12.1 – Multiplexores y Demultiplexores
Los MUX y Demux o incluso Multiplexores y Demultiplexores son sistemas digitales que pueden procesar información de diversas maneras, trabajando como convertidores serie/paralelo y viceversa.
En este punto analizaremos el principio de funcionamiento de estos circuitos de gran importancia en la electrónica digital
Un multiplexor o MUX abreviado es un sistema digital que tiene varias entradas de datos una o más salidas donde la información seleccionada aparece en el formato digital y, además, tiene entradas de control, como se muestra en la figura 109.
Las señales aplicadas a las entradas de control determinan qué entrada se conectará a la salida, transfiriendo así sus señales. En otras palabras, con un MUX es posible seleccionar qué entrada se conectará a la salida, esto simplemente a través de comandos lógicos.
Por esta razón, los multiplexores también se denominan selectores de datos, o si usamos el término en inglés, data selectors.
Una tabla verdad se puede asociar al multiplexor que dimos como ejemplo en el cual tenemos 4 entradas y una salida:
Vea entonces que cuando queramos que la entrada E2 se conecte a la salida, transfiriendo sus señales, todo lo que tenemos que hacer es tomar la entrada de control C0 al nivel bajo y la entrada C1 al nivel alto.
Tenga en cuenta también que la cantidad de líneas de control depende precisamente del número de entradas que se deben seleccionar. Para un MUX de 4 entradas necesitamos 2 entradas de control, ya que con dos dígitos cubrimos las 4 combinaciones posibles de estados de control.
Para una MUX de 8 entradas, como se muestra en la figura 110, necesitamos 3 entradas de control para obtener las 8 combinaciones de estados que definen qué entradas se activarán.
Una tabla verdad para un MUX de 8 entradas, como se muestra en la figura 110, sería la siguiente:
La implementación de un multiplexor con puertos lógicos se puede hacer con relativa facilidad. En el caso del multiplexor de 4 entradas y una salida que tomamos como ejemplo inicial podemos utilizar puertos AND y OR además de los inversores como se muestra en la figura 111.
La función de multiplexor se puede encontrar tanto en circuitos integrados de tecnología CMOS como TTL, y en estos componentes todavía tenemos la posibilidad de encontrar una entrada adicional de inhibición INHIBIT, cuyo propósito es desactivar el circuito en caso de necesidad, apagando así su salida de cualquiera de las entradas.
Vea que esta entrada puede ser importante, ya que en cualquier combinación de niveles lógicos de la entrada de control siempre tendremos una entrada conectada a la salida.
Por lo tanto, puede ser necesario en algún tipo de aplicación, que ninguna entrada está conectada a la salida en un instante dado.
En la figura 112 tenemos el circuito lógico de un multiplexor de 8 entradas con 3 salidas de control y una entrada de INHIBIT.
Este circuito utiliza inversores, puertos AND y puertos OR.
DEMULTIPLEXORES
Un circuito demultiplexor o Demux tiene una entrada de datos y un cierto número de salidas, así como entradas de control, como se muestra en el diagrama simplificado de la figura 113.
Aplicando los niveles lógicos apropiados en las entradas de control podemos transferir la señal de entrada a una de las salidas.
Qué salida recibirá la señal depende de los niveles en la entrada de control según la tabla verdad dada abajo, por ejemplo de la figura 113.
Este tipo de circuito también se denomina direccionadores de datos.
Tenga en cuenta que en este caso también, necesitamos dos entradas de control para seleccionar una de 4 salidas. Si tenemos 8 salidas, como en el Demux de la figura 114, se requerirán 3 entradas de control.
Para este circuito tenemos la siguiente tabla verdad:
Del mismo modo que en el caso de un multiplexor, un circuito demultiplexor puede ser elaborado a partir de funciones lógicas comunes. Para un demultiplexor de 4 salidas, como él que se tomó. Como ejemplo inicial en este artículo, tenemos la posibilidad de elaborarlo con sólo dos inversores y 3 puertas AND de 3 entradas , como se muestra en la figura 115.
