales dichos dispositivos se encuentran inmersos. Por tal razón la
importancia de desarrollar una herramienta electrónica de campo que
permita la operatividad y la contabilidad de estos sensores.
Esta investigación se centro en la realización de un banco de pruebas
para el cual se hizo necesario el implemento de un microcontrolador, en
consecuencia es resaltante, puesto que ofrece información primordial en
cuanto al funcionamiento y configuración del microcontrolador, el cual es
la herramienta principal en materia de hardware en el existente trabajo de
investigación.
B. BASES TEORICAS La fundamentación teórica de esta investigación esta dirigida a la
explicación de todos los aspectos que tienen relación con el correcto
funcionamiento del banco de pruebas, debido a que esta es la principal
variable de estudio.
Del mismo modo se fundamentara todo lo relacionado a las
compuertas lógicas la cual representa la segunda variable de estudio, de
igual forma se estudiara el software instalado en el PC, debido a que este
será la interfaz entre el usuario y el banco de pruebas. Se explicaran los
componentes que formaran parte del sistema.
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1. CIRCUITOS INTEGRADOS Para que haya surgido la aparición de los CI, la electrónica ha tenido
que pasar por diferentes cambios y descubrimientos a través de los años,
evolucionando del procesador electromagnético a los procesadores
basados en tubos al vacío, posteriormente se dieron lugar los primeros
transistores sustituyendo los tubos al vacío, pero toda este adelanto no
ere suficiente, debido a que, para la implantación de los procesadores en
los primeros computadores no poseían suficiente capacidad de calculo y
almacenamiento de información, al mismo tiempo ocupaban grandes
espacios físicos, aproximados a 50 metros cuadrados y requerían
alimentaciones eléctricas especiales.
Los circuitos integrados aparecen en la década de 1960 – 1970,
haciendo posible que hoy se obtengan procesadores de tamaños
reducidos y alta eficiencia.
Los integrados son circuitos miniaturizados, Según Tocci, (1993, p.
132). Los circuitos integrados (CI) digitales son una colección de
resistores, diodos y transistores fabricados sobre una pieza de material
semiconductor (generalmente Silicio) denominada sustrato, se encuentra
dentro de un encapsulado plástico o de cerámica con terminales que
permiten conectarlo con otros dispositivos.
Colocados en un encapsulado para así permitir el menor uso de
circuitería y cableado en los circuitos electrónicos. Estos internamente
están compuestos por compuertas lógicas las cuales permiten realizar
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operaciones de manera directa sin tener que realizar funciones externas
al circuito integrado.
En el mismo orden de idea, los (CIs) pueden contener desde decenas
hasta miles de compuertas lógicas en su interior, esto dependerá de su
escala de integración, permitiendo de esta manera realizar múltiples
operaciones lógicas, y según su tecnología de fabricación poseen
características que varían dependiendo de la familia lógica en la que se
encuentre cada uno de ellos, las cuales determinan la utilidad y
funcionabilidad de los circuito integrados.
Como se acaba de decir, los CI están formados internamente por
diferentes tipos de componentes, los cuales van a permitir su
funcionamiento, dependiendo de las necesidades pueden contener pocas
o muchas puertas lógicas facilitando escoger entre diferentes tipos. Por
esta razón los circuitos digitales se clasifican de acuerdo a la complejidad
de su circuitería o densidad de integración que vienen a ser el número de
compuertas que estas poseen. Tocci, (1993, p. 134) los clasifica de la
siguiente manera:
• Circuitos SSI (Circuitos de baja escala de integración): Son
aquellos que contienen un máximo d 10 puertas lógicas o 100
transistores.
• Circuito MSI (Circuitos de media escala de integración): son
aquellos que contiene entre 10 y 100 puertas lógicas o de 100 a 1000
transistores.
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• Circuito LSI (Circuitos de alta escala de integración): son aquellos
que contiene entre 100 y 1000 puertas lógicas o de 1000 a 10000
transistores.
• Circuito VLSI (Circuitos de muy alta escala de integración): son
aquellos que contiene más de 1000 puertas lógicas o más de 10000
transistores.
1.1. DETECCION DE FALLAS DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS Para que se pueda emplear el uso de los CI es necesario realizar
pruebas para detectar posibles fallas en el mismo. Estas pruebas van a
permitir el correcto funcionamiento del circuito electrónico en relación al
integrado, dando seguridad de que los posibles errores que puedan surgir
no sean causados por los CI, sino por causas externas.
Según Tocci, (1993, p.139) existen tres pasos básicos para reparar un
sistema o circuito digital que presenta una falla, las cuales se mencionan
seguidamente:
• Detección de Falla: se observa la operación del sistema o circuito y se
compara con la operación correcta esperada.
• Aislamiento de falla: se realizan pruebas y se llevan a cabo
mediciones para aislar la falla.
• Corrección de falla: se reemplaza el componente defectuoso, se
repara la conexión, se remueve el corto, etc.
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Estos pasos a simple vista parecen sencillos, pero, la dificultad para la
detección de fallas va a depender de la complejidad que posea el circuito
integrado internamente. La destreza para corregir y detectar fallas surgirá
de la disposición y práctica que se obtenga a la hora de realizar la tarea.
1.1.1 FALLAS INTERNAS EN LOS CIRCUITOS INTEGRADOS Las fallas internas que posea el integrado pueden ser ocasionadas
durante su fabricación o después de ella, dando lugar a retardos en la
realización de un circuito electrónico y postergando los objetivos que se
persiguen. De acuerdo a Tocci, (1993, p. 141), las fallas internas más
comunes de los circuitos integrados pueden ser:
• Mal funcionamiento de la circuitería interna : Se presentan cuando
uno de los circuitos internos del componente electrónico falla, o por la
operación fuera de los valores permitidos por cada tipo de integrado, al
ocurrir una de estas fallas los valores de salida de las compuertas lógicas
serán erróneas.
• Entradas o salidas con cortocircuitos a tierra o Vcc: Dependiendo
del componente con que se realice el cortocircuito esta falla producirá que
la entrada o salida del circuito permanezca en un estado ALTO o BAJO,
cuando el cortocircuito se encuentra ligado a GND (tierra) producirá un
BAJO permanente en la entrada (o salida) del circuito, por el contrario, un
cortocircuito ligado a Vcc causara un ALTO permanente en el circuito, lo
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que causara, en cualquiera de los casos que las salidas del integrado
sean erróneas.
• Entradas o salidas en circuito abierto: Estas fallas se deben a que
se rompe un alambre de conexión interna en el integrado, causando de
esta manera la interpretación errónea de los resultados, en el caso de las
compuertas de lógica TTL, se producirá un 1 lógico cuando se presente
esta falla, y en el caso particular de los CMOS, se producirán respuestas
errática e incluso pueden producir un recalentamiento del integrado,
terminando de dañar su circuitería interna
• Cortocircuito entre dos terminales (diferentes de las tierras o Vcc):
Se presentan cuando en dos terminales de la misma compuerta se
presentan las mismas señales lógicas, y se puede suponer su falla
cuando dos señales que siendo diferentes muestran las mismas
variaciones lógicas.
1.1.2. FALLAS EXTERNAS EN LOS CIRCUITOS INTEGRADOS Las fallas en los circuitos integrados no son solo internas, sino que
también existen otros factores que pueden estar imperfectos y que son
externos al circuito integrado, algunas de las más comunes según Tocci
(1993, p. 144) son las de circuito abierto, corto circuito y las que se deben
a la fuente de alimentación.
Las líneas de señal en circuito abierto tienen que ver con la
discontinuidad en la trayectoria de conducción que impide que la señal
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vaya de un punto a otro. Algunas de las fallas mas comunes es encontrar
un alambre roto dentro del circuito digital, esta falla suele ocurrir al
momento de quitar el aislante del alambre del mismo modo cuando se
realizan soldaduras, pueden haber desperfectos en las conexiones que se
desean juntar puesto debido a que exista la posibilidad de que no halla
contacto en los terminales del circuito integrado entre la línea de
continuidad del circuito impreso y el terminal del circuito integrado, dando
lugar a circuitos abiertos.
