DIAGRAMA DE KARNAUGH

El diagrama de Karnaugh es un método gráfico que se utiliza para simplificar una ecuación lógica y asi convertir una tabla de verdad a su circuito lógico correspondiente en un proceso simple y ordenado. Aunque un diagrama de Karnaugh se puede utilizar para resolver problemas
con cualquier numero de variables de entrada, su utilidad practica se limita a seis variables.

Como se indica se trata de un método, que trata de una serie de pasos que tenemso que seguir para poder obtener un resultado favorable con la misma función que el original.Los pasos son los sgtes.:

a .- Identificamos entradas y salidas del circuito asignando una letra a cada una, se agrupan de la sgte., manera :

Grupo 1 = Entradas 1 y 2 : A,B

Grupo 2 = Entrada 3 : C

b .- Se dividen estas en dos gruppos anteriormente mostradas con igual número en cada una de ser impar tal cual el enunciado anterior, se hace un grupo de 1 y un grupo de 2.

c .- Se dibuja una rejilla o cuadrícula, con un detrminado número de filas y columnas, de la siguiente manera.

Número de filas = 2 elevado al número de entradas del primer grupo.

Número de columnas = 2 elevado al núm. de entradas del segundo grupo

d .- Sobre la primera línea se escriben las diferentes combinaciones que pueden tomar las entradas, teniendo en cuenta que entre combinaciones adyacentes no puede cambiar más de un bit.

Lo más comodo para dos variables es : 00, 10, 11, 01 para 3 variables 000, 010, 100, 110, 111, 101, 011, 001 .

e .- De igual manera para las columnas.

f .- El siguiente paso es insertar "1" o "0" en las distintas casillas de la cuadrícula cada cuadrícula es la intersección de una columna y una fila, cada una de las cuales representa un estado de entrada y salida, por ejemplo la cuadrícula de la sgte. figuracorresponde a 01 y 0 , o lo que es lo mismo, entrada A=0, B=1, y C=0.

g .- En nuestro circuito se introduce la combinación para cada casilla, obteniendo una casilla para cada caso, cuando la salida del circuito es un "0" , en la correspondiente casilla se escribe un "0" , mientras que si enm la salida sale un "1" , se anotará un "1" en la correspondiente casilla, con ello el procedimiento para completar las casillas ha terminado, hasta este punto la solución es objetiva, dependiente de las leyes establecidas. Salida = C negada.

En cambio , la última parte del diseño consiste en evalua, conforme a unos determinados criterios, cuales son los términos que se pueden eliminar del diseño.

h.- El análisis consiste en agrupar "1" dentro de la cuadrícula que mantengan posiciones contiguas, tanto horizontal comno vertival, pero nunca en diagonal, También son válidos aquellos casos en los que los "1" estén situados a ambos extremos de la rejilla pero dentro de una misma línea.Una vez concluida la fase de análisis, la conclusión es la sgte: se simplificarán tantos términos como elementos asociados.

i.- Síntesis, consiste en transcribir nuestro cuadrícula a la formula matemática que describe el circuito resultante,Para ello debemos fijarnos en los términos que muestran el "1" dentro de su casilla.El primer paso consiste en seleccionar los elementos del diagrama que disponen de "1" y que no han sido englobados. Esto quiere decir que estostérminos se mantienen y no serán simplificados.

Como sabemos, cada casilla representa una combinación de entradas, por ejemplo 01 en las columnas y 0 en las filas que corresponden a A, B y C. Por covenio, este paso se asigna la variable negada si la entrada es cero y la variable no negada si es uno. En este ejemplo, el término correspondiente al 010 sería -A.B.-C.

Si otro término con un "1" correspondiente a "110" sería A.B.-C.

Finalizada la transcripción de los elementos que no han sufrido variación respecto al original, se agrupan los correspondientes a los elementos que han sido agrupados.