MUX/DEMUX INTEGRADOS
Como explicamos las funciones de multiplexores digitales y demultiplexores se pueden encontrar en forma de circuitos integrados de la familia CMOS y TTL.
Damos a seguir algunos circuitos integrados comunes de estas dos familias que se pueden utilizar en proyectos.
74150 - Selector de datos 1 de 16
Este circuito integrado TTL consta de un multiplexor que tiene 16 líneas de entrada y una línea de salida, seleccionadas por las Líneas de Selección, o Address Inputs (en los manuales en inglés). En la figura 116 tenemos el pinaje de este circuito integrado.
Para el funcionamiento normal, la entrada habilitante (EN) debe mantenerse en el nivel alto, hasta el momento en que los datos de una entrada dada deban ser llevados a la salida.
La entrada que se activará dependerá del código aplicado a la línea de selección. El circuito tiene dos salidas. En uno de ellos aparece la señal de la entrada seleccionada y la otra la señal complementaria.
Los circuitos similares de la misma familia son el 74151 que consiste en un selector 1 de 8, y el 74153 que consiste en un selector del 1 de 4.
Este circuito sólo funciona con señales digitales. El tiempo de propagación de la señal es de 23 ns y el consumo por circuito integrado 40 mA.
74151 - Selector de datos del 1 de 8
Este circuito TTL tiene 8 entradas de datos, tres líneas de selección y dos salidas, una de las cuales muestra la señal de entrada en el la forma original y la otra que la muestra invertida.
En el funcionamiento normal, la entrada EN de habilitación debe estar en el nivel bajo. Si esta entrada se toma en el nivel alto, la salida Y permanece en el nivel bajo y la salida Y/en el nivel alto independientemente de lo que ocurra en los datos o de control.
El 74151 se presenta en una cubierta DIL de 16 pinos con la disposición del terminal mostrado en la figura 117.
74152 - Doble selector de datos 1 de 4
Este circuito integrado TTL contiene dos multiplexores de 4 entradas de datos, con dos líneas de control que actúan al mismo tiempo sobre los dos circuitos. En la figura 118 tenemos el pinaje de este componente que se presenta en una cubierta DIL de 16 pinos.
En el funcionamiento normal, la entrada EN debe mantenerse a bajo nivel. Con esta entrada en el nivel alto, la salida del multiplexador correspondiente permanece en el nivel bajo independientemente de la entrada seleccionada.
74154 - Demultiplexor 1 de 16
Este circuito integrado TTL se presenta en una cubierta DIL de 24 pinos con el pinaje mostrado en la figura 119.
Este tipo de circuito también se conoce como distribuidor de datos y en funcionamiento normal la entrada EN se debe mantener en el nivel bajo. Con esta entrada en el nivel alto, todas las salidas estarán en el nivel alto, independientemente de lo que ocurra en las entradas de entrada y control de datos.
El termino de acceso a los datos es de 49 NS y el consumo de cada circuito integrado es de 34 mA.
74155 - Doble Demultiplexor 1 de 4
Este circuito integrado TTL se presenta en un cubierta DIL de 16 pinos, como se muestra en la figura 120.
En el funcionamiento normal la entrada EN debe estar a nivel bajo. Con la entrada EN el nivel alto, todas las salidas del selector están en el nivel alto, independientemente de la selección y los datos de entrada.
4051 - Selector 1 de 8 (MUX/DEMUX)
Este circuito integrado CMOS se presenta en un cubierta DIL de 16 pinos y puede trabajar con señales analógicas y digitales, dependiendo únicamente de la polarización del PINO 7, como se muestra en la figura 121 en la que tenemos su pinaje
Para utilizar este circuito con señales digitales, la tensión de alimentación positiva puede estar entre 3 y 15 volts mientras el pino 7 está conectado a cable a tierra.
Sin embargo, para operar con señales analógicas el pino 7 debe estar conectado a una fuente de -5 V (fuente negativa) y el pino 8 conectado a cable a tierra.
En estas condiciones, las señales a conmutar pueden variar entre - 5 y + 5V, mientras que las señales de selección pueden ser nivel bajo (0V) o nivel alto (5V).