Cuando se trabaja en circuitos impresos generalmente suceden fallas
que son externas al circuito integrado puesto que pueden existir pista
cortadas o golpeadas, siendo estas difíciles de ver sin lupa, puesto que
algunas son tan finas como un cabello, otra falla que no tiene que ver con
la estructura interna del circuito integrado son las terminales, las cuales
pueden estar rotas o dobladas permitiendo así que el integrado no
funcione correctamente, también puede ocurrir que las bases de conexión
para el CI estén defectuosas, lo que va a impedir que las terminales del CI
se conectan con la base.
Según Tocci, (1993, p. 143), otro tipo de falla son las que se
encuentran en corto circuito, este tipo de falla es similar al que se
presenta en un corto circuito interno entre dos terminales de CI. Esto hace
que las dos señales sean exactamente iguales. Suele ocurrir cuando se
quita demasiado aislante de los extremos del alambre, permitiendo que
halla contacto al momento que estos se encuentren muy próximos.
También existen problemas de corto circuito cuando las placas de
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soldadura ponen en contacto dos o mas puntos, esto quiere decir que se
hacen puentes de soldadura.
Los circuitos impresos generalmente presentan acabados imperfectos,
esto ocurre cuando el cobre no esta totalmente disuelto entre las
trayectorias de conducción en las tarjetas de circuitos impresos.
Entre las fallas externas mas frecuente en los circuitos integrados
también encontramos las fallas en las fuentes de alimentación la cual
debe ser regulada por los requerimientos del circuito electrónico.
No obstante en todo sistema digital es necesario contar con una
fuente de alimentación, las cuales pueden presentar fallas debido a
problemas en su circuitería interna o por estar alimentando a circuitos que
sobrepasan a su capacidad. Una buena prueba para detectar posibles
fallas en una fuente de alimentación seria verificar los niveles de voltaje
mediante un osciloscopio, para comprobar los niveles de AC y DC.
2. COMPUERTAS LOGICAS Se entiende que estas son dispositivos de circuitería interna capaces
de realizar operaciones lógicas con entradas binarias 0 o 1 lógico, alto o
bajo. Esto quiere decir que las compuertas lógicas son un circuito
electrónico capaz de tomar una decisión lógica. Cabe destacar que las
operaciones realizadas internamente en estas compuertas son de tipo
lógico y no aritmético.
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Las compuertas lógicas se encuentran dispuestas en arreglos de 2, 3,
4 y hasta 6 compuertas en un circuito integrado o "chip", para que el
arreglo completo funcione es necesario alimentar en circuito integrado con
voltajes adecuados, generalmente 0V y 5V, las señales lógicas que se
mandan al circuito son también de 0V y 5V para el estado lógico cero y
uno (falso y verdadero) respectivamente.
Antes de armar un circuito digital es indispensable diseñar y
documentar el diagrama esquemático del mismo, esto, con ayuda de los
manuales y las hojas técnicas de las compuertas a utilizar.
Los circuitos lógicos son básicamente un arreglo de interruptores,
conocidos como "compuertas lógicas" (compuertas OR, AND, NOT, NOR,
NAND, etc.). Cada compuerta lógica tiene su tabla de verdad. Y, si
pudiéramos ver en más detalle la construcción de éstas, veríamos que es
un circuito comprendido por transistores, resistencias, diodos, etc.
Conectados de manera que se obtienen salidas específicas para entradas
específicas. La utilización extendida de las compuertas lógicas, simplifica
el diseño y análisis de circuitos complejos. La tecnología moderna actual
permite la construcción de circuitos integrados (IC´s) que se componen de
miles de compuertas lógicas.
3. FAMILIAS LOGICAS El conjunto de circuitos integrados digitales que, dentro de una misma
tecnología emplean el mismo tipo de componente y de circuito base en su
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estructura, pertenecen a una igual familia, algunas tecnologías, aunque
no pertenezcan a una misma familia lógica presentan características
similares en cuanto a su funcionamiento y están divididas de la siguiente
manera:
• Familia Lógica RTL (Lógica de resistor transistor): Fue la primera
familia comercial de uso extenso. Su circuito básico es la compuerta
NOR sus entradas están asociadas con un resistencia y un transistor, el
colector de este viene a ser la salida y los niveles de voltaje van desde 0.2
voltios para nivel bajo hasta 3.6 voltios para nivel alto.
• Familia Lógica DTL (Lógica diodo transistor): Las siglas DTL vienen
de la palabra inglesa Diode Transistor Logia, es decir estamos tratando
con una familia compuesta básicamente por diodos y transistores (sin
olvidar las resistencias). Los diodos se encargan de realizar la parte lógica
y el transistor actúa como amplificador inversor. Esta separación de
funciones nos permite. Su compuerta básica es la NAND, sus entradas
están asociadas a un diodo.
• Familia Lógica I²L (Lógica inyección): Pertenece a la familia lógica
digital más recientemente introducida en el mercado, su principal
característica es la alta concentración de compuertas que pueden
encontrarse en un chip, lo que representa una gran ventaja con respecto
las demás familias. Debido a que esta permite colocar varios circuitos en
una sola pasilla, se usa en funciones digitales de alta escala de
integración (LSI)
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• Familia Lógica TTL (Lógica transistor- transistor): La familia lógica
TTL es una mejora de la familia lógica DTL. Esta familia utiliza transistores
que operan en el modo saturado, como resultado, su velocidad de
conmutación esta limitada por el retraso de tiempo por almacenamiento
asociado con un transistor que se conduce ha saturado.
• Familia Lógica ECL (Lógica emisor acoplado): Esta familia evita la
saturación de transistores, con lo que se incrementa la velocidad de
conmutación. Debido a que esta es una familia loica no saturada es la que
posee un menor retardo de propagación en su señal. Esta se usa
generalmente en circuitos donde se requiere una velocidad alta de
operación a pesar de que sus niveles de inmunidad al ruido y disipación
de potencia son los peores.
• Familia Lógica MOS (Semiconductores de metal oxido): Poseen
una estructura más simple que la de un transistor bipolar, debido a esto
pueden integrarse miles de transistores MOS donde solo se colocarían
pocos transistores bipolares, por su simplicidad un MOS consume menos
que un transistor bipolar, todas estas características simplicidad, densidad
de integración y bajo consumo, contribuyen a que el MOS sea mas
económico que los bipolares.
• Familia Lógica CMOS (Semiconductores de metal oxido
complementario): La estructura básica CMOS es el inversor (NOT).
Introducidos al mercado por RCA y con ciertas diferencias de un
fabricante a otro, los CMOS poseen una velocidad de propagación similar
a las de la familia lógica TTL, y se planea que alcancen velocidades
30
similares a la más rápida de esta familia como lo es la TTL Schottky, con
retardos de propagación de hasta 3 ns.
Sin embargo los CMOS presentan una ventaja notable sobre esas
familias y es que por su baja frecuencia presentan un consumo cientos,
miles y hasta millones de veces inferior, de esto deriva su aplicación en
todo lo que respecta a dispositivos portátiles. Mucho se ha hablado de la
sensibilidad de los dispositivos CMOS y su propensión a romperse, pero
es mucho lo que en ese aspecto se ha avanzado, tanto que todas las
compuertas de un CMOS están reforzadas y pueden soportar de 1 hasta
3kV de cargas estáticas, y debido a su gran impedancia de entrada estos
permiten un margen mayor de error con respecto a las demás familias
lógicas
Una vez descritas las diferentes clases de familias lógicas y de
acuerdo a los requerimientos mínimos necesarios para el desarrollo del
banco de pruebas, la que se adapta adecuadamente es la familia lógica
TTL, puesto que es la más comercial y más utilizada actualmente en el
mercado.
4. TTL ESTANDAR
En 1994 Texas Instrumens Corporations introdujo en el mercado la
primera lineal de circuitos integrados TTL, la serie 54/74, las cuales han
sido unas de las familias lógicas de circuitos integrados mas utilizadas,
aun en la actualidad, se hará referencia a la serie 74, ya que la diferencia
31
mas relevante en estas dos series es que la 54 trabaja en un rango mayor
de temperatura con respecto a la 74 y fuentes de alimentación, ya que
estas son utilizadas para proyectos espaciales, como proyectos militares,
espaciales, entre otros.
A pesar de que en la actualidad existen diferentes fabricantes de
circuitos integrados, su nomenclatura básica no varía de un fabricante a
otro, lo que hace más fácil la identificación de cada chip, aun cuando cada
fabricante coloca un prefijo diferente en cada uno, ya que la característica
mas importante a la hora de identificar un circuito integrado es su
numeración básica y no su prefijo.