La transcripción se realiza de la siguiente manera: los elementos agrupados disponen de una entrada cuyo valor es común para todos los miembros del agrupamiento.Para realizar la transcripción unicamente se selecciona aquellas entradas cuyo valor es común para todos los términos del agrupamiento.

j.- La salida sería la suma de todos los términos que se extraen del diagrama.En nuestro caso salida C negada.

PROBLEMA

Se dispone de un circuito basado en puertas lógicas simples, que disponen de cuatro entradas y una salida, Dicho circuito responde a la siguiente ecuación funcional.

Salida :

1 .- Completar la tabla de verdad.

2.- Simplificar circuito.

3.- Hallar la implementación original de la ecuación funcional y la implementación una vez simplificada.

SOLUCION

El primer paso en el proceso consiste en el cumplimineto de la tabla de verdad. El siguiente en rellenar el diagrama de Karnaugh, para posteriormente sisntetizar los elementos que compondrán la ecuación final.

3.-Implementación original de la ecuación y la implementación simplificada.

PUERTAS LOGICAS

Las puertas lógicas conocidas en su forma básica son cuatro, las cuales responden al Algebra de Boole. AND / OR / NOT / XOR.

De las cuatro 3 disponen de dos entradas y una de su única entrada todas tiene una sola salida lógica, estas puestas lógicas se rigen bajo un comportamiento especial el cual está regido por la tabla de la verdad, que es una tabla que resume todas las posiciones posibles de dicha puerta lógica

TIPOS DE PUERTAS LOGICAS

1.- OR (O) Suma Lógica Esta puerta lógica responde a la operación de la suma, la cual es aquella que arroja en su salida un "1" lógico, esto solo si alguna de sus entradas es "1".

2.- AND (Y) Producto lógico Responde a la operación de la multiplicación, viene a ser aquella puerta lógica que entrega un "1" lógico en su salida si todas sus entradas tiene "1".
3.- NOT (N) Negación Lógica Puerta lógica que entrega el estado lógico contrario al de su entrada.
4.- XOR Or Exclusiva Aquella que proporciona un "1", siempre y cuando las entradas sean iguales.
Otras puertas lógicas

Tanbién tenemos otras puertas lógicas de mucha utilidad en nuestra instrucción.

5.- NAND (Negando Y ) Proporciona en su salida un cero lógico "0" siempre y cuando sus entradas sean "1"

6.- NOR (Negando 0) Proporciona en su salida un "1" lógico solo cuando sus entradas tiene un "0".

ALGEBRA DE BOOLE

Se denomina así en honor a George Boole, (2 de noviembre de 1815 a 8 de diciembre de 1864), matemático inglés que fue el primero en definirla como parte de un sistema lógico a mediados del sigo XIX. Específicamente, el álgebra de Boole fue un intento de utilizar las técnicas algebraicas para tratar expresiones de la lógica proposicional.

Las propiedades del conjunto en el que se han definido las operaciones (+, *, ') son las siguientes:

PROPIEDAD CONMUTATIVA:

De la suma: a+b = b+a

Del producto: a*b = b*a

PROPIEDAD ASOCIATIVA:

De la suma: (a+b)+c = a+(b+c) = a+b+c

Del producto: (a*b)*c = a*(b*c) = a*b*c

LEYES DE IDEMPOTENCIA:

De la suma: a+a = a ; a+a' = 1Del producto: a*a = a ; a*a' = 0

PROPIEDAD DISTRIBUTIVA:

De la suma respecto al producto: a*(b+c) = (a*b) + (a*c)

Del producto respecto a la suma: a + (b*c) = (a+b) * (a+c)

LEYES DE DE MORGAN:

(a+b+c)' = a'*b'*c'(a*b*c)' = a'+b'+c'

LA TABLA DE LA VERDAD

La tabla de la verdad es la manera representativa de una función lógica en la que se indica el valor "0" y "1" para cada valor que toman estas para cada combinación posible que las entradas pueden tomar.Con ella obtenemos su forma canónica de la función lógica, nos es útil para poder simplificar la misma y usar su forma mas conveniente y simple.

