El documento resume los conceptos básicos de los circuitos lógicos digitales. Explica las representaciones numéricas análoga y digital, los sistemas de numeración como binario, decimal, octal y hexadecimal, y los conceptos de álgebra booleana. También describe las compuertas lógicas básicas como AND, OR, NOT y sus variaciones; y cómo se pueden usar para describir circuitos lógicos mediante expresiones booleanas. El documento proporciona los fundamentos teóricos para comprender el funcionamiento y aplicación de los circuitos ló
Plan Refuerzo Escolar 2024 para estudiantes con necesidades de Aprendizaje en...
Circuitos Lógicos UNAM CCH
1. Universidad Nacional Autónoma de México
Colegio de Ciencias y Humanidades
Plantel Sur
Alumno: Sánchez Quezada José Yaomautzin
1
Grupo: 570
Profesor: Luis Enrique Rodríguez Maldonado
Turno: Vespertino
Trabajo final: Circuitos Lógicos
Fecha de entrega: del 11 al 17 de octubre
2. 2
Introducción:
En el presente documento se abordará el concepto de Circuitos Lógicos o teoría
booleana, en honor a George Boole considerado uno de los fundadores en el campo de
las ciencias de la computación.
El documento contiene características, funcionamiento y aplicación de los circuitos lógicos
en la electrónica, siendo la computación una derivada de la electrónica se abordará este
tema inclinado a la computación y sistemas digitales.
De igual manera se definen los estados lógicos, compuertas lógicas, parámetros de
desempeño de las compuertas lógicas (características de transferencia de voltaje, factor
de carga de salida y factor de carga de entrada), etc.
Con base al concepto general de Circuitos lógicos, el contenido de este documento
abordará aplicaciones numéricas del algebra booleana, constantes y variables booleanas,
conceptos generales que complementan la aplicación, funcionamiento y entendimiento del
tema central de circuitos lógicos.
4. Representaciones numéricas
En la ciencia, la tecnología, los negocios y en general en casi todos los campos de
esfuerzo, constantemente se manejan cantidades numéricas, con la finalidad de generar
un resultado los más preciso posible. Estas miden, monitorean, registran, manipulan
aritméticamente. Cuando se trata de cantidades diversas, se representan los valores de
forma eficiente y precisa. En general existen dos formas de representar el valor numérico
de cantidades: la analógica y la digital.
Generalmente, en una computadora se asigna un número fijo de n bits para representar
un número, siendo n el tamaño de la palabra, u otro tamaño privilegiado
4
- Representaciones analógicas
Se entiende como una cantidad que se representa mediante un voltaje, una
corriente o un movimiento de un medidor que es proporcional al valor de esa
cantidad. Un ejemplo de esto es el velocímetro de un automóvil, en el cual el giro
de la aguja es proporcional a la velocidad del auto. La posición angular de la aguja
representa el valor de la velocidad y la aguja sigue cualquier cambio que ocurre
cuando el automóvil acelera de la temperatura.
Otro ejemplo se puede observar en el termómetro común de mercurio, en el cual la
altura de la columna de mercurio es proporcional a la temperatura. A medida que
esta sube o baja el mercurio sube o baja proporcionalmente, de manera que el
nivel del mercurio representa el valor de la temperatura.
Las cantidades analógicas tienen una característica importante: pueden variar en
un rango continuo de valores. La velocidad de automóvil puede tener cualquier
valor entre el cero y por ejemplo 100 km/h, de la misma manera aplica en el
ejemplo anteriormente citado, el termómetro, en el que el mercurio varía
dependiendo la temperatura, sube y baja en un rango especifico.
Característica principal: ANALOGO=CONTINUO
5. 5
- Representación digital
Las cantidades no se reflejan mediante cantidades proporcionales, sino a través
de símbolos llamados dígitos, un ejemplo es el reloj digital, el cual proporciona la
hora del día en forma de dígitos decimales que representan horas, minutos y
segundos. La hora del día cambia continuamente, pero la lectura del reloj digital no
cambia constantemente, cambia minuto a minuto, o segundo a segundo. Esta
representación digital de la hora del día cambia en escalones discretos,
comparada con la presentación de la hora que proporciona un reloj analógico, en
el que la lectura de la caratula cambia continuamente.