Toda familia lógica posee un tipo de puerta lógica fundamental que
puede considerarse como elemento básico de la familia. La puerta básica
de la familia TTL es la puerta NO-Y (NAND).Su tensión de alimentación
característica se halla comprendida entre los 4,75V y los 5 un rango muy
estrecho, debido a esto, los niveles lógicos vienen definidos por el rango
de tensión comprendida entre 0,2V y 0,8V para el estado L (bajo) y los
2,4V y Vcc para el estado H (alto).
La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor
característica, ciertamente esta particularidad le hace aumentar su
consumo siendo su mayor enemigo. Motivo por el cual han aparecido
diferentes versiones de TTL como FAST, SL, S, etc. y últimamente los
TTL: HC, HCT y HCTLS. En algunos casos puede alcanzar poco más de
los 250 Mhz.
Las principales compuertas según Mano, (1982, p. 58) son las siguientes:
32
• Compuerta lógica OR: esta compuerta en capas de realizar
operaciones de sumas lógicas entre dos o más entradas binarias, cuya
salida será alta (1) si al menos una de las entradas es alta y baja (0) si
todas las entradas son bajas. En la figura 1 se muestra representado la
compuerta OR.
Figura 1: Representación de la compuerta OR. Fuente: Texas Instruments Incorporated. 2003
Compuerta lógica AND: estas son capaces de realizar operaciones de
multiplicación lógica entre dos o mas entradas binarias, cuya salida será
alta (1) si todas las entradas son altas y baja (0) si al menos una de las
entradas es baja. Ver figura 2 para idealizar su representación simbólica
el dataste.
33
Figura 2: Representación de la compuerta AND. Fuente: Texas Instruments Incorporated. 2003
• Compuerta lógica NOT (Inversor): este tipo de compuerta es capaz
de invertir la señal de entrada recibida, es decir si la entrada es 1 lógico la
salida será 0 lógico y viceversa, para esta conversión se requiere solo
una entrada. En la figura 3 esta representada la compuerta NOT.
Figura 3: Representación de la compuerta NOT. Fuente: Texas Instruments Incorporated. 2003
A partir de las compuertas lógicas OR Y AND se derivan las
compuertas NOR y NAND respectivamente que se describen a
continuación:
34
• Compuerta lógica NOR: Esta compuerta opera con una compuerta
OR seguida de una NOT, lo que quiere decir que actúa al contrario de la
compuerta OR, y su salida pasa a baja cuando cualquiera de sus
entradas son altas. Ver figura 4.
Figura 4: Representación de la compuerta NOR. Fuente: Texas Instruments Incorporated. 2003
• Compuerta lógica NAND: Esta compuerta opera con una
compuerta AND seguida de una NOT, lo que quiere decir que actúa al
contrario de la compuerta AND, y su salida pasa a alto cuando sus
entradas son bajas. Ver representación de la compuerta en la figura 5.
Figura 5: Representación de la compuerta NAND. Fuente: Texas Instruments Incorporated. 2003
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• Compuerta lógica XOR: Su nombre proviene de las siglas OR-
Exclusiva. Sólo habrá salidas altas (uno) cuando las entradas no tengan
el mismo valor. Uno de sus números de parte más común en la
familia TTL es, 7486. En la figura 6 se visualiza la representación de la
compuerta
Figura 6: Representación de la compuerta XOR. Fuente: Texas Instruments Incorporated. 2003
• Compuerta lógica XNOR: Como su nombre lo indica, es una OR-
EX con su salida negada. Esto significa que habrá un uno a la salida
cuando las entradas sean del mismo valor. Uno de sus números de parte
más común en la familia TTL es, 74266. La representación de la
compuerta se visualiza en la figura 7.
36
Figura 7: Representación de la compuerta XNOR. Fuente: Texas Instruments Incorporated. 2003
4.1. CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LA SERIE TTL Para la selección de cualquier familia lógica es necesario conocer las
condiciones de funcionamiento y sus características, las cuales las
distinguen una de otras y permite que su escogencia proporcione
mayores beneficios sobre las demás familias lógicas dependiendo de las
necesidades de uso. Estas características proporcionaran los
requerimientos necesarios para el buen funcionamiento y conducción del
circuito integrado (CI). Tocci, (1993, p. 409).
• Niveles de voltaje: Los niveles de voltaje de entrada y salida ya
sean altos o bajos hacen referencia a las condiciones en las cuales
operan los circuitos integrados, y estos niveles pueden variar
dependiendo de estas condiciones. Los voltajes máximos y mínimos se
refiere a las peores circunstancias de fuente de alimentación, temperatura
y condiciones de carga.
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• Voltajes nominales máximos: En la serie 74 los voltajes
aplicados a cualquiera de las entradas de un circuito integrado no debe
exceder de un voltaje +5.5 voltios, un voltaje superior aplicada a una de
estas entradas puede ocasionar una ruptura de la unión emisor-base (E-
B), al mismo tiempo existe un limite máximo de voltaje negativo aplicable
a una entrada TTL en este caso -0.5 voltios.
• Disipación de potencia: Se debe al desprendimiento de potencia
generado por el circuito integrado éste no se genera por el ni por la
liberación de otra compuerta ni sino por la fuente de poder, este
parámetro se expresa en mW (miliwatt).La cantidad total de potencia
disipada va depender del numero de compuertas que contenga el circuito
integrado, a mayor numero de compuertas mayor será la potencia
disipada.
• Retardo de propagación: Es el tiempo promedio que toma la señal
en propagarse desde la entrada hasta la salida y viene expresado en
nanosegundos (ns), esto se refiere al tiempo de operación que necesita
el integrado para generar la repuesta. El tiempo de propagación va
depender del número de compuertas por las cuales la señal tenga que
atravesar desde la entrada hasta la salida del circuito, esto quiere decir
que a menor número de compuertas el tiempo de propagación será
menor, esta característica es importante en los circuitos donde la
velocidad de operación sea un factor preponderante.
• Margen de Ruido: Es el ruido aceptable agregado a un circuito
que no causa distorsión en las señales salidas. Las señales de corriente
38
AC y DC son el tipo mas común de ruido, en el caso de DC, viene dado
por los cambio de voltaje en la señal y en AC, viene dado por las
variaciones de corriente derivadas por las señales de interferencias
externas al circuito.
4.2. TIPOS DE FAMILIAS LOGICAS TTL Los circuitos integrados de la serie TTL ofrecen una gran diversidad de
compuertas y funciones. Estas difieren de acuerdo a la capacidad que
pasee con respecto a la velocidad, disipación de potencia, retardo de
propagación y el margen de ruido que tienen, además estas pueden
contener combinaciones de dichas características. Según Tocci, (1993, p
412) la seria TTL 74 se clasifica de la siguiente manera:
• Serie 74L, TTL de bajo consumo de Potencia: Estas tienen en
esencia el mismo circuito básico que la serie 74 estándar excepto que
todos los valores de resistencia se incrementan. Las resistencias mayores
reducen los requerimientos de potencia pero a expensas de retardos más
largos en la propagación. La serie 74L es ideal en aplicaciones en que la
disipación de la potencia es más crítica que la velocidad. Esta serie tiene
la disipación de potencia mas baja de toda la serie TTL.
• Serie 74H, TTL de alta velocidad: Posee una velocidad de
conmutación mucho mayor con un retardo de propagación promedio de
6ns, sin embargo esta velocidad se alcanza a costa de una mayor
39
disipación de potencia. La compuerta básica NAND de esta serie tiene
una PD (promedio) de 23mW.
• Serie 74S, TTL Schottky: las series 74, 74H y 74L funcionan
mediante la conmutación hacia niveles de saturación, donde los
transistores que conducen lo hacen en la condición de saturación. Esta
forma de funcionamiento da origen a n retardo en el tiempo por
almacenamiento, tS, cuando el transistor conmuta de ENCENDIDO hacia
APAGADO, lo que limita la velocidad de conmutación del circuito.
La serie 74S disminuye este retardo de tS, al no permitir que el
transistor entre demasiado en saturación. Lo anterior se logra conectando
un SBD (diodo de barrera Schottky). El SBD tiene un voltaje de
dolarización en directo de solo 0.25V, esto reduce el exceso de corriente
de base y disminuye el retardo de tiempo por almacenamiento durante el
apagado.