Ejemplo.

Como resultado obtenemos:


F = (A*B*C*D)'
Una puerta NAND de 4 entradas.


PRINCIPIO DE DUALIDAD
Este principio nos indica lo sgte.


A toda ley lógica le corresponde su dual, formada por el intercambio de los operadores lógicos, suma y producto lógicos y los "1" y "0", adicionalmente se cambia cada variable por su valor negado, esta tabla es totalmente necesario para la aplicación de los principios de dualidad.







FAMILIAS LOGICAS

Todo circuito digital, tiene una cubierta encapsulada, las cuales albergan puertas lógicas de distinto índole, estos componentes electrónicos tienen un estándar que posee compatibilidad con muchos fabricantes, de tal manera que sus características sean comunes y compatibles, por ello los componentes lógicos digitales se engloban en dos grandes familias lógicas:

TTL : los cuales proporcionan una gran velocidad de funcionamiento.


CMOS : Los cuales están diseñados para realizar un mínimo de consumo de energía.En la actualidad hay otras familias estandarizadas en cierta características, como por ejemplo la ECL , que pretendía brindar las características de velocidad y bajo consumo de las TTL y CMOS.
(*) O lo que permita el tiempo de propagación admisible

Dentro de la familia TTL encontramos las siguiente sub-familias:


L: Low power = dsipación de potencia muy baja
LS: Low power Schottky = disipación y tiempo de propagación pequeño.
S: Schottky = disipación normal y tiempo de propagación pequeño.
AS: Advanced Schottky = disipación normal y tiempo de propagación extremadamente pequeño.

TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN

CMOS: 5 a 15 V (dependiendo de la tensión tendremos un tiempo de propagación).
TTL: 5 V.

Todo componente electrónico es un componente cuyo funcionamiento no es ideal, así también las puertas lógicas reaccionan de la misma manera, por ello están dispuestas de ciertos parámetros, ello por la tecnología utilizada para su fabricación. Las Familias TTL enplean transistores bipolares en su estructura interna, por ello son dispositivos de alto consumo de energia, las Familias CMOS emplean en su fabricación transistors tipo MOS, por ello su bajo consumo de energía.

Entre los parámetros especificados en las puertas lógicas tenemos :

Amplitud lógica Ya que las puertas lógicas de la misma familia no presentan las mismas características, se consideran los valores extremos de manera ideal.

AL máx: VH máximo - VL mínimo

AL mín: VH mínimo - VL máximo

Margen cero Es el rango de tensiones en las entradas que son consideradas como cero lógico.

VIL máx: tensión máx. admisible como cero lógico.

VIL mín: tensión mín. admisible como cero lógico.

Margen uno Es el rango de tensiones en las entradas de una puerta lógica que son consideradas como un "1" lógico.

VIH máx: tensión máx., admisible como uno lógico.

VIH mín: tensión mín., admisible como uno lógico.

Límite de Trasición Margen en el cual la tensión de una puerta lógica puede ser tomada como "1" o como "0" , no es recomendable utilizar este margen ya que tendríamos calculos inadecuados.

Ruido El parámetro con el que más nos encontraremos y que ocacionan que el circuito no funcione correctamente, puede presentarse ruido propio proveniente del mismo circuito, o externo proveniente de causas externas a circuito.

VMH ( margen de ruido a nivel alto) = VOH mín - VIH mín

VML (margen de ruido a nivel bajo) = VIL máx - VOL máx

Fan Out Es el parámetro que nos especifica el máximo número de puertas lógicas a excitar en sus entradas sin evadir los standares de fabricación.

FAN OUT = IOL máx / IIL máx
IOL e IIL , Intensidades de salida y entrada mínimas de puerta.