Característica principal: DIGITAL=DISCRETO (escalón por escalón).
La categoría en la que entra el circuito lógico es en esta, la presentación digital, ya
que se representa un numéricamente en un sistema de numeración binario.
6. Sistemas digitales y análogos
6
- Sistema digital
Se entiende por una combinación de dispositivos diseñado para manipular
información lógica o cantidades físicas que estén representadas en forma digital;
es decir, las cantidades solo pueden tener valores discretos. La mayoría de las
veces estos dispositivos son electrónicos, pero también pueden ser mecánicos,
magnéticos o neumáticos. Algunos de los sistemas digitales mas familiares
incluyen computadoras y calculadoras digitales, equipo de audio y video digital, y
por supuesto el sistema telefónico que es el principal sistema digital, es
considerado como el sistema digital más grande del mundo.
- Sistema análogo
Este sistema contiene dispositivos que manipula cantidades físicas representadas
de manera analógica. En un sistema analógico las cantidades pueden varias en un
rango continuo de valores. Por ejemplo, la amplitud de la señal de salida para un
altavoz en un receptor de audio puede tener cualquier valor entre cero y su límite
máximo. Otros sistemas analógicos comunes son los amplificadores de audio, el
equipo de grabación y reproducción de cinta magnética, y un simple interruptor
reductor de luz.
7. Sistema de numeración digital
7
- Sistema binario
El sistema binario, llamado también sistema diádico en ciencias de la
computación, es un sistema de numeración en el que los números se representan
utilizando solamente las cifras cero y uno (0 y 1). Es uno de los que se utiliza en
las computadoras, debido a que trabajan internamente con dos niveles de voltaje,
por lo cual su sistema de numeración natural es el sistema binario (encendido 1,
apagado 0).
- Sistema decimal
El sistema de numeración decimal, también llamado sistema decimal, es un
sistema de numeración posicional en el que las cantidades se representan
utilizando como base aritmética las potencias del número diez. El conjunto de
símbolos utilizado (sistema de numeración arábiga) se compone de diez cifras :
cero (0) - uno (1) - dos (2) - tres (3) - cuatro (4) - cinco (5) - seis (6) - siete (7) -
ocho (8) y nueve (9).
Excepto en ciertas culturas, es el sistema usado habitualmente en todo el mundo y
en todas las áreas que requieren de un sistema de numeración. Sin embargo hay
ciertas técnicas, como por ejemplo en la informática, donde se utilizan sistemas de
numeración adaptados al método del binario o el hexadecimal.
8. 8
- Sistema octal
El sistema octal se usa con frecuencia en el trabajo de computadoras digitales. El
sistema de numeración octal tiene una base de ocho, lo que significa que tiene
ocho dígitos posibles: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, y 7. En ese sentido, cada digito de un
numero octal puede tener cualquier valor de 0 a 7. Las posiciones de los dígitos en
un número octal tienen los pesos siguientes.
84 83 82 81 80 8-1 8-2 8-3 8-4 8-5
*
Punto octal
- Sistema hexadecimal
El sistema hexadecimal, es aquel sistema de numeración posicional que tiene
como base el 16. Su uso actual está muy vinculado a la informática y ciencias de
la computación, pues los computadores suelen utilizar el byte u octeto como
unidad básica de memoria; y, debido a que un byte representa valores posibles,
y esto puede representarse como
, que equivale al número en base 16 , dos
dígitos hexadecimales corresponden exactamente a un byte.
En principio, dado que el sistema usual de numeración es de base decimal y, por
ello, sólo se dispone de diez dígitos, se adoptó la convención de usar las seis
primeras letras del alfabeto latino para suplir los dígitos que faltan. El conjunto de
símbolos sería, por tanto, el siguiente:
10. Algebra booleana
Los circuitos digitales (lógicos) operan en el modo binario donde cada voltaje de
entrada y salida es un 0 o un 1: las designaciones 0 y 1 representan rangos de
voltaje predefinidos. Esta característica de los circuitos lógicos permite usar el
algebra booleana como una herramienta para el análisis y diseño de sistemas
digitales. El algebra booleana es una herramienta matemática relativamente
simple que nos permite describir la relación entre la o las salidas de un circuito
lógico y sus entradas, en forma de ecuación algebraica (expresión booleana).