• Serie 74LS, (LS-TTL), TTL Schottky de bajo consumo de potencia:
Es una versión de 74S con un menor consumo de potencia y velocidad.
Utiliza transistores de Schottky pero con valores más grandes de
resistencia. Los valores mayores de resistencia reducen el requerimiento
de potencia del circuito, pero a expensas de un aumento en los tiempos
de conmutación.
• Serie 74AS (AS-TTL), TTL Schottky avanzado: La serie 74AS
proporciona una mejora considerable en velocidad sobre la serie 74S con
un requerimiento de potencia mucho menor. Es mas rápida y su producto
40
velocidad potencia es mucho menor, posee bajos requerimientos de
entrada, lo que significa un factor de carga de la salida mucho mayor.
• Serie 74ALS, TTL Avanzado Schottky de bajo consumo de
potencia: Posee mejoras en velocidad, potencia y retardo de propagación
con respecto a la serie 74AS.
5. CMOS La estructura del CMOS (Metal Oxido-Seminductor Complementary)
viene dado a partir de los MOS, fue en 1930 cuando se descubre que se
puede gobernar la conducción a través de un cristal aplicándole un campo
eléctrico perpendicular, a la que hoy se considera como el transistor de
efecto de campo. A finales de los años 30 se intenta sustituir los
conmutadores electromecánicos empleados en telefonía para establecer
las conexiones. En el año 1948 se realizo el primer transistor bipolar de
unión. En los años 60 vislumbra la posibilidad de elaborar funciones
lógicas mediante MOS, desde este momento empiezan a aparecer los
circuitos integrados primero bipolares y después MOS.
Debido a la baja velocidad que poseen los MOS se requirió la
necesidad de implementar una tecnología mas avanzada en cuanto las
necesidades de velocidad, a raíz de esta necesidad aparecen los CMOS.
Existen diferentes series en la familia CMOS, la serie 4000 y la 74C:
• Series 4000/14000: Tienen una disipación de potencia muy baja y
pueden operar en un amplio rango de suministro de voltaje (3 a 15V). Son
41
muy lentos en comparación con TTL y otras series CMOS y tienen muy
bajas capacidades de corriente de salida. Sus terminales no son
eléctricamente compatibles con ninguna serie TTL.
• La Serie 74C, ha tenido mejoras y tiene varias subfamilias:
o Subfamilia 74C: Es compatible con terminales y equivalente
funcionalmente con TTL.
Las características de funcionamiento de esta serie son casi las mismas
que la de la serie 4000.
o Subfamilia 74HC/HCT (CMOS de alta velocidad): Es una mejora de
la serie 74C, tiene una corriente de salida mayor y su velocidad de
conmutación es 10 veces mayor, comparable con la serie 74LS. Son
compatibles con terminales y equivalente funcionalmente con TTL. Los
74HCT son eléctricamente compatibles pero los 74HC no lo son. Esta es
la serie que más se emplea.
o Subfamilia 74AC/ACT (CMOS avanzado): Es la serie más nueva,
es funcionalmente equivalentes con las series TTL, pero no es compatible
con terminales, ya que la selección de las terminales se han seleccionado
para mejorar la inmunidad al ruido.
5.1. CARACTERISTICAS DE LOS CMOS Estos presentan características compatibles en patillas, funciones y
tensiones con la celebre familia 54/74 TTL. Los CMOS aspiran alcanzar
las velocidades de la TTL e incluso de la TTL mas rápida que existe , una
42
ventaja que presenta es su consumo que a frecuencias bajas o
relativamente bajas, puede ser centenares, miles o incluso millones de
veces inferior, de esto resulta nuevas posibilidades de aplicación. Los
desacoplo en CMOS son mucho mas severos y muy poco sensibles a las
variaciones de la tensión de alimentación.
Para que las compuertas lógicas CMOS funcionen adecuadamente
deben contener un rango de alimentación mayor a 3V pero menor a 18V y
los niveles lógicos de entrada deben oscilar entre 0.3xVdd y 0.7 xVdd y
para los niveles lógicos de salidas, oscilan entre 0 y Vdd.
Las primeras puertas CMOS de las serie 4000 son por lo general más
lentas que las puertas de las familias TTL. En años recientes ha
aumentado considerablemente la velocidad de funcionamiento. Las
familias avanzadas 74ACXX y 74ACTXX tienen tiempos de retardo del
orden de 7 ns y las familias recientes que trabajan con tensión de
alimentación inferiores (LVT, ALVC, ALVT) del orden de 2.5 ns.
Uno de los principales motivos del empleo de la lógica CMOS es su
muy bajo consumo de potencia. El consumo en reposo es muy bajo,
aumentando conforme aumenta la velocidad de conmutación.
Las entradas CMOS. Son muy sensibles a la electricidad estática y no
pueden dejarse sin conectar. Todas las entradas no utilizadas deben
conectarse a nivel alto o bajo o de lo contrario se reflejaran resultados
erróneos e incluso puede afectar el comportamiento del integrado a la
hora de realizar pruebas con este.
1111
43
6. MICROCONTROLADORES En 1971, INTEL fabrica el primer procesador el 4004 con el objeto de
sustituir la CPU de terminales inteligentes fabricadas en esa fecha por
otras empresas, pero este resulto diez veces mas lento de lo requerido,
sin embargo fue comercializado. El 4004 podía direccionar solo 4096
localidades de memoria de cuatro bits, reconocía cuarenta y cinco
instrucciones y podía ejecutar una instrucción en 20 ns en promedio.
Para el año 1972 las aplicaciones del 4004 estaban muy limitadas por
su reducida capacidad y rápidamente INTEL desarrollo una versión más
poderosa el 8008, el cual podía manipular un bytes completo, por lo cual
fue un microprocesador de 8 bits. La capacidad de memoria se
incremento pero la velocidad de operación se mantuvo igual. En 1973 se
lanza al mercado el 8080, el primer procesador basado en tecnología
NMOS (No-chanel metal Oxido Semiconductor), la cual permite superar la
velocidad a 500.000 operaciones por segundo, además también se
incremento la capacidad de direccionamiento de memoria a 64 kbytes.
A partir del desarrollo del 8080 comenzó la revolución en el diseño de
microcomputadoras y la fabricación de microprocesadores en diferentes
empresas.
En 1975 Zilog lanza al mercado el Z80, uno de los microprocesadores
de 8 bits más poderosos. Esto provoca un avance en el mercado de
microcomputadoras de uso domestico y un caos en la reproducción de
lenguajes, sistemas operativos y programas.
44
Posteriormente (1976), surgen las primeras microcomputadoras en un
solo chip, que mas tarde se denominaron microcontroladores, capaces de
controlar diversas facciones encontradas en los equipos que se utilizan a
diario.
Un microcontrolador, consiste en un sencillo pero complete
computador contenido en un circuito integrado de alta escala de
integración, este dispositivo normalmente de los siguientes elementos:
• Procesador o CPU (Unidad Central de Procesos)
• Memoria RAM. Para contener los datos
• Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM.
• Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
• Diversos módulos para el control de periféricos
• Generador de pulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de
todo el sistema.
6.1. ARQUITECTURA INTERNA No cabe la menor duda de que los microcontroladores son un
computador que se encuentra encapsulado en un integrado, pero con
limitadas funciones designadas a cumplir una sola tarea. A pesar de que
contiene todos los componentes de un computador posee características
fijas que no pueden ser alteradas.
• Procesador: El procesador o CPU es una de las partes más
importantes del microcontrolador, puesto que es el responsable de la
45
velocidad con la que se procesan los datos, tanto de entrada como de
salida y la forma en que deben operar.
Los elevados rendimientos en el procesamiento de las instrucciones
genero el empleo de procesadores de arquitectura Hardware, la cual
posee dos memorias, la de datos y la de programa, cada memoria
dispone de su respectivo bus, lo que permite, que la CPU pueda acceder
de forma independiente y simultánea a la memoria de datos y a la de
instrucciones. Como los buses son independientes éstos pueden tener
distintos contenidos en la misma dirección. En la figura 8 se muestra
como están los buses diseccionados a la memoria.