Frecuencia máx. de uso Esta definida por :

Fmáx = 1 / (4 * &)

& = Tiempo de propagación

Potencia disipada Es la potencia promedio que el dispositivo puede consumir.

INTRODUCCION A LA ELECTRONICA DIGITAL

Hoy en día la electrónica digital se encuentra en todo equipo orientado a la informática o todo lo que tiene que ver con las tecnologías multimedia. Con esta ayuda podremos tener un conocimiento amplio para poder enfrentar a los problemas del día a día y también ser capaces de ir un poco mas adelantarse al diseño basado en la electrónica digital.

Toda los temas de teoría digital comprende una serie de teoría organizada. La electrónica digital no es del todo diferente al mundo de la electrónica analógica, como de repente se piensa, de hecho esta está sometida a todos los males que afectan a los sistemas analógicos, esto por que la electrónica digital emplea señales que son de un solo tipo para operar y hacer sus respectivas funciones, a esto se deduce la famosa onda cuadrada.

Esta onda se resume con el no menos famoso "1" de los sistemas digitales, este también se somete a los problemas de distorsión, velocidades de alta frecuencia, relación señal - ruido, etc. que están presentes en la electrónica analógica.

Entonces la electrónica digital aparece con el fin último de eliminar los problemas principales que limitan el uso de la electrónica analógica, así como poder manipular información o datos de una manera atemporal.

Se tratará de explicar a continuación , el por qué se utiliza el "1" y la onda cuadrada, para poder entender mejor la electrónica digital, se tuvo la necesidad de poder representarla por algún sistema o entorno de desarrollo , con ello aparece el sistema binario, que permite seleccionar cualquier número combinando las partes básicas del sistema el "0" y "1", estos que por si solos no son más que algo abstracto, para ello hace falta llevarlo al medio eléctrico, de tal manera que sea medible.

Con ello se elige una señal patrón que pueda representarlos de una manera exacta, que sea inmune a los ruidos eléctricos y cualquier interrupción eléctrica que pueda encontrase en el circuito, entre una gran verificación de ondas utilizadas en la electrónica analógica aparece la onda cuadrada, la cual cumplía las condiciones requeridas.

Entonces como la onda cuadrada encajaba como elemento corpóreo del "1" en un sistema binario.

Se ha dicho que el "1" es una onda cuadrada, cuyas características, como la frecuencia, esto es el ancho de la onda cuadrada o también llamada pulso, que varía en función de las características del circuito que lo contiene, mientras que la tensión o altura del pulso se toma como referencia para cada una de las familias lógicas, que viene a ser un conjunto de circuitos digitales que operan con señales cuadradas o pulsos de las mismas características, la más conocida de esta forma es la TTL ( transitor-transistor-logic), este opera con señales de frecuencia variables entre 4 y 5.5 voltios , que se toma como referencia el de 5 voltios.

CIRCUITOS DIGITALES

Conocimos las características del "1" , ahora conoceremos como usarlo, iniciaremos con los circuitos combinacionales y luego continuaremos con los secuenciales, posteriormente con los circuitos controlados por microprocesadores, etc.

Los componentes principales que manejan los "1" y "0" son los transistores, cuyo antecesor en el pasado son las válvulas de vacío, colocando en un solo encapsulado una serie de transistores bajo una combinación particular se obtiene lo que se denomina una puerta lógica, esta es un circuito que admite varias entradas y una salida de igual característica o sea binaria, dicha salida es un resultado de una determinada operación matemática cuyo estudio se le conoce como el Álgebra de Boole, cuyo conocimiento nos conlleva a unas cuantas leyes imprescindibles para el diseño de cualquier circuito digital.

Estas puertas lógicas son circuitos combinacionales, esto es, su salida depende únicamente se sus entradas en un determinado instante sin tener en cuenta sus estados anteriores. de un conjunto de estos circuitos combinacionales obtenemos un circuito secuencial, base de cualquier circuito autómata.