La operación de las diversas compuertas lógicas y de los circuitos más complejos
formados a partir de combinaciones de compuertas lógicas se pueden describir y
analizar usando el algebra booleana.
El algebra booleana también es una herramienta valiosa para plantear un circuito
lógico que produzca una relación entrada- salida deseada.
El algebra booleana es una herramienta invaluable para describir, analizar, diseñar
e implementar circuitos digitales. La aplicación que tiene es por ejemplo; es ideal
para ingresar la operación de un circuito lógico de una computadora, la cual opera
con un software que necesita saber cómo luce un circuito. El software puede ser
una rutina de simplificación del circuito que tome la ecuación de entrada de
algebra booleana, la simplifique y plantee una versión simplificada del circuito
lógico digital.
El algebra booleana se puede emplear para ayudar a analizar un circuito lógico y
expresar su operación en forma matemática.
Los diversos teoremas booleanos, pueden ayudar a simplificar las expresiones y
los circuitos lógicos. El primer grupo de teoremas se muestra en la siguiente figura,
donde cada teorema x es una variable lógica que puede ser un 0 o un 1. Cada
teorema se presenta con un diagrama del circuito lógico que demuestra su validez.
1- X·0=0
X 0
10
0
2- X·1=X
X X
1
3- X·X=X
X X
11. 4- X·X=0
X 0
5- X+0=X
X X
11
0
6- X+1=1
X 1
1
7- X+X=X
X X
8- X+X=1
X 1
El teorema 1, se enuncia que si cualquier variable se opera con AND y con un 0, el
resultado debe ser 0. Esto es fácil de recordar porque la operación AND es igual
que la multiplicación común, en donde cualquier número que se multiplica por 0 es
0. En ese sentido se sabe que la salida de una compuerta AND será 0 siempre
que cualquier salida sea 0, sin importar el nivel de la otra entrada.
En teorema 2, es bastante obvio, es una comparación con la multiplicación común.
En el teorema 3, puede ser demostrado ensayando cada caso, es decir, X=0,
entonces 0·0=0; si X=1, entonces 1·1=1, por lo tanto X·X=X.
En el teorema 4, se puede demostrar en la misma forma. Sin embargo, también se
puede razonar que en cualquier momento X o su inverso X, tiene que estar en el
nivel 0 y por ende su producto AND siempre debe ser 0.
En el teorema 5 es totalmente directo, ya que 0 sumando a cualquier número no
afecta su valor, ya sea en la suma regular o en una suma OR.
En el teorema 6, estipula que cualquier variable se opera con OR con 1, el
resultado será siempre 1. Si se verifica esto para ambos valores de X; 0+1=1, y
1+1=1. De manera equivalente se puede recordar que la salida de una compuerta
OR será 1 cuando cualquier entrada sea 1, independientemente del valor de la
otra entrada.
El teorema 7 se puede demostrar verificando ambos valores de X; 0+0=0, y
1+1=1.
E teorema 8 se puede demostrar de forma similar, o simplemente razonar que en
cualquier momento X o X debe estar en el nivel 1, de manera que siempre se
opere con OR un 0 y un 1, lo cual da como resultado 1.
14. Para cualquier circuito lógico, sin importar que tan complejo sea, puede ser
completamente descrito mediante el uso de las tres operaciones básicas
booleanas, como se mencionan anteriormente. Estos son los bloques de
construcción básicos de los sistemas digitales. Por ejemplo, considérese la
siguiente figura:
A A·B
14
X=A·B+C
B C
Este circuito tiene tres entradas, A, B, y C, y una sola salida, X. Utilizando la
expresión booleana para cada compuerta, se puede determinar fácilmente la
expresión para la salida. La expresión para la salida de la compuerta AND se
escribe A·B. Esta salida AND está conectada con una entrada a la compuerta OR
junto con C, otra entrada. La compuerta OR opera sobre sus entradas de manera
15. que su salida es la suma de OR de las entradas. Así, se puede expresar la salida
OR como X=A·B+C. (esta expresión final también se podría escribir como
X=C+A·B, puesto que no importa cual termino de la suma OR se escriba primero).