Figura 8: Arquitectura según el modelo HARVARD. Fuente: Angulo. 1999
Frente a la arquitectura hardware seguían las tradicionales basadas en
la arquitectura de Von Newmann, esquematizada en la figura 2 esta se
caracteriza porque la CPU se conectaba con una memoria única, donde
coexistían datos e instrucciones, a esta memoria se accede a través de
un sistema de buses único. Ver figura 9.
46
Figura 9: Arquitectura según el modelo de Von Neumann. Fuente: Angulo. 1999
El CPU se encarga de direccional las instrucciones, decodificarlas,
ejecutar las instrucciones de operación, así como la búsqueda de
operándos y el almacenamiento del resultado para que sea destinado a
los dispositivos de salida. En este también se intervienen características
tanto de hardware como de software. Para la arquitectura y
funcionabilidad de los procesadores actuales existen otras tres de cuerdo
a las instrucciones que realiza.
o CISC (Complex Instruction Set Computer) Computadores de juego
de instrucciones complejo, que disponen de un repertorio de instrucciones
elevad, aproximadamente unas 80 instrucciones, algunas de ellas muy
sofisticadas y potentes, pero requieren muchos ciclos de máquina para
ejecutar las instrucciones complejas.
o RISC: (Reduced Instruction Set Computer) Computadores de juego
de instrucciones reducido, en los que el repertorio de instrucciones es
muy reducido, alrededor de 35 rutinas, las instrucciones son muy simples
y suelen ejecutarse en un ciclo máquina. Además los RISC deben tener
una estructura que admita aplicar la técnica de segmentación, esta
técnica permite al procesador realizar paralelamente la ejecución de una
47
instrucción y la búsqueda de código de la siguiente. De esta manera, se
puede ejecutar una instrucción en un ciclo y ejecutar todas las
instrucciones a la misma velocidad. (Cada ciclo de instrucción son cuatro
ciclos de reloj).
o SISC. (Specific Instriction Set Computer) Computadores de juego
de instrucciones específico, esta se aplica microcontroladores diseñados
a realizar tareas concretas y donde el repertorio de instrucciones es
reducido y determinado, es decir las instrucciones se adaptan de acuerdo
a las necesidades de la aplicación.
Figura 10. Arquitectura Básica. Fuente: Angulo (1999)
• Memoria: En los microcontroladores la memoria esta contenida en
el mismo chip. Esta puede ser no volátil, la cual es para contener el
programa o no volátil que es la que se encarga de contener los datos. El
microcontrolador esta diseñado para almacenar en memoria todas las
instrucciones del programa de control, este no acepta memorias externas
48
como, discos duro, discos flexibles y discos rígidos. Existen cinco tipos de
memorias ajustadas para soportas estas funciones.
o Memoria ROM (Read Only Memory): Esta es un tipo de memoria
de solo lectura cuya programación es realizada solo durante el proceso de
fabricación, su utilización se recomienda solo cuando se requieren series
muy grandes, debido a sus altos costos de diseño y material de trabajo.
o EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory): Esta es un
tipo de memoria que permite borrar y grabar el programa contenido tantas
veces como se desee, para esto se dispone de una ventana de cristal
contenida en el chip, la cual se somete a rayos ultravioletas para producir
el borrado del programa. Esta grabación se realiza a través de un
dispositivo que se encuentra conectado a un computador personal.
o OTP (One Time Programmable): Memoria no volátil de solo lectura,
la cual puede ser programada una sola vez. La programación se realiza a
través de un grabador acoplado a un computador personal sin
posibilidades de borrado. Debido a su sencillez es de bajo costo, se
recomienda en la utilización de series de producción corta.
o EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory):
Se trata de una memoria de solo lectura, la cual puede ser programada y
borrada eléctricamente a través de un dispositivo de grabación conectado
a un computador personal tantas veces como se quiera. No posee
ventana de cristal en la superficie.
o FLASH: Se trata de una memoria no volátil que puede ser
programada y borrada tantas veces se quiera, de la misma manera que
49
EEPROM Y OTP. Es recomendable en aplicaciones donde se hace
necesario los mantenimientos a lo largo de la vida de cualquier producto,
donde generalmente se realizan cambios de algunos componentes, como
consecuencia de desgastes o mal funcionamiento, como sucede en los
vehículos.
• Puertos de entrada y salida: La función principal de los diferentes
pines que posee el microcontrolador es soportar las líneas de entrada y
salida (E/S) que comunican el computador interno con los periféricos
exteriores, debido a que estas líneas permitirán mostrar el funcionamiento
del chip.
De acuerdo al modelo de microcontrolador, las líneas de E/S se
destinan a proporcionar el soporte a las señales de entrada, salida y
control, es decir, estas proporcionaran la ruta adecuada para aceptar,
procesar y suministrar datos.
• Reloj Principal: Generalmente, los microcontroladores contienen
internamente un circuito oscilador de que genera una onda de frecuencia
cuadrada, que establece los impulsos de reloj, los cuales son necesarios
para sincronizar las operaciones del sistema.
Como el circuito de reloj frecuentemente se encuentra dentro del
microcontrolador, solo se necesitan algunos componentes externos para
seleccionar y estabilizar la frecuencia adecuada para realizar los
procesos. Estos componentes pueden ser, un cristal de cuarzo junto a
elementos pasivos o un resonador cerámico o una red R-C.
50
Si se quiere disminuir el tiempo en que se ejecutan los procesos, es
necesario disminuir la frecuencia de reloj, pero esto lleva consigo un
incremento en el consumo de energía.
• Recursos específicos: En la actualidad, existen un sin numero de
fabricantes dispuestos a producir microcontrolador que contengan todos
los recursos necesarios en un solo chip. Algunos, en la estructura básica
pretenden aumentar las capacidades de memoria, otros incorporar
recursos que proporcionen un mayor funcionamiento, otros tratan de
reducir las prestaciones al mínimo para aplicaciones mas simples, etc.
El trabajo del diseñador será seleccionar el modelo que satisfaga todas
las necesidades de su aplicación, para así minimizar el coste, el software
y el hardware. Los principales recursos que poseen los
microcontroladores son los siguientes:
o Temporizadores o “Timers”: este se emplea para controlar periodos
de tiempo y para llevar la cuenta de funciones que ocurren en el exterior
del microcontrolador. Para la medida de tiempos, se carga un registro con
un valor inicial y a continuación este se incrementa o decrementa al ritmo
de los impulsos del reloj, hasta que llegue a cero, donde se producirá un
aviso.
o Perro guardián o “Watchdog”: este se encarga de realizar un reset
automáticamente en el sistema, cuando ocurre un fallo. Debido a que los
microcontroladores no cuentan con un supervisor personal las 24 horas
de su funcionamiento, requieren de este recurso para que cumpla la tarea
de supervisor.
51
Se debe diseñar la el programa de trabajo que controla la tarea, de
manera que refresque o inicialice al perro guardián antes de que
provoque el reset. Si falla el programa o se bloquea, no se refrescara el
perro guardia y al completar su temporización, “ladrara y ladrara” hasta
provocar el reset.
o Protección ante fallo de alimentación o “Brownout”: Este se
encarga de proteger al microcontrolador cuando no esta recibiendo la
cantidad de voltaje necesario para su actividad, es decir, cuando no
cuenta con el voltaje mínimo para el funcionamiento. Mientras el voltaje
de alimentación (VDD) es inferior a un voltaje al de brownout el dispositivo
se mantiene peseteado, el microcontrolador empezara a funcionar cuando
el voltaje de alimentación sobrepase este valor.
o Estado de reposo o de bajo consumo: Existen varias ocasiones en
las que el microcontrolador debe esperar, sin hacer nada, a que se
genere algún proceso para empezar a trabajar nuevamente. Para ahorrar
energía los microcontroladores poseen una instrucción especial (SLEEP
en los PIC), que los pase al estado de reposo o de bajo consumo.
