LAS TRES FUNCIONES LÓGICAS BÁSICAS ( III )

En el diseño de circuitos lógicos, una de las cosas que no está permitida es conectar directamente a un mismo punto la salida de dos funciones lógicas en una forma como la que se muestra a continuación:

Puesto que se ha definido el "1" como el polo positivo de la fuente de poder (por ejemplo, +5 volts) y el "0" como el polo negativo de la misma fuente de poder (conocida vulgarmente como "tierra eléctrica"), la situación mostrada mostrada equivale ni más ni menos que a un corto circuito. Y aunque la gran mayoría de los circuitos integrados discretos que se venden en la actualidad tienen integrada en su microelectrónica una estructura de resistencias y transistores que evitan que un corto circuito de esta naturaleza los pueda dañar, limitando el flujo de la corriente a través de los mismos, la salida de un circuito lógico de esta naturaleza es en el mejor de los casos indefinida.

Si por alguna razón insistimos en querer conectar juntas las salidas de dos (o más) funciones lógicas básicas, lo podemos hacer utilizando diodos rectificadores, los cuales conducen corriente eléctrica en una sola dirección más no en la dirección contraria. Físicamente, en un circuito real, estos componentes tienen un aspecto como el que se muestra a continuación, en donde la banda puesta en un extremo del componente indica la polaridad del cátodo (la parte del componente que va conectada al polo negativo de la fuente de poder cuando se desea que este componente conduzca corriente eléctrica), correspondiendo con banda tocada por la flecha en el símbolo representativo del diodo que aparece a la derecha:

Usando diodos rectificadores, el circuito lógico anterior ya "corregido" presentaría el siguiente aspecto:

En este circuito el AND superior está poniendo un "0" en su terminal de salida mientras que el NOT inferior está poniendo un "0" en la suya propia. El voltaje relacionado con el "1" lógico normalmente produce una corriente eléctrica que fluye hacia el "0" lógico. Pero en los diodos rectificadores, la corriente eléctrica solo puede fluír en la dirección que marca la flecha, de modo tal que si en la cola de la flecha hay un "0" y en la punta de la flecha hay un "1" como ocurre con el AND superior, el diodo no permitirá el paso de la corriente y actuará como si el alambre estuviera cortado, efectivamente desconectando al AND de la salida combinada. En otras palabras, el "1" del inversor NOT es el que gana. Pero si la salida del NOT fuese "0" y la salida del AND fuera "1", entonces el AND ganaría. Y si la salida de ambos fuera "1", entonces ambos ponen un "1" lógico en la línea de salida y no hay contradicción lógica alguna (ni corto circuito). Pero si repasamos estas funciones, nos daremos cuenta de que la inserción de los diodos en el circuito hace que entre ambos proporcionen el equivalente de la función OR, con la desventaja de que los diodos no proporcionan ninguna amplificación de la señal. Las buenas prácticas de diseño nos indican remover los dos diodos y reemplazarlos por un bloque OR.

Existe una excepción importante a la prohibición de conectar directamente a un mismo punto las salidas de dos o más bloques lógicos, y ello ocurre cuando se están utilizando circuitos integrados capaces de implementar algo que se conoce como la lógica alambrada (wired logic), también conocida como la lógica de colector abierto (open collector logic), lo cual tiene que ver con el hecho de que tales circuitos, construídos a base de transistores bipolares (un transistor bipolar básico tiene tres terminales, la base, el emisor y el colector), utilizan la terminal denominada "colector" del transistor bipolar en modo "abierto" (sin conexión previa) para llevar a cabo esta función, estando por ello diseñados para conectarse a un mismo punto al cual además hay que agregar una resistencia conectada al polo positivo del voltaje de la fuente de poder, como se muestra en el siguiente esquema en el que se han conectado las salidas de dos bloques NOT:

Por regla general, al utilizarse la lógica alambrada ó "lógica de colector abierto", en el punto de unión se lleva a cabo la función AND; esta es la razón por la cual en el dibujo anterior se bosquejó un AND alrededor del punto de unión de las salidas de los NOTs. Si ponemos un "0" a la entrada de ambos NOTs, la salida de los dos será "1", y por la acción del AND en el punto de juntura la salida Y del circuito tendrá un valor de "1". Si cualquiera de las entradas A ó B a los NOTs es de "1", el cual será invertido a "0", entonces por la acción AND sobre la salida de ambos la salida común Y tendrá un valor de "0". Y si ambas entradas son "1", entonces la salida Y será "0". Tenemos entonces un circuito en el cual la salida será "1" únicamente cuando ambas entradas son "0", lo cual es en efecto la acción de un circuito NOR. El símbolo A·B puesto en el dibujo para representar el valor lógico de la salida Y representa esta acción AND en la simbología del álgebra Boleana, cuya discusión será postpuesta y aclarada en el siguiente capítulo.

No cualquier familia de circuitos lógicos integrados puede conectarse de esta manera. Obsérvese que dentro de los bloques NOTs se dibujó el símbolo de un pequeño diamante con una barra horizontal puesta debajo del mismo. Este es el símbolo utilizado para indicar en los diagramas esquemáticos que se están usando componentes trabajando bajo lógica alambrada, lo cual está especificado por la convención técnica IEEE/ANSI-1984 que indica que cualquier componente cuya salida pueda ser alambrada a otro componente bajo lógica alambrada deberá destacarse dibujando dentro del bloque lógico cerca de la salida del mismo el símbolo del diamante con la barra horizontal puesta debajo del diamante:

Como muestra de esta simbología, a continuación tenemos dos ANDs de colector abierto, de tres entradas cada uno, con sus salidas conectadas directamente dándonos el equivalente de un AND de seis entradas en total:

Para el ejemplo que vimos en donde conectamos directamente las salidas de dos inversores lógicos NOT, posiblemente utilizaríamos como NOTs con lógica de colector abierto los que proporciona un circuito integrado como el 7405, el cual incluye seis inversores NOT y cuya relación de terminales "pins" es la que se muestra a continuación:

A continuación se muestran las salidas de tres NOTs de este circuito integrado conectadas al mismo punto bajo el esquema del "colector abierto":

Algunos otros circuitos integrados cuyo funcionamiento se basa en la "lógica del colector abierto" son el 7403 (el cual proporciona compuertas NAND empleando la misma relación de terminales "pins" que el circuito integrado 7400 que no es de "colector abierto"), el 7409 (el cual proporciona compuertas AND con la misma relación de terminales "pins" que el 7408) y el 7433 (el cual consiste de bloques NOR y tiene la misma relación de terminales "pins" que el 7402).

Para poder llevar a cabo experimentos con circuitos lógicos básicos que hayamos diseñado o cuyo comportamiento queramos verificar, tenemos dos alternativas. La primera es construír algún prototipo experimental usando circuitos integrados que se puedan procurar en el mercado. En el mercado han aparecido (y siguen apareciendo) muchos "kits" de bajo costo para facilitarle la labor a los experimentadores. A continuación se muestra uno de los primeros en aparecer en los años setenta gracias al abaratamiento de los circuitos electrónicos integrados, el Digital Logic Microlab, el cual fue vendido por Southwest Technical Products y el cual fue popularizado por algún tiempo por la revista Popular Electronics:

El simulador lógico arriba mostrado implementa su electrónica con una tecnología ya obsoleta que los ingenieros llaman RTL (Resistor Transistor Logic), la cual terminó siendo desplazada por otra tecnología mucho más veloz, llamada TTL (Transistor Transistor Logic). La tecnología RTL usada por este simulador no implementa directamente ninguna de las funciones lógicas básicas aquí estudiadas, ya que su bloque fundamental es el bloque NOR. Si nos fijamos bien en la parte media del simulador, hay cuatro bloques NOR, los cuales son obtenidos de un circuito integrado, el circuito integrado básico de la familia RTL, el 4001. Obsérvese que el NOR es representado en el simulador con un símbolo triangular y "la burbuja de negación lógica" puesta en la punta del símbolo triangular, de acuerdo con lo que se acostumbraba en aquellos días. Si tuviéramos uno de esos simuladores a la mano y lo viéramos en su interior, encontraríamos que los cuatro bloques NOR accesibles para interconexión mediante los postes en la carátula provienen de un circuito integrado que tiene el siguiente aspecto:

Una inspección al diagrama esquemático de este circuito integrado nos muestra en su relación de terminales que efectivamente tiene cuatro bloques NOR en su interior:

A continuación tenemos otro "laboratorio" casero cuyo propósito es ir introduciendo a las nuevas generaciones de técnicos e ingenieros al mundo de la lógica digital, en el cual podemos ver algunas de las funciones lógicas cubiertas dentro de este capítulo así como otras funciones lógicas un poco más elaboradas cuyo estudio se dejará para capítulos posteriores:

Gracias a la potencia de las computadoras de escritorio, existe una alternativa mucho más económica y mucho más rápida para "construír" un prototipo utilizando varias combinaciones de circuitos lógicos, y esta consiste en usar un simulador de "software", o sea un programa corriendo en la computadora que permita tomar los símbolos lógicos convencionales de un catálogo para irlos "conectando" en el monitor de la computadora. Lo que aquí se hace es llevar a cabo una simulación de un experimento virtual en donde no hay un solo alambre a la vista, todo se lleva a cabo esquemáticamente desde el teclado. Uno de tales simuladores es el simulador lógico Digital Works, el cual tiene un costo aproximado de ochenta dólares:

Existen también simuladores gratuitos de alta potencia que pueden ser descargados gratuitamente de Internet. Uno de ellos es el simulador lógico Logisim, desarrollado en 2002 por Carl Burch, el cual puede correr en cualquier computadora casera que tenga implementada la plataforma Java (hoy la gran mayoría la tiene, y las que no la tienen la pueden obtener también gratuitamente de Internet):

El simulador lógico Logisim se puede descargar gratuitamente del siguiente enlace:

http://ozark.hendrix.edu/~burch/logisim/index_es.html

Otro programa gratuito es el Digital Simulator, desarrollado en 1996 por Iwan van Rienen, , el cual no es un programa ejecutable en el estricto sentido de la palabra, sino que se trata de un applet de la plataforma Java, la cual tiene que ser instalada en la computadora antes de que el Digital Simulator pueda correr. La carpeta fuente conteniendo todos lo necesario para correr el simulador se puede descargar gratuitamente como un archivo comprimido ZIP generalmente titulado DigSim.zip, el cual al ser descomprimido en una carpeta no muestra archivo ejecutable alguno desde donde se pueda "lanzar" el Digital Simulator, ya que lo único que aparecen son las famosas "clases" con las que opera Java. De cualquier modo, suponiendo que la computadora tenga ya instalada la plataforma Java, se puede pulsar rápidamente con el "mouse" de la computadora sobre cualquiera de los archivos que terminen con extensión ".html". Esto hará que se invoque el navegador que tenga instalado la computadora (por ejemplo, Internet Explorer), y al ser invocado el navegador la plataforma Java será invocada por el contenido mismo del archivo ".html" seleccionado, tras lo cual deberá aparecer una ventana como la siguiente (en este caso, se ha escogido la ventana que aparece al pulsar un archivo titulado "sim_and.html", la cual muestra la acción de la función AND con dos interruptores conectados en serie, y la acción del bloque lógico AND):