Ambas en funcionamiento con señales digitales y analógicas, las llaves cerradas representan una resistencia de 120 ohms y no se debe utilizar ninguna carga con resistencias inferiores a 100 ohms. La corriente de conmutación máxima para las señales no deben exceder de 25 mA.
Similar a este circuito en características son:
4052 - Dos llaves 1 de 4
4053 - Tres llaves 1 de 2
4067 - Una llave 1 de 16
En la tabla que figura a continuación tenemos las principales características eléctricas de la 4051.
|
Característica |
Condiciones (Vdd) |
Valor |
|
Resistencia de estado ON – conectado (tip) |
5 V 10 V 15 V |
1 000 ohms 400 ohms 240 ohms |
|
Tiempo de Propagación (tip) |
5 V 10 V 15 V |
500 ns 180 ns 120 ns |
|
Corriente Quiescente (máx.) |
5 V 10 V 15 V |
5 mA 10 mA 20 mA |
|
Rango de tensiones de alimentación |
3 V a 15 V (digital) - -5 a + 5 V (analógico) |
4052 - Doble Selector 1 de 4 (MUX/DEMUX)
Este circuito CMOS funciona exactamente igual que el 4051 con la diferencia de que en el caso tenemos dos selectores (MUX/DEMUX) en el mismo circuito integrado en la cubierta de 16 pinos, que se muestra en la figura 122.
Como en el caso anterior, el circuito puede funcionar en ambas direcciones, es decir, tanto como multiplexor y demultiplexor y dependiendo de la alimentación puede funcionar con señales analógicas o digitales.
4053 - Triple selector 1 de 3 (MUX/DEMUX)
Finalmente tenemos un circuito CMOS que funciona como los anteriores, y que se puede utilizar tanto como MUX como Demux para señales analógicas y digitales.
El pinaje de este circuito integrado se muestra en la figura 123.
Las líneas de selección de salidas/entradas de los tres selectores (MUX/DEMUX) de este circuito integrado son independientes, pero para la inhibición de la operación hay una entrada común. Esta entrada debe estar en un nivel bajo para el funcionamiento normal.
12.2 – Los decodificadores
Las informaciones en la que funcionan los circuitos digitales es de forma binaria, o incluso de otras formas que no siempre pueden ser visualizadas fácilmente por el usuario, o incluso si no pueden ser utilizadas por los próximos circuitos del equipo, si no son digitales.
Esto implica la necesidad de tener circuitos que funcionen con información codificada de una manera, transformándola en otra, que puede ser utilizada por dispositivos o circuitos no digitales.
Es posible que tengamos, por ejemplo, la necesidad de mostrar un valor numérico en forma decimal a partir de un valor binario o incluso producir un impulso en una dirección dada en una memoria a partir de información binaria de esta dirección.
En aplicaciones digitales, encontramos varios tipos de decodificadores, de los cuales estudiaremos los principales en este capítulo.
Le recordamos que estos decodificadores pueden ser elaborados con sencillas funciones básicas (puertos e inversores), como se puede encontrar ya implementados en circuitos integrados de tecnología CMOS y TTL.
Decodificador de n a 2 elevado a n líneas
Tenemos en esta categoría de circuito que descodifica una señal binaria de n dígitos para una salida de 2 elevado al exponente n. Por ejemplo, para 2 dígitos o líneas de entrada tenemos 2 x 2 líneas de salida. Para 3 líneas de entrada tenemos 2 x 2 x 2 líneas de salida u 8, y así sucesivamente, como se ilustra en la figura 124.
Para entender cómo funciona este tipo de circuito, vamos a tomar como ejemplo su configuración más simple, con 2 líneas de entrada y 4 salidas, utilizando cuatro puertos NAND del 7400 y dos inversores del 7404. Esta configuración elaborada con funciones básicas (puertos) se muestra en la figura 125.
Lo que hace este circuito es activar sólo una de las salidas de cada una de las cuatro combinaciones posibles de la señal de entrada, como se muestra en la siguiente tabla verdad:
| ENTRADA | SALÍDAS | ||||
| A | B | S1 | S2 | S3 | S4 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
Vea que la salida habilitada va al nivel bajo cuando se aplica el valor binario correspondiente a la entrada.