En este estado, el reloj se detiene y congela todos los circuitos
asociados, quedando en un profundo “sueño”. Al generarse una
interrupción, el microcontrolador despertara y se pondrá en
funcionamiento nuevamente.
o Conversor D/A (CDA): Consiste en transformar los datos digitales
producido del procesamiento del computador a su respectiva señal
52
analógica, la cual es sacada al exterior a través de los patillas el circuito
integrado.
o Conversor A/C (CAD): Los microcontroladores que contienen este
recurso son capaces de procesar señales analógicas, las cuales son
abundantes en las aplicaciones. Suelen disponer de un multiplexor
conectado al CAD, aplicando diversas señales analógicas desde las
patitas del circuito integrado.
o Comparador analógico: algunos microcontroladores poseen en su
estructura interna un amplificador operacional que actúa como
comparados entre una señal fija de referencia y otra señal variable que es
aplicada por una de las patitas del integrado. La salida del comparador
será 1 ó 0 lógico según sea la señal mayor o menor que la otra.
También existen algunos modelos de microcontroladores que poseen
módulos de tensión de referencia que se pueden aplicar en los
comparadores.
o Modulador de anchura de impulsos o PWM: son dispositivos que
proporcionan en las terminales de salida impulsos de anchura variable,
que se muestran al exterior a través de las patitas del encapsulado.
o Puertos de E/S digitales: Todos los microcontroladores destinan
algunas de patitas para las líneas de E/S digitales. Generalmente, estas
líneas de E/S se agrupan en de ocho en ocho formando puertos.
Las líneas digitales de los puertos pueden establecerse como entrada
o como salida cargando un 1 ó un 0 en el bit apropiado de un registro
destinado a su configuración.
53
o Puertos de comunicación: con el fin de que el microcontrolador
pueda comunicarse con otros componente externo a este, otros buses de
microprocesadores, buses de sistemas, buses de redes; algunos modelos
disponen de recursos que permiten esta tareas, entre los que destacan:
- UART, adaptador de comunicación serie asincronada.
- USART, adaptador de comunicación serie sincrona y asincrona.
- Puerta paralela esclava para poder conectarse con los buses de otros
microprocesadores.
- USB (Universal Serial Bus), que es un moderno bus serie para los PC.
- Bus I2C, que es un interfaz de dos tilos desarrollado por Philips.
- CAN (Controller Area Network), para permitir la adaptación con redes
de conexión multiplexado desarrollado conjuntamente por Bosch e Intel
para el cableado de dispositivos en automóviles. En EE.UU. se usa el
J1850.
6.2. HERRAMIENTAS PARA EL DESARROLLO DE APLICACIONES Uno de los factores más importante en la elección del modelo del
microcontrolador es el soporte tanto de hardware como de software que
proporcione. Unas buenas herramientas para el desarrollo pueden ser un
apoyo importante para esta lección y el desarrollo del proyecto a la cual
esta destinado el microcontrolador.
Las principales herramientas de desarrollo se muestran a continuación:
54
• Ensamblador: La programación en lenguaje ensamblador resulta
un poco complicado para el programador, este es un lenguaje único que
es capas de ser reconocido y ejecutado por el computador ya sea de uso
general o específico. También es llamado lenguaje maquina, esta
compuesto por una serie de instrucciones, que son las únicas que pueden
ser ejecutadas por el procesador, este otorga el dominio de todo el
sistema al programador.
• Compilador: La programación en un lenguaje de alto nivel (como el
C ó el Basic) permite disminuir el tiempo de desarrollo de un producto. No
obstante, si no se programa con cuidado, el código resultante puede ser
mucho más ineficiente que el programado en ensamblador. Las versiones
más potentes suelen ser muy caras, aunque para los microcontroladores
más populares pueden encontrarse versiones demo limitadas e incluso
compiladores gratuitos.
• Depuración: Debido a que los microcontroladores van a controlar
dispositivos físicos, los desarrolladores necesitan herramientas que les
permitan comprobar el buen funcionamiento del microcontrolador cuando
es conectado al resto de circuitos.
• Simulador: Son capaces de ejecutar en un PC programas
realizados para el microcontrolador. Los simuladores permiten tener un
control absoluto sobre la ejecución de un programa, siendo ideales para la
depuración de los mismos. Su gran inconveniente es que es difícil simular
la entrada y salida de datos del microcontrolador.
55
• Placas de evaluación: Se trata de pequeños sistemas con un
microcontrolador ya montado y que suelen conectarse a un PC desde el
que se cargan los programas que se ejecutan en el microcontrolador. Las
placas suelen incluir visualizadores LCD, teclados, LEDs, fácil acceso a
los pines de E/S, etc.
• Emuladores de circuito: Se trata de un instrumento que se coloca
entre el PC anfitrión y el zócalo de la tarjeta de circuito impreso donde se
alojará el microcontrolador definitivo.
7. TIPOS DE PIC Existen diversas familias de PIC, pero las más básicas son:
• PIC16C5x: instrucciones de 12 bit, 33 instrucciones, 2 niveles de
acumulador, sin interrupciones. En algunos casos la memoria es del tipo
ROM, definida en fábrica. En la figura 11 se muestra el datasheet
correspondiente.
Figura 11. DataSheet Del PIC16C5x. Fuente: Microchip 2003
56
• PIC16Cxx: instrucciones de 14 bit, 35 instrucciones, 8 niveles de
acumulador. El PIC16C84 posee memoria EEPROM. La arquitectura del
PIC16C84 se mantiene para todos los microcontroladores de esta
subfamilia, diferenciándose unos de otras en algunas características. En
la figura XX se muestra el data Sheet del PIC16Cxx. En la figura 12
muestra el datasheet del PIC16CXX.
Figura 12. Data Sheet Del PIC16C5x. Fuente: Microchip 2003
• PIC 16F84: La memoria de programa es de l K palabras de l4 bits,
pero de tipo Flash. La memoria de datos RAM tiene 68 registros de
tamaño byte de propósito general, en lugar de 36. Ver datasheet en la
figura 13.
57
Figura 13. Data Sheet Del PIC16F84. Fuente: Microchip 2003 • PIC16CR84: La memoria de programa es de IK palabras de 14 bits
tipo ROM y la de datos tiene iguales características que el PIC16F84.: La
memoria de programa es de 1K palabras de 14 bits tipo ROM y la de
datos tiene iguales características que el PIC16F84. en la figura 12 se
muestra su datasheet.
Figura 14. Data Sheet Del PIC16CR84. Fuente: Microchip 2003
• PIC16F83: La memoria de programa es de 512 palabras de 14 bits
y la RAM de datos tiene 36 bytes de registros de propósito general. L
dataste de este PIC contiene la misma configuración del PIC16F84
58
• PIC16CR83: Igual que el PIC16F83, pero la memoria de
instrucciones es de tipo ROM, o sea, sólo grabable durante el proceso de
fabricación y utilizada en grandes series. El elemento diferencial más
importante del PIC16C84 respecto al resto de los elementos de la familia
media de los PIC, es que la su memoria de programa es del tipo
EEPROM y en el caso del PIC16F84 es que su memoria es del tipo Flash,
por lo demás, otros dispositivos de esta familia disponen de más
memoria, tienen más periféricos, etc.
• PIC17Cxx: instrucciones de 16 bit, 55 instrucciones, 16 niveles de
acumulador. A menos que se indique, la memoria es del tipo EPROM.
• PIC12CFXXX: Su principal característica es su reducido tamaño, al
disponer de 8 patitas. Se alimentan con un voltaje de corriente continua
comprendido entre 2,5 Vy 5,5 V, y consumen menos de2 mA cuando
trabajan a 5 V y 4 MHz. El formato de sus instrucciones puede ser de 12 o
de 14 bits y su repertorio es de 33 instrucciones, respectivamente. Los
PICS de 8 patas, pueden destinar hasta 6 patas como líneas de E/S para
los periféricos ya que disponen de un oscilador interno. Se caracteriza por
contener 512 localizaciones de dirección para el programa (memoria de
programa), posee direccionamiento directo, indirecto y relativo para los
datos y las instrucciones. Oscilador interno de 4MHz RC con calibración
programable y posee un modo sleep para ahorro de energía. Con un set
de 33 instrucciones. En la figura 13 se muestra el data sheet
correspondiente.
59
Figura 15. Data Sheet del PIC12CFXX. Fuente: Microchip 2003 • PIC16F877: Es uno de los primeros dispositivos que usan la
innovadora tecnología de memoria migrable permitiendo la máxima
flexibilidad de diseño y rendimiento del diseño. La tecnología de memoria
migrable proporciona compatibilidad de software y de encapsulado entre
todos los microcontroladores FLASH, OTP y ROM equivalentes
permitiendo al diseñador adaptar la tecnología de memoria del
microcontrolador al ciclo de vida de la aplicación, proporcionando una fácil
migración hacia una solución de menor coste cuando sea conveniente. En
la figura 14 se visualiza el data sheet del PIC16F877.