La aplicación de los circuitos lógicos puede traer consigo cierta confusión respecto
a cual operación se realiza primero en una expresión. La expresión A·B+C, se
puede interpretar de dos formas: (1) A·B opera con C, o bien (2) A opera con AND
con el término B+C. Para evitar esta confusión, se puede interpretar que una
expresión contiene ambas operaciones AND, y OR, las operaciones AND se
realizan primero, a menos que existan paréntesis en la expresión, en cuyo caso la
operación dentro del paréntesis se llevara a cabo primero. Esta en la misma regla
que se usa en el algebra común para determinar el orden de las operaciones.
Para entender esto más claramente, se considera el siguiente circuito.
A A+B
15
X=(A+B) ·C
B C
La expresión para la salida de la compuerta OR es simplemente A+B. Esta salida
sirve como una entrada para la compuerta AND junto con otra entrada, C. De esta
manera, la salida de compuerta AND se expresa como X=(A+B)·C. El uso del
paréntesis esta para indicar que A y B operan primero con OR, antes que su suma
OR realice la operación AND con C. Sin el paréntesis se entendería
incorrectamente, ya que A+B·C significa que A se opera con OR con el producto
B·C.
Compuertas lógicas
Es un bloque que produce señales de salida lógica (”1” ó “0”) si se satisfacen las
condiciones de las entradas lógicas, se puede entender como un dispositivo
electrónico con una función booleana. Suman, multiplican, niegan o afirman,
incluyen o excluyen según sus propiedades lógicas. Se pueden aplicar a
tecnología electrónica, eléctrica, mecánica, hidráulica y neumática. Son circuitos
de conmutación integrados en un chip.
Cualquier información usada para calcular o controlar, puede ser operada pasando
señales binarias a través de varias combinaciones de circuitos lógicos con cada
señal que representa una variable y transporta un bit de información. Puede
definirse como bits los “1” ó “0” que puede tomar una variable binaria.
17. Compuerta lógica AND ("Y")
La operación AND, es una operación básica booleana. La siguiente tabla muestra que sucede
cuando dos entradas lógicas, A y B, se combinan usando la operación AND para producir la salida
X. en la tabla se muestra que X es un 1 lógico solo cuando A y B están en el nivel lógico 1. Para
cualquier caso en que una de las entradas es 0, la salida es 0.
A B X=A·B
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
A B C X=ABC
0 0 0 0
0 0 1 0
0 1 0 0
0 1 1 0
1 0 0 0
1 0 1 0
1 1 0 0
1 1 1 1
17
A
X=A·B
B
Compuerta AND
La expresión booleana para la operación AND es la siguiente:
X=A·B
En esta expresión el signo · representa la operación booleana AND y no la multiplicación. Por otro
lado la operación AND en variables booleanas opera igual que la multiplicación común, como lo
muestra un análisis de la tabla de verdad.
El símbolo para una compuerta AND de dos entradas fue el ejemplo anterior, ahora se muestra un
ejemplo de tres entradas lógicas utilizando la operación AND. La salida de la compuerta AND es
igual al producto AND de las entradas lógicas; es decir, X=AB. La compuerta AND es un circuit o
que opera de tal forma que su salida es ALTA solo cuando todas sus entradas son ALTAS. Para
los otros casos la salida de la compuerta AND es baja.
En la siguiente figura se muestra una compuerta AND de tres entradas y su respectiva tabla de
verdad. Igual que la tabla anterior de dos entradas, la salida de la compuerta es 1 solo para el caso
donde A=B=C=1. La expresión para la salida es X=ABC. En el caso de una compuerta AND de
cuatro entradas la salida es X=ABCD, y así sucesivamente dependiendo de cuantas entradas
tenga un circuito AND.
A
B X=ABC
C
18. Compuerta lógica OR ("O")
La operación OR es la primera operación booleana básica. En la siguiente tabla de
verdad se muestra que sucede cuando dos entradas lógicas, A y B, se combinan usando
la operación OR para producir la salida X. Se muestra que X es una lógica 1 para cada
combinación de niveles de entrada, donde una o más entradas son 1. El único caso
donde X es un 0 es cuando ambas entradas son 0.