En la práctica, no es necesario implementar decodificadores como este desde puertos lógicos, ya que hay circuitos integrados que ya realizan estas funciones. Daremos ejemplos al final del artículo.
Las posibles aplicaciones para este circuito pueden ser fácilmente imaginables por los lectores.
Es fácil ver que si tenemos 3 líneas de entradas, podemos un nivel lógico para 1 de 8 salidas. Para 4 líneas de entrada, vamos a tener 16 salidas, y así sucesivamente.
En la figura 126 tenemos un circuito en el que un contador binario está conectado a uno de estos decodificadores con el fin de hacer el activamente secuencial de las lámparas.
Esta es una aplicación muy común, con un propósito decorativo, de este tipo de circuito integrado.
A continuación, ajuste la velocidad del oscilador, que funciona como clock, para determinar la velocidad de la descarga de las lámparas que se encienden cuando se activa cada salida correspondiente.
En figura 127 tenemos un ejemplo de lámparas secuenciales (o LEDs) activadas por un circuito de este tipo.
Si, en lugar de las lámparas que usamos relés, u otro tipo de control de potencia, podemos elaborar un control secuencial para un automatismo industrial.
12.2.2 – Decodificador BCD para 7 segmentos
Un tipo de decodificador, ampliamente utilizado en proyectos que implican electrónica digital, es lo que hace que la conversión de señales BCD (Decimales codificados en binario) de una manera adecuada para el activamente de un mostrador de 7 segmentos.
El mostrador de 7 segmentos asume que podemos formar cualquier dígito de 0 a 9 usando una combinación de 7 segmentos de un mostrador, como se muestra en la figura 128.
Por lo tanto, si queremos mostrar el dígito 5, bastará con "iluminar" los segmentos a, c, d, f, g como se muestra en la figura 128.
Puesto que las señales binarias codificadas no sirven para alimentar directamente los mostradores, es necesario depender de un circuito que haga la conversión, de una manera que corresponda a la combinación de segmentos que es el dígito representado, como se muestra en la figura 129.
Este tipo de circuito decodificador cuenta con 4 entradas, donde entra la información BCD, y 7 salidas que corresponden a los 7 segmentos de un mostrador cuya función es mostrar el dígito correspondiente.
La combinación de los niveles lógicos aplicados a las entradas producirá entonces niveles de salida lógicos que, aplicados a los segmentos de un mostrador, hagan aparecer el dígito correspondiente.
Hay que tener en cuenta que, en este tipo de circuito, los segmentos de un mostrador se pueden activar cuando la salida va al nivel alto, o todavía se activa cuando la salida va al nivel bajo.
Esto depende del tipo de display utilizado y de la forma en que está conectado a la salida, que se estudiará en el siguiente ítem.
12.3 - DISPLAYS (*)
Un display, o mostrador, es un dispositivo que tiene el propósito de presentar información de una manera que puede ser leída por un operador.
Podemos tener displays simples que operan en forma digital, tales como secuencias de LEDs, displays que muestran números (numéricos), tales como displays que también muestran símbolos gráficos (letras y señales) y que se denominan alfanuméricos, como los mostrados en figura 130.
En la figura 131 tenemos algunos displays más complejas capaces de mostrar información que contenga varios números, letras y símbolos.
El más sofisticado puede incluso presentar imágenes de objetos o formas, tales como los utilizados en equipos más complejos con características de microprocesadores, tales como juegos de bolsillo, teléfonos móviles, agendas electrónicas, organizadores de información, ordenadores portátiles y muchos otros.
El tipo de display más común utilizado en los proyectos básicos de electrónica digital es el numérico de 7 segmentos que ya hemos abordado en el elemento anterior.
La combinación del activamente de 7 segmentos permite la aparición de dígitos de 0 a 9 y también de algunos símbolos gráficos como se muestra en la figura 132.
El tipo más común utilizado en los proyectos digitales es el mostrador de LEDs (Diodos Emisores de Luz), donde cada segmento es un diodo emisor de luz (LED) y que tiene la apariencia mostrada en la figura 133, así como su símbolo interno.