60
Figura 16: Data Sheet del PIC16F877. Fuente: Microchip (2003) 8. MICROCONTROLADOR SELECCIONADO (PIC16F877) Los microcontroladores están conquistando el mundo. Están presentes
en nuestro trabajo, en nuestra casa y en nuestra vida en general. Se
puede encontrar controlando el funcionamiento de los ratones y teclados
de las computadoras, en los teléfonos, en los hornos microondas y los
televisores de nuestro hogar. Un microcontrolador es un computador
completo, aunque de limitadas prestaciones, que esta contenido en el
chip de un circuito integrado y se destina a gobernar una sola tarea. Es un
sistema cerrado que no se puede cerrar. Según la teoría de Microchip
Technology (1998).
61
Se elige una familia de microcontroladores, los PIC de Microchip
Tecnology Inc. Dentro de ella se selecciona un modelo concreto, el
PIC16F877. Las razones que impulsan a esta decisión es que estos
microcontroladores son sencillos, modernos, rápidos, económicos,
además los programas pueden se escritos y borrados infinidades de
veces, incluyen puertos designados para ser configurados como puertos
de transmisión y recepción serial. Son numerosas las ocasiones en las
que es necesario almacenar datos con el fin de que estos permanezcan a
la disposición, para leerlos o modificarlos, a pesar de que se presenten
cortes de energía o se desconecte el sistema.
Han sido innumerables las soluciones a esta necesidad, y ellas van
desde la memoria RAM, alimentadas con baterías de litio para brindar
alimentación de respaldo en caso de cortes de energía, hasta dispositivos
magnéticos para almacenar la información. Con todo lo anterior, las
soluciones planteadas tienen un gran inconveniente, el dispositivo que se
utiliza como memoria de datos se encuentra por fuera del circuito
integrado del microcontrolador, por lo tanto se necesita, además de
espacio adicional para éste, diseñar la disposición de las líneas de
control, de datos, de direcciones, etc., lo que involucra necesariamente
inconvenientes, tiempo y, por supuesto, dinero.
El PIC16F877 resuelve con creces las necesidades planteadas, debido
a que tiene incorporada una memoria EEPROM de datos de 64
posiciones, cada una de 8 bits, en este no se precisan baterías de
respaldo para mantener los datos, ni espacio adicional, ni trazar líneas
62
complejas entre la CPU y la memoria, todo esta incluido en el mismo
circuito integrado.
8.1. CARACTERISTICAS DEL PIC16F877 Este microcontrolador pertenece a la gama media de la familia de los
PIC, aunque se le introdujo como variante memoria de programa tipo
FLASH.
8.1.1. RECURSOS FUNDAMENTALES Todos los microcontroladores poseen características propias que
definen su funcionabilidad y rapidez con la que pueden operar, y los
recursos que contiene, que vienen a ser todos aquellos parámetros de
frecuencia, memoria de datos, velocidad de instrucción, entre otros.
Microchip Electronics, los describe de la siguiente manera.
- Procesador de arquitectura RISC avanzada.
- Repertorio de 35 instrucciones con 14 bits de longitud. Todas ellas se
ejecutan en un ciclo de instrucción, menos la de salto que tardan dos.
- Frecuencia máxima de 20 MHz.
- 14.336 bytes de memoria FLASH de programa.
- 256 Bytes EEPROM y 368 Bytes RAM como memoria de datos.
- Encapsulados de 40 a 44 patas.
63
- 14 fuentes de interrupción interna.
- Pila con 8 niveles.
- Modos de direccionamiento directo, indirecto y relativo.
- Perro guardián (WDT).
- Código de protección programable.
- Modo SLEEP de bajo consumo.
- ICSP (Programación serie en circuito).
- Voltaje de alimentación entre 2 y 5,5 V.
- Bajo consumo (menos de 2 mA y 5MHz).
8.1.2. PROCESADOR RISC CON ARQUITECTURA HARVARD Esta arquitectura se caracteriza por la independencia entre la memoria
de código y la de datos. Así, tanto la capacidad como el tamaño de los
buses de cada memoria se adaptan estrictamente a las necesidades del
diseño, facilitando el trabajo en paralelo de las dos memorias, lo que
permite obtener altas cotas de rendimiento. Angulo(1.999, p.6) expresa
”En la arquitectura Harvard son independientes la memoria de
instrucciones y la memoria de datos y cada una dispone de su propio
sistema de buses para el acceso. Esta dualidad, además de propiciar el
paralelismo, permite la adecuación del tamaño de las palabras y los buses
a los requerimientos específicos de las instrucciones y de los datos”.
En la figura 17 se observa la arquitectura del PIC16F877. Se puede
observar que la memoria donde se encuentran las instrucciones está
64
direccionada por el contador de programa en conexión con la Pila de 8
niveles. La memoria de datos RAM contiene el banco de registros
específicos y el banco de registros de propósito general y transfiere
información bidireccional por el bus de datos de 8 líneas que interconecta
todos los elementos. Finalmente, el camino de datos está formado por
una ALU de 8 bits que trabaja conjuntamente con el registro de trabajo W.
Figura 17: Arquitectura tipo Harvard de los PIC16F877. Fuente: Angulo (2000)
65
9. LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN Son las herramientas empleadas por el usuario para desarrollar
programas, que luego van ha ser ejecutados por el ordenador. Como por
ejemplo lenguaje C, visual Basic, pascal, entre otros.
Uno de los lenguajes de programación mas eficaz a la hora de
desarrollar programas de aplicación y el cual va hacer objeto de interés en
el estudio es el Visual Basic.
9.1 VISUAL BASIC Es un potente sistema de programación que se podrá utilizar para
construir en forma rápida y eficiente aplicaciones bajo ambiente Windows.
En términos generales Suarez (1998), expresa es uno de los tantos
lenguajes de programación que podemos encontrar hoy en día. Dicho
lenguaje nace del BASIC (Beginner´s All-purpose Symbolic Instruction
Code) que fue creado en su versión original en el Dartmouth College, con
el propósito de servir a aquellas personas que estaban interesadas en
iniciarse en algún lenguaje de programación. Luego de sufrir varias
modificaciones, en el año 1978 se estableció el BASIC estándar. La
sencillez del lenguaje ganó el desprecio de los programadores avanzados
por considerarlo "un lenguaje para principiantes".
Primero fue GW-BASIC, luego se transformó en QuickBASIC y
actualmente se lo conoce como Visual Basic y la versión más reciente es
66
la 6 que se incluye en el paquete Visual Studio 6 de Microsoft. Esta
versión combina la sencillez del BASIC con un poderoso lenguaje de
programación Visual que juntos permiten desarrollar robustos programas
de 32 bits para Windows. Esta fusión de sencillez y la estética permitió
ampliar mucho más el monopolio de Microsoft, ya que el lenguaje sólo es
compatible con Windows, un sistema operati vo de la misma empresa.
Visual Basic ya no es más "un lenguaje para principiantes" sino que es
una perfecta alternativa para los programadores de cualquier nivel que
deseen desarrollar aplicaciones compatibles con Windows.
En este informe se explican algunos términos y/o características de
mismo con la finalidad de aprender mas sobre este Programa y manejarlo
con facilidad.
Visual Basic es un lenguaje de programación que se ha diseñado para
facilitar el desarrollo de aplicaciones en un entorno grafico (GUI-
GRAPHICAL USER INTERFACE) Como Windows 98, Windows NT o
superior.
9.1.1. CARACTERÍSTICAS DE VISUAL BASIC Para el diseño de algunos sistemas se requiere realizar conexiones
con otras aplicaciones que puedan ayudar o generar eventos, que se
realizan con frecuencia, o estructurar datos, características que Visual
Basic presenta para su aplicación.
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• Diseñador de entorno de datos, es posible generar, de manera
automática conectividad entre controles y datos mediante la acción
de arrastrar y colocar sobre formularios o informes.
• Los Objetos Actives son una nueva tecnología de acceso a datos
mediante la acción de arrastrar y colocar sobre formularios o informes.