A B X=A+B
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
18
A
X=A+B
B
Compuerta OR
La expresión booleana para la operación OR es:
X=A+B
En esta expresión, el signo + no representa la adición común, sino la operación OR. La
operación OR es similar a la adición común y corriente, excepto para el caso donde A y B
son 1;la operación OR produce 1+1=1, no 1+1=2. En el algebra booleana, 1 es el valor
mayor, por lo tanto nunca se puede tener un resultado mayor a 1. Lo mismo es válido
para la combinación de tres entradas usando la operación OR, X=A+B+C, es decir,
X=1+1+1=1.
En un circuito digital una compuerta OR, es un circuito que tiene dos o más entradas y
cuya salida es igual a la combinación OR de las entradas.
A
B X=A+B+C
C
En un sistema industrial se requiere activar una función de salida cuando se activa alguna
de varias entradas. Por ejemplo, en un proceso químico se puede desear que una alarma
se active cuando la temperatura de proceso exceda un valor máximo, o cuando la presión
exceda un cierto límite. En la siguiente figura se presenta un diagrama de bloque para una
situación semejante. El círculo del transductor de temperatura produce un voltaje
proporcional a la temperatura del proceso. Este voltaje, VT, se compara con un voltaje de
referencia de temperatura, VTR, en un circuito comparador de voltajes. La salida del
comparador, TH, normalmente es un voltaje bajo (0 lógico), pero cambia a un voltaje alto
(1 lógico) cuando VT excede VTR, indicando que la temperatura del proceso es demasiado
19. alta. Una disposición similar se usa para medir la presión, de tal forma que su salida
asociada del comparador, PH, va de baja a alta cuando la presión es demasiado alta.
VT TH
Comparador
Comparador
19
VTR
Alarma
VP PH
VPR
Transductor de
temperatura
Transductor de
presión
Proceso químico
Ejemplo del uso de una compuerta OR en un sistema de alarma.
Como se desea que la alarma se active cuando la temperatura o la presión sean
demasiado altas, es obvio que las dos salidas del comparador se pueden alimentar a una
compuerta OR de dos entradas. Así, la salida de la compuerta OR para el nivel ALTO (1)
para cualquier condición de la alarma, y por lo tanto la activara. Esta misma idea se puede
aplicar a situaciones con más de dos variables del proceso.
Compuerta lógica XOR ("O exclusivo")
La puerta XOR, compuerta XOR u OR exclusiva es una puerta lógica digital que
implementa el o exclusivo; es decir, una salida verdadera (1/HIGH) resulta si una, y solo
una de las entradas a la puerta es verdadera. Si ambas entradas son falsas (0/LOW) o
ambas son verdaderas, resulta en una salida falsa. La XOR representa la función de la
desigualdad, es decir, la salida es verdadera si las entradas no son iguales, de otro modo
el resultado es falso. Una manera de recordar XOR es "uno o el otro, pero no ambos".
La XOR también se puede ver como adición módulo 2. Como resultado, las puertas XOR
se utilizan para implementar la adición binaria en las computadoras. Un semisumador
consta de una puerta XOR y una puerta AND. También se utiliza como comparador y
como inversor condicional.
Las expresiones algebraicas ( ) representan
ambas la puerta XOR con entradas A y B. El comportamiento de la XOR se resume en la
tabla de verdad mostrada a la derecha.
20. 20
Símbolo característico XOR
Símbolo rectangular XOR
Operación lógica NOT ("inversor")
La operación NOT difiere de las operaciones OR y AND en que se puede realizar una sola
variable de entrada.
Esta operación se representa por un apóstrofe (´) (algunas veces por una barra). Por
ejemplo: X´=Z (ó X=Z) se lee “no X igual a Z”. Es decir en otras palabras, sí X=1 entonces
Z=0, pero sí X=0 entonces Z=1.
La lógica aritmética se parece a la aritmética binaria (ya que las operaciones AND y OR
tienen similitud con la multiplicación y la suma respectivamente).
Compuerta lógica NAND
La compuerta NAND opera como una compuerta AND seguida por un inversor.
La compuerta NAND es el inverso exacto de la compuerta AND para todas las
condiciones de entrada posibles. La salida AND pasa a alto solo cuando todas las
entradas sean altas, por otro lado la salida NAND pasa a bajo solo cuando todas las
entradas sean altas. Esta misma característica es válida para las compuertas NAND con
más de dos entradas.