Los LEDs se pueden encender para tener el ánodo conectado al mismo punto, en cuyo caso decimos que se trata de un display de ánodo común (Common Anode, si adoptamos el término inglés), como todavía, puede tener los cátodos interconectados, en cuyo caso decimos que se trata de un display de cátodo común (Common Cathode, para el término en inglés).
Las corrientes en los segmentos típicamente oscilan entre 10 y 50 mA, según el tipo y el tamaño, lo que nos lleva a concluir que, el consumo máximo ocurre, cuando se proyecta el dígito 8 (todos los segmentos encendidos), puede alcanzar 400 mA por unidad (50 mA por segmento).
El consumo relativamente alto de este tipo de display no lo hace muy conveniente para su uso en equipos alimentados por batería. Los displays de LEDs se utilizan más comúnmente en los equipos integrados (coche, barco, etc.) o de mesa, donde se puede contar con fuentes de energía más potentes.
Algunos fabricantes pueden añadir más de un dígito en un solo bloque facilitando así los proyectos, ya que en la mayoría de los proyectos, los números que deben presentarse deben ser mayores que 9, como se muestra en la figura 134.
Otro tipo de display, que también se utiliza con bastante frecuencia en los proyectos, es el cristal líquido o LCD ((De Liquid Crystal Display, adoptando el término inglés).
Este display no se ilumina cuando está excitado. El LCD consiste en electrodos transparentes que, al recibir excitación eléctrica, por la señal del circuito, hacen que el líquido interno se convierta en opaco, dejando así reflejar la luz.
De esta manera, el fondo blanco del material ya no se ve, apareciendo en su lugar una región negra, como se muestra en la figura 135.
Las regiones negras forman los segmentos y, como su combinación, aparecen los dígitos.
Sin embargo, para los mostradores ordinarios, es algo más difícil trabajar con estos mostradores, pues requieren los circuitos especiales de la excitación.
Hay, sin embargo, casos de displays que ya tienen los decodificadores internamente y que, por lo tanto, son más fáciles de usar.
La principal ventaja del mostrador de cristal líquido, o display de cristal líquido (LCD), es su consumo de energía, cientos de veces más pequeño que en un mostrador de LEDs. Para aplicaciones donde el aparato debe ser alimentado por pilas o baterías, o permanecer permanentemente conectado, es mucho más ventajoso utilizar el mostrador LCD.
Decodificadores y Codificadores Incorporados (TTL y CMOS)
Podemos contar con una buena cantidad de decodificadores, multiplexores y demultiplexores en la forma de ambos circuitos integrados TTL, tales como CMOS. Será interesante para cualquier profesional que trabaje con electrónica digital para basarse en un manual que contenga las características de los tipos de principios.
Sin embargo, para mostrar a los lectores los principales tipos, para que puedan analizar su funcionamiento, vamos a describir algunos circuitos integrados que contienen estas funciones y que son los más utilizados en proyectos y aplicaciones prácticas.
7442 - Decodificador BCD para 1 de 10
Este circuito integrado tiene el pinaje mostrado en la figura 136.
Como la combinación de niveles lógicos de entradas (codificados en BCD), solo una de las salidas irá al nivel lógico bajo. Todos los demás permanecerán en el nivel alto.
Si los niveles lógicos aplicados a las entradas tienen la combinación 1010 a 1111 (que corresponden de 11 a 15) no se activará ninguna de las salidas. Cada salida puede drenar cuando se activa una corriente de 16 mA.
El pino 12 puesto a tierra, el mismo circuito integrado funciona como un decodificador 1-de-8.
El circuito integrado TTL 7445 tiene la misma función, con la diferencia de que tiene transistores en la configuración de colector abierto en la salida puede, con esto, trabajar con tensiones de hasta 30 V y hacer drenaje de corrientes hasta 80 mA. El pinaje es el mismo que el 7442.
El tiempo de propagación de las señales por este circuito integrado es de 17 ns, y cada consumo de una corriente de 28 mA.
7447- Decodificador BCD para 7 Segmentos
Se trata de un circuito TTL integrado que tiene salidas de colector abierto capaces de drenar corrientes de hasta 40 mA y, por lo tanto, se indica para excitar las displays de LEDs de ánodo comunes.