• Asistente para formularios: Sirve para generar de manera automática
formularios que administran registros de tablas o consultas
pertenecientes a una base de datos, hoja de calculo u objeto (ADO-
ACTIVE DATA OBJECT)
• Asistente para barras de herramientas es factible incluir barras de
herramientas personalizadas, donde el usuario selecciona los botones
que desea visualizar durante la ejecución.
• En las aplicaciones HTML: Se combinan instrucciones de Visual Basic
con código HTML para controlar los eventos que se realizan con
frecuencia en una pagina web.
• La Ventana de Vista de datos proporciona acceso a la estructura de
una base de datos. Desde esta también acceso al Diseñador de
Consultas y diseñador de Base de datos para administrar registros.
9.1.2. ENTORNO DE VISUAL BASIC. Esta herramienta incluye en su paquete infinidades de prestaciones
para que el usuario tenga a la mano todos los recursos necesarios para
realizar el sistema.
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• Barra de titulo: muestra el nombre del proyecto y del formulario que se
está diseñando actualmente
• Barra de menús: agrupa los menús despegables que contienes todas
las operaciones que pueden llevarse a cabo con Visual Basic 6.0.
• Barra de herramientas estándar: contienen los botones que se utilizan
con mayor frecuencia cuando se trabaja con un proyecto. Simplifica la
elección de opciones de los menús Archivo, Edición, Ver y Ejecutar;
además, en el área derecha presenta la ubicación (coordenadas) y el
tamaño del objeto seleccionado.
• Ventana de formulario: es el área donde se diseña la interfaz
gráfica, es decir, es donde se inserta electo gráficos, como botones,
imágenes, casilla de verificación, cuadros de listas, etc.
• Cuadro de herramientas: presenta todos los controles necesarios para
diseñar una aplicación, como cuadros de texto, etiquetas, cuadros de
listas, botones de comandos, etc.
• Ventana de proyecto: muestra los elementos involucrados en el
proyecto, como formularios, módulos, controles oxc, etc. Cada elemento
puede seleccionarse en forma independiente para su edición.
• Ventana de posición del formulario: muestra la ubicación que tendrá el
formulario en la pantalla, cuando ejecute la aplicación. Esta ubicación
puede cambiarse si se hace clic con el botón izquierdo del mouse.
• La Ventana propiedades muestra todas las propiedades del control
actualmente seleccionado, en este caso muestra las propiedades del
Form1, luego podemos ver que abajo dice "Form1 Form", lo que está en
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negrita es el nombre del objeto, y lo que le sigue es el tipo de objeto, en
este caso es un Formulario (Form).
C. DEFINICIÓN DE TERMINOS BASICOS • Abanico de salida (cargado): Especifica el número de cargas
estándar que pueden impulsar la salida de una compuerta sin
menoscabar su operación normal. Tocci, (1993, p.67)
• Capacitor: Consiste en dos placas, que están separadas por un
material aislante, que puede ser aire u otro material "dieléctrico", que no
permite que éstas (las placas) se toquen. www.unicrom.com
• Carga estándar: Es la cantidad de corriente necesaria por una
entrada de otra compuerta en la misma familia CI. Tocci, (1993, p.67)
• Circuito digital: Es donde se emplea el diseño de sistemas. Mano,
(1993, p. 30)
• Circuito integrado: Es un cristal semiconductor pequeño de silicio,
llamado pastilla, que contiene componentes eléctricos como transistores,
diodos, resistores, y capacitares. Mano, (1993, p. 30)
• Circuito electrónico: También se denomina circuito lógico ya que,
con la entrada apropiada, establecen trayectorias lógicas de
manipulación. Mano, (1993, p. 28)
• Compuerta lógica: Son bloque de hardware que producen una
señal de salida lógica 1 o lógica 0 y se satisfacen los requisitos de la
entrada lógica. Mano, (1993, p. 29)
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• Cristal: El cristal de cuarzo es utilizado como componente de
control de la frecuencia de circuitos osciladores convirtiendo las
vibraciones mecánicas en voltajes eléctricos a una frecuencia específica.
• Diodo: Es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede
encontrar prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se
fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio.
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• Disipación de potencia: Es la potencia suministrada requerida para
operar la compuerta. Mano, (1993, p. 67)
• Hardware: Es el conjunto de componentes de un sistema
informático. Enciclopedia Microsoft Encarta, (2002)
• Margen de ruido: Es el máximo voltaje de ruido añadido a la señal
de entrada de un circuito digital que no causa un cambio indeseable en la
salida del circuito. Tocci, (1993, p.68)
• Memoria RAM: Memoria de lectura aleatoria. Mano, (1993, p. 301)
• Memoria ROM: Memoria de solo lectura, es un dispositivo de
memoria (o almacén) en el cual se almacenan un conjunto fijo de
información binaria. Mano, (1993, p. 185)
• Microprocesador: Es un CPU en un solo circuito integrado, es una
microcomputadora en un solo circuito integrado
• Programa: Es un conjunto de instrucciones codificadas que se
almacenan en la memoria interna de la computadora con todos los datos
que el programa requiere. Gonzáles (1999)
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• Protoboard: Es un material que nos permite interconectar
elementos electrónicos (resistencias, transistores, circuitos integrados)
esta tableta nos facilita el armado de sistemas electrónicos sin la
necesidad de soldar componentes. Departamento de Ingeniería Eléctrica
y Electrónica, Tecnológico de Monterrey.
• Resistencia: Es el valor de oposición al paso de la corriente (sea
directa o alterna) que tiene el resistor o resistencia. www.unicrom.com
• Retardo de propagación: Es el retardo de tiempo de transición
promedio para que una señal se propague desde la entrada a la salida
cuando la señal binaria cambia en valor. Tocci, (1993, p.67)
• Software: Es el conjunto de programas y sistemas operativos que
comandan los procesos internos de la maquina, para ejecutar las ordenes
que este recibe del operador. Enciclopedia Practica de la Informática y
Computación. (1999, Tomo 1, p. 21).
• Transistor: es un amplificador de corriente , al introducir una
cantidad de corriente por una de sus patillas (base), este entregará por
otra (emisor), una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama
amplificación. Este factor se llama β (beta) y es un dato propio de cada
transistor. www.unicrom.com
• Unidad Central de proceso (CPU): Es el cerebro de una
computadora, de manera mas precisa, es la parte de una computadora
que se encarga de ordenar y controlar el proceso y la transferencia de
información. La CPU interpreta las instrucciones del programa y coordina
su ejecución. Angulo, (1999, p. 255)
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D. SISTEMAS DE VARIABLES
Aquí se presentan las variables de estudio que posee el tema de
investigación, donde se exponen de acuerdo a su definición, tanto
conceptual como operacional, debido que estas deben ser aclaradas para
que el objetivo a alcanzar en la indagación este claramente definido.
Variables • Banco de pruebas para la comprobación del funcionamiento de las
compuertas lógicas TTL básicas.
Definición Conceptual • Banco de pruebas: Es un equipo que tiene la capacidad de
determinar el grado de funcionamiento que presenta un dispositivo,
siendo una herramienta conformada por una serie de circuitos
electrónicos que se acoplan para generar resultados acerca del estado
del mismo. Se caracteriza por emitir una repuesta acorde a la magnitud
de los parámetros establecidos por el usuario, tomando en cuenta las
especificaciones del elemento que se somete a prueba. (Borjas,
Entrevista personal, 2001).
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• Comprobación: Verificar, confirmar la veracidad o exactitud de algo.
Diccionario de la Real Academia Española
• Compuerta lógica TTL: es un elemento que toma una o más
señales de entrada y produce una salida binaria apropiada, dependiendo
exclusivamente del estado de las entradas.
Definición operacional La comprobación mediante este banco de pruebas se realizará a
través de la consulta de los datos reales de funcionamiento de los
elementos que se someterán a prueba y los arrojados por estos,
comparándolos entre si, para así determinar el estado en que se
encuentran.
Los datos reales estarán almacenados en una base de datos y serán
seleccionados por medio de un computador (teclado) para posteriormente
llevar a cabo el proceso de comparación, un software especialmente
diseñado se encargara de procesar los datos y de generar el informe de
los resultados, partiendo desde el criterio de que los resultados que no
concuerden con los reales serán tomados como fallas en el circuito
integrado.