Una vez que aparece la ventana, es asunto fácil ir seleccionando desde la línea del menú los componentes que queramos ir agregando a un circuito nuevo que queramos "construír" después de haber borrado todo seleccionando desde el menú la opción "File -> New". En la opción titulada "Passive" podemos seleccionar alambres conectores (Wire), un punto de conexión de dos alambres que se cruzan (Junction) para unirlos eléctricamente, el polo positivo de la fuente de poder Vcc (equivalente a nuestro "1" lógico) que aparecerá en el extremo superior izquierdo de la ventana de trabajo, el polo negativo o "tierra" eléctrica (equivalente a nuestro "0" lógico) que también aparecerá en el extremo superior izquierdo, un interruptor (Switch) y un interruptor de botón (Push button) los cuales se pueden "arrastrar" hacia al interior de la ventana manteniendo oprimido el "mouse" de la computadora. En la opción titulada "Ports" podemos seleccionar una de varias compuertas lógicas que también irán apareciendo en el extremo superior izquierdo de la ventana, ya sea un NOT (Inverter), un AND, un OR, o cualquiera de otros bloques. En "bi-stable" podemos seleccionar componentes secuenciales que serán tratados posteriormente en este libro. En la opción "Display" podemos seleccionar diodos emisores de luz LED para poder obtener confirmación visual "lumínica" sobre la presencia de un "0" o de un "1", y en la opción "Special" podemos seleccionar otros componentes más sofisticados tales como un generador de "pulsos" (Oscilator) e inclusive una "punta de prueba lógica" para medir en algún punto de un circuito y saber si tenemos un "0" ó un "1". La acción del simulador puede ser puesta en marcha presionando el "botón" con un relámpago amarillo dibujado dentro del mismo. Y si antes de construír un circuito lógico por cuenta propia el usuario no está seguro de cómo trabaja esta ventana "applet" de Java, puede seleccionar alguno de varios ejemplos incluídos en el paquete con la opción de la línea del menú "File -> Open example". Una cosa que no puede hacer el programa es guardar en la computadora archivos de circuitos diseñados, debido a las medidas de seguridad implementadas por Java.

El Digital Simulator desarrollado por Iwan van Rienen fue actualizado posteriormente con algunas mejoras llevadas a cabo por Deborah E. Lynch y Phil White, y rebautizado con el nombre de Digital WorkShop. En una de sus versiones más comunes, el archivo DigiSim.zip -en el cual esta puesto el Digital Workshop- al ser desempacado produce varias carpetas y un archivo ejecutable, el archivo Java Digisim.jar. Para echar a andar el Digital Workshop, basta con pulsar con el mouse el ícono que representa al archivo Digisim.jar, con lo cual el usuario puede comenzar a "ensamblar" de inmediato circuitos lógicos de todo tipo. Una cosa que descubrirá el usuario es que el Digital Workshop, a diferencia del Digital Simulator, no requiere activar el navegador de la computadora para poder funcionar, puede andar por sí solo (esta es precisamente una de las ventajas de los archivos ejecutables con extensión ".jar"). Puesto que el modo de funcionamiento del Digital Workshop es casi idéntico al modo de funcionamiento del Digital Simulator que se acaba de describir, no será necesario repetir aquí los detalles.

Aún otro programa que se puede descargar gratuitamente, el cual por cierto era algo costoso pero que hoy sus creadores han hecho accesible públicamente al mundo entero de manera gratuita a través de Internet, es el programa MultiMedia Logic, cuya interfaz visual presenta el siguiente aspecto:

Este programa se puede descargar sin costo alguno de varios sitios como el siguiente:

http://www.softronix.com/logic.html

Otra opción extremadamente buena para "construír" circuitos lógicos (simulados) en el monitor de una computadora es la versión estudiantil del programa PSpice, la cual se puede descargar sin costo alguno de la siguiente dirección:

http://www.electronics-lab.com/downloads/schematic/013/

Este programa aún en su versión estudiantil es un programa tan completo y tan sofisticado que el archivo de descarga tiene un tamaño de 28 Megabytes, de modo que la descarga del mismo no es recomendable a través de una conexión Internet de baja velocidad.

Además de los programas anteriormente mencionados que nos permiten diseñar y "construír" circuitos lógicos (simulados), existe otra alternativa inmediata para poder ver la acción de los circuitos lógicos "en vivo" de forma interactiva, como si se tuviese a la mano un tablero con los componentes físicos reales. A modo de ejemplo, se recomienda visitar el siguiente sitio en el cual el usuario puede "jugar" a través del "mouse" de la computadora con varias compuertas lógicas, "encendiendo" con "unos" o "apagando" con "ceros" las terminales de entrada, viendo de inmediato los efectos a la salida (o salidas) de los circuitos lógicos en los diodos emisores de luz (LED) simulados:

http://www.dst-corp.com/James/LogicPrimer/Gates.html

Los circuitos lógicos interactivos que aparecen en este último enlace fueron creados precisamente con el programa MultiMedia Logic ya mencionado.

