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month1nameenero,febrero,marzo,abril,mayo,junio,julio,agosto,septiembre,octubre,noviembre,diciembreucmonth1nameEnero,Febrero,Marzo,Abril,Mayo,Junio,Julio,Agosto,Septiembre,Octubre,Noviembre,DiciembreDecember 7, 2015

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE CIRCUITOSELÉCTRICOS DIGITALES CON TECNOLOGÍA

CMOSNadia Carrillo, Jhonatan Valencia, Cristhian Rodriguez, Marco Gualotuña

Universidad de las Fuerzas ArmadasDepartamento de Eléctrica y Electrónica

Sangolquí, Ecuador

marcjavier@live.com

Abstract.- In this scientific article reference to the design andimplementation of the issues raised in the statements of exercisesand gain function using the techniques of digital circuit design,such as maps K and considerations to reduce digital circuits basedon Boolean functions.

Palabras Clave.- VERILOG,MICROWIND, DSCH, POLISILI-CIO.

I. INTRODUCCIÓN

En la electrónica digital existen varias herramientas que se puedenutilizar para la solución de problemas referentes al diseño, simulacióne implementación de circuitos eléctricos, pero ¿qué procedimientosse requieren para el manejo del software MICROWIND o DSCH,teniendo en cuenta que éstos software sirven como herramientaprincipal para verificar los resultados de los mismos?

Fig 1. Placa circuito electrónico

Esta aplicación consta de un editor lógico, basado en capturade esquemas, y un simulador. Está orientado a la validación delcircuito lógico antes de pasar a la fase de síntesis microelectrónica.Proporciona un entorno sencillo para el diseño lógico jerárquico ysimulación con análisis de retardos, todo lo cual permite el diseño yvalidación de estructuras lógicas complejas. Una característica muyinteresante es la posibilidad de estimar el consumo de potencia delcircuito. Además, es capaz de generar un fichero Verilog del circuitológico que puede tomar como entrada la aplicación Microwind paracrear el layout.

En la actualidad, los estudiantes de ingeniería se ven en lanecesidad de utilizar herramientas que les permitan desarrollardiseños de circuitos integrados, por lo que, la existencia deMICROWIND o DSCH les ha dado la facilidad de crear aplicacionesespecíficas dentro del área de estudio.[1]

De esta manera, se pretenderá buscar la manera más sencilla deresolver problemas de circuitos lógicos, implementando en cadauno del software mencionado con anterioridad, los resultados de lasfunciones obtenidas, y con esto observar el funcionamiento de lasmismas.

II. DESARROLLO DE CONTENIDOS

A continuación vamos a hablar sobre los métodos para simplificarcircuitos lógicos mediante mapas de Karnaug que permiten lograruna función simplificada en la aplicación que se está realizandoy por lo tanto una reducción transistores en el circuito. Esto nospermite mejorar la eficiencia del circuito y tiempo de respuestamucho mas rápido.

Ademas de la simulaciones en editores lógicos, basado en capturade esquemas, y un simulador.

A. Tabla de verdadLa tabla de verdad es un intrumento utilizado para la simplificación

de circuitos digitales a través de su ecuación booleana.

Todas las tablas de verdad funcionan de la misma manerasin importar la cantidad de columnas que tenga y todas tienensiempre una columna de salida (la última columna a la derecha) querepresenta el resultado de todas las posibles combinaciones de lasentradas.[2]

Representación de Funciones lógicas en tabla de verdad:

a) Tabla que representa el valor de la función para cada combinaciónde entrada.

b) Una fórmula de conmutación es la expresión de una funciónlógica.

c) Un LITERAL es una variable (A) o complemento (A).d) Un TÉRMINO PRODUCTO es una operación AND de un número

de literales.e) Una fórmula normal disyuntiva es una suma de términos produc-

tos.f) Un TÉRMINO SUMA es una operación or de un número de

literales.g) Una fórmula normal conjuntiva es un producto de términos sumas.