En la figura 127 tenemos su Pinaje.
En este circuito se deben observar algunas características importantes.
Uno es el terminal Lamp Test, o la prueba del display. Colocando esta salida en el nivel lógico bajo (en funcionamiento normal debe mantenerse en el nivel alto), todas las salidas van al nivel bajo, causando que todos los segmentos de la display se iluminen. Con esto usted puede verificar que está en buenas condiciones, funcionando correctamente.
Otra entrada importante es la RBI (Ripple Blank Input) que hace que los ceros a la izquierda se borren, cuando se utilizan varios contadores, como se muestra en la figura 128.
Por lo tanto, en lugar de mostrar el valor 008 en un recuento, sólo 8 aparece.
Tenga en cuenta que la salida RB0 (Ripple Blank Output) es para la conexión en serie de varios bloques de contadores con el fin de obtener un conjunto de varios dígitos, donde los ceros a la izquierda se borran.
El tiempo de propagación de la señal para este circuito integrado es 45 ns y su consumo es de 43 mA.
4028 - Decodificador BCD para Decimal
Se trata de un circuito integrado CMOS con 10 salidas en las que, la que va al nivel alto, depende de la combinación de los niveles de entrada. Las salidas restantes permanecerán a bajo nivel. El pinaje de este circuito integrado se muestra en la figura 129.
Las combinaciones de entrada entre 1010 y 1111 que corresponden a los números de 11 a 15 no se reconocerán y, con ellas, todas las salidas permanecerán en el nivel bajo.
En la tabla de abajo damos las características de este CI:
|
Característica |
Condiciones (Vdd) |
Valor |
|
Corriente drenada-suministrada en la salida (tip) |
5 V 10 V 15 V |
1,0/0,4 mA 2.6/1.0 mA 8.8/3.0 mA |
|
Tiempo de Propagación (TIP) |
5 V 10 V 15 V |
240 nS 100 nS 70 nS |
|
Corriente quiescente (máx.) |
5 V 10 V 15 V |
1 mA 2 mA 4 mA |
|
Rango de tensiones de alimentación |
de 3 V a 15 V |
4026 - Contador de Década con Salida de 7 segmentos
Este importante circuito integrado CMOS tiene un contador divisor por 10 y sus salidas son descodificadas.
El pinaje de este circuito integrado se muestra en la figura 130.
En el funcionamiento normal, el RST (Reset) y CLEN se deben mantener en el nivel bajo. Un nivel alto aplicado en RST reseta el contador tomando el valor de la salida a 0 y al mismo tiempo impide el recuento.
Un alto nivel aplicado en CLEN (habilitación de Clock o Clock Enable) inhibe la entrada de las señales de clock.
El contador es gatillado en las transiciones positivas de la señal del clock.
En el pino 5 es posible obtener una señal cuadrada de 1/10 de la frecuencia del clock, y en el pino 14 tenemos una señal que permanece en el nivel alto hasta el momento en que el conteo alcanza 0010, cuando pasa al nivel bajo.
La entrada de DISEN se utiliza para habilitar el display, y debe permanecer en el nivel alto en el funcionamiento normal. Cuando esta línea va a nivel bajo las salidas van todas las maneras al nivel bajo.
Este circuito está indicado para funcionar con displays de cátodo común y la corriente de salida máxima es de 1,2 mA para una tensión de alimentación de 5 V y 5 mA para 10 V.
La frecuencia máxima de funcionamiento es de 5 MHz a 10 V de tensión de alimentación y de 2,5 MHz a 5 V.
Sumário
Curso de Electrónica - Electrónica Digital (CUR5000)
Curso de Electrónica - Electrónica Digital – Parte 1 (CUR5001S)
Curso de Electrónica Digital – Parte 2 - El Álgebra de Boole (CUR5002S)
Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 6 - Los Elementos Biestables (CUR5006S)
Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 9 - Contadores Digitales (CUR6002S)
Curso de Electrónica - Electrónica Digital - Parte 13 - Memorias, ADCs y DACs (CUR6006S)