21. A X=AB
21
B
INVERSION
Compuerta lógica NOR
La compuerta NOR opera como una compuerta OR seguida por un inversor. Indica que la
salida de la compuerta NOR es exactamente el inverso de la salida de la compuerta OR
para todas las condiciones de entradas posibles. Una salida de compuerta OR pasa a alto
cuando cualquier entrada es alta, la salida de la compuerta NOR pasa a baja cuando
cualquier entrada es baja. Esta misma operación de puede entender a compuertas NOR
con más de dos entradas.
A X=A+B
B
22. Compuerta lógica XNOR
El circulo NOR exclusivo opera completamente al contrario que el circulo XOR. El circulo
XNOR produce una salida alta siempre que as dos entradas estén al mismo nivel.
La salida de un circulo XNOR es el inverso exacto del circulo XOR. El símbolo tradicional
para una compuerta XNOR se obtiene simplemente agregando un círculo pequeño en la
salida del símbolo XOR.
En el siguiente símbolo IEEE/ANSI se agrega el triangulo pequeño en la salida del
símbolo XOR. Los dos símbolos indican que una salida pasa a su estado activo en bajo
cuando solo una entrada es alta.
La compuerta XNOR también tiene solo dos entradas y las combina de modo que su
salida es:
22
X= AB + AB
A
A AB
B
B
B AB X=AB+AB
A
23. Circuitos lógicos
Los circuitos lógicos se forman combinando compuertas lógicas. La salida de un circuito
lógico se obtiene combinando las tablas correspondientes a sus compuertas
componentes.
23
Por ejemplo:
Y = (A+ B) * C
Es fácil notar que las tablas correspondientes a las compuertas OR, AND y NOT son
respectivamente idénticas a las tablas de verdad de la disyunción, la conjunción y la
negación en la lógica de enunciados, donde sólo se ha cambiado V y F por 0 y 1. Por lo
tanto, los circuitos lógicos, de los cuales tales compuertas son elementos, forman un
álgebra de Boole al igual que los enunciados de la lógica de enunciados.
Tablas de verdad
Una tabla de verdad es un medio para describir como la salida lógica de un circuito
depende de los niveles lógicos presentes en las entradas de un circuito. En una tabla de
verdad se listan todas las combinaciones posibles de niveles lógicos presentes en las
entradas A y B, junto con el nivel de salida correspondiente x. La tabla muestra que le
sucede al estado de la salida para cualquier conjunto de condiciones de entrada.
24. 24
Conclusión:
Con base en el tema, me parece bastante interesante entender el comportamiento de un
circuito lógico a través de un dispositivo electrónico (computadora, celular, automóvil
eléctrico, etc.), básicamente cualquier dispositivo que tenga un control automático
electrónico, requiere de estos principios para de esa manera tener un funcionamiento
eficiente.
El desarrollo de este tema es complicado, porque a primer instancia entiendo lo que por
concepto se expresa el documento, además de el algebra boolena que consta de sumas o
restas, eso es bastante sencillo, sin embargo me cuesta trabajo entender la aplicación
directa de esta teoría a un sistema electrónico.
Sin embargo me parece bastante interesante este tema, y como primer acercamiento es
una gran experiencia y una pequeña introducción de una rama importante de la carrera
que pretendo estudiar.
Con este tema queda más claro los conocimientos adquiridos en diversos cursos que he
llevado, es decir, me queda más claro el porqué del uso de las sumas binarias, decimales,
hexadecimal, octano, etc.
25. Fuentes
25
Fuentes bibliográficas
H. Rashid, Muhammad. (2003). Circuitos electrónicos, análisis y diseño. México, Londres,
EUA etc. International Thomson Editores.
Tocci J, Monroe. (Octava edición 2003). Sistemas digitales, principios y aplicaciones.
México, Argentina, Brasil, Colombia, etc. Pearson educación.
Fuentes de recursos electrónicos (linck directo)
http://www.econ.uba.ar/www/departamentos/humanidades/plan97/logica/Legris/apuntes/A
P-Circuitos.pdf
http://www.aguilarmicros.mex.tl/imagesnew2/0/0/0/0/2/1/4/2/9/6/Comp_L.pdf