B. Algebra de BooleTeoría matemática de los sistemas digitales, que se aplica en la

lógica combinatoria,tiene aplicación que a cada conjunto de valores

booleanos de sus variables le asigna un y sólo un valor booleano.

Toda clase o conjunto de elementos que pueden tomar dos valoresperfectamente diferenciados que designaremos por 0 y 1 o EN otroscasos se podrá ver como v (verdadero) y f (falso)

TABLE IALGEBRA DE BOOLE

n Adición Producto

1 a + a = 1 a · a = 02 a + 0 = a a · 0 = 03 a + 1 = 1 a · 1 = a4 a + a = a a · a = a5 a + b = b + a a · b = b · a6 a+ (b+ c) = (a+ b) + c a · (b · c) = (a · b) · c7 a+(b·c) = (a+b)·(a+c) a · (b + c) = a · +a · c8 a + a · b = a a · (a + b) = a

9 ¯(a + b) = a · b ¯(a · b) = a + b

C. Mapas de Karnaugh

Es un método gráfico de representación de la información quese encuentra en la tabla de verdad. Permite simplificar una funciónbooleana de manera sencilla. En un mapa de Karnaugh cadacombinación posible de entradas está representada por una cajadentro de una rejilla, y el valor correspondiente de la salida seescribe dentro de la caja. Las cajas están escritas de forma que alcambiar de una a otra sólo varía una de las entradas. La secuenciacorresponde al código Gray.[3]

Fig 2. Mapa de Karnaugh.

Se pueden agrupar dos términos adyacentes porque porcaracterísticas del mapa de Karnaugh sabemos que sólo difierenen el estado de una entrada. Por tanto, cualquier par de elementosadyacentes que contenga un ‘1’ se pueden representar mediante unaexpresión simplificada.

Se puede simplificar también agrupando cuatro términos adyacen-tes. Se pueden combinar cuatro ‘1’ siempre que representen todas lascombinaciones de dos variables.

D. MicroWind

MicroWind es un software verdaderamente integrado que abarcadiseño desde el concepto hasta su finalización, permitiendo a losdiseñadores de chips diseñar más allá de su imaginación. MicroWindintegra tradicionalmente front-end y el diseño de chips de back-enden un flujo integrado, lo que acelera el ciclo de diseño y reducciónde la complejidad del diseño.[4]

Fig 3. Diagrama microwind.

E. DSCHEs un programa que nos permite el diseño de circuitos digitales

mediante diagramas, mediante compuertas lógica, ademas permitirsimular sistemas digitales mediante transistores CMOS.

Fig 4. Diagrama DSCH.

F. VerilogVerilog es un lenguaje de descripción de hardware (HDL, del

Inglés Hardware Description Language) usado para modelar siste-mas electrónicos. El lenguaje, algunas veces llamado Verilog HDL,soporta el diseño, prueba e implementación de circuitos analógicos,digitales y de señal mixta a diferentes niveles de abstracción.[5]

Fig 5. Verilog Logo.

III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMADiseñe un decodificador de BCD a 7 segmentos. Para mostrar

información en el display es necesario diseñar un sistema combina-cional que convierta BCD A 7 salidas que enciendan o apaguen cadasegmento a fin de desplegar el carácter apropiado.

Fig 6. Decofificar y display de 7 segmentos.

IV. DIAGRAMAS UML

En este problema lo que se realizará, será identificar las entradaslas cuales van a ser de cuatro bits, las cuales van estar en BCD, loque nos indica que solo debemos tomar en cuenta los 8 primerosbits de cada una, y se tendrá que hacer un decodificador para esosnúmeros, el cual va a tener 7 salidas para cada uno de los segmentosdel dislay.

Fig 7. Diagrama UML para el decodificador

V. PROCEDIMIENTO DE RESOLUCIÓN

Para el diseño de circuitos se plantea la siguiente tabla de verdad.

TABLE IITABLA DE VERDAD

A B C D a b c d e f g

0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 00 0 0 1 0 1 1 0 0 0 00 0 1 0 1 1 0 1 1 0 10 0 1 1 1 1 1 1 0 0 10 1 0 0 0 1 1 0 0 1 10 1 0 1 1 0 1 1 0 1 10 1 1 0 1 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 0 0 0 01 0 0 0 1 1 1 1 1 1 11 0 0 1 1 1 1 1 0 1 11 0 1 0 x x x x x x x1 0 1 1 x x x x x x x1 1 0 0 x x x x x x x1 1 0 1 x x x x x x x1 1 1 0 x x x x x x x1 1 1 1 x x x x x x x

Aplicamos Mapas de Karnaugh.

Fig 8. Ejemplo del segmento a.

Obtenemos las funciones simplificadas

Los diagramas lo realizamos en DSCH.Esto lo haremos igual para el segmento a del display.

Fig 9. Diagrama para la salida a

VI. SIMULACIONESPara las simulaciones se usaron los software de MicroWind y

DSCH

A. DSCHSimulación para el segmento a del decodificador.

Fig 10. Simulación DSCH segmento a

Simulación de todo el decodificador.

Fig 11. Simulación DSCH del decodificador

A. MICROWIND

Simulación para el segmento a del decodificador.

Fig 12. Simulación MICROWIND segmento a

Simulación de todo el decodificador.

Fig 13. Simulación MICROWIND del decodificador

VII. RESULTADOS

Presentamos los resultados dado por cada uno de los programas.

A. DSCH

Resultados del decodificador.

Fig 14. Resultados en DSCH

B. MCROWIND

Resultados del decodificador.

Fig 15. Resultados en MICROWIND

VIII. CONCLUSIONESEl manejo del algebra booleana junto con los diferentestipos de simplificación de funciones lógicas, como mapas deKarnaugh fueron primordiales para el desarrollo del circuitointegrado en tecnología CMOS.

Al realizar las simulaciones en el software Microwind seobservó que el diseño del circuito creado con código veriloges más eficiente, sin embargo el uso de transistores es muchomayor.Al realizar la simplificación de las tablas de verdad para cadauno de los problemas propuestos se debe tomar en cuenta lalógica combinacional CMOS, ya que tiene un mayor uso detransistores que la lógica AOI.Para realizar la implementación de los circuitos solución encada uno de los problemas propuestos, se debe iniciar simu-lando el mismo en DSCH, el cual nos permite generar el códigoverilog y de esta manera facilitar el diseño en Microwind.

IX. RECOMENDACIONESSe recomienda utilizar los mapas de Karnaugh para obtener lasolución más óptima y evitar el uso excesivo de transistores.Para la implementación del circuito solución con transistoresCMOS se recomienda el uso de lógica AOI, ya que se reduceel número de transistores a utilizar.Se recomienda tener en cuenta que en el simulador Microwindse trabaja sobre una única oblea de silicio, donde las propieda-des eléctricas, térmicas, etc. No varían de punto a punto.Para implementar el circuito solución en Microwind se reco-mienda utilizar un esquema de diseño, para que la detección deerrores en el mismo sea más sencilla de identificar.

REFERENCIAS[1] MICROWIND, Microwind and DSCH, 05 Marzo 2015. [En

línea]. Available: http:// www.microwind.org.

[2] J. E. I. G. y. M. V. C. Baena, Sistemas Digitales, Sevilla:TESP, 2008.

[3] P. Gipe, Wind energy basics, London: Chelsea Green Pub,1999.

[3] Sánchez, J. J. (10 de Febrero de 2010). Departamentode Informática de la Universidad de Valladolid. Obtenido dehttp://www.infor.uva.es/jjalvarez/asignaturas/fundamentos /lectures/digital /Tema2_combinacionales.pdf

[5] VERILOG DOT COM, «VERILOG DOT COM,» 2012. [Enlínea]. Available: http:// www.verilog.com.