Otro sitio muy completo, mantenido por la Universidad de Hamburgo en Alemania, proporciona programas que le demuestran al visitante de una manera interactiva visual el comportamiento de los circuitos lógicos que acabamos de ver. En la siguiente dirección:

http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/hades
______/webdemos/10-gates/00-gates/basic.html

podemos "cambiar" las entradas de las compuertas lógicas y ver de inmediato cómo cambia la salida de las mismas.

Aún otro sitio muy interesante de visitar, en el cual el usuario también se puede divertir "jugando" un buen rato con compuertas lógicas simuladas como las que exhibe el enlace anterior, es el siguiente sitio mantenido por el Profesor Constantinos E. Efstathiou, Director del Laboratorio de Química Analítica de la Universidad Nacional y Kapodristiana de Atenas:

http://www.dst-corp.com/James/LogicPrimer/Gates.html

En esta página del Profesor Efstathiou, los simuladores lógicos aparecen del lado derecho de la pantalla, en donde las opciones para simular las compuertas elementales que hemos visto son obtenidas del menú "Circuits" bajo las opciones "Gates 1" y "Gates 2" (hay otras opciones, las cuales serán tratadas en su debido momento en otros capítulos de este libro cuando el lector esté lo suficientemente familiarizado con el comportamiento de las tres funciones lógicas básicas).

Los enlaces proporcionados seguían siendo válidos al momento de ser publicada esta obra en Internet a principios de 2008. Desafortunadamente, no existe enlace alguno en Internet cuya vida esté garantizada a largo plazo. De cualquier modo, en caso de que desaparezcan algunos de los enlaces arriba citados, siempre hay la posibilidad de que los programas anteriormente recomendados se puedan encontrar en otros sitios o inclusive de que se pueda encontrar programas mejores que los ya señalados. Todo es cuestión de utilizar una buena maquinaria de búsqueda como Google.

Aunque no desempeña ninguna función lógica de ningún tipo, un componente que aparece con cierta frecuencia en el mundo de la lógica digital como indicador luminoso para proporcionar algún tipo de información visual al usuario es el diodo emisor de luz (light emitting diode ó LED):

el cual no sólo es un diodo en el sentido técnico dado a la palabra (un componente en el cual la corriente eléctrica puede fluír únicamente en un sentido pero no en el sentido contrario) sino que además es capaz de emitir luz de cierto color cuando se le aplica un voltaje con la polaridad correcta (con la polaridad del voltaje invertida, el LED no conducirá corriente alguna ni emitirá luz alguna). El diodo LED generalmente se construye con una terminal más corta (denominada cátodo ó terminal -) que la otra (denominada ánodo ó terminal +). A continuación tenemos un LED junto con el símbolo con el cual se le representa en los diagramas esquemáticos:

El diodo emisor de luz LED está disponible en varios colores, ya sea rojo, verde, azul, ó ambar como el que tenemos a continuación:

El esquema más sencillo para "encender" un diodo emisor de luz LED con una batería común y corriente E es el siguiente, en el cual basta con aplicarle el voltaje de la batería poniendo atención en la polaridad apropiada:

La resistencia R mostrada en el esquemático tiene como principal objetivo limitar la magnitud de la corriente eléctrica impidiendo que haya un corto circuito que dañaría al componente y al sistema, pero también tiene como objetivo fijar el valor de la corriente con la cual el LED podrá emitir su mayor brillo posible sin dañarse. Por no ser el diodo LED un diodo ideal sino un diodo real (el diodo ideal es aquél que al estar polarizado en un sentido actúa como un circuito abierto y al estar polarizado en el sentido inverso actúa como un circuito cerrado sin pérdidas de voltaje a través del mismo), cuando un diodo LED está conduciendo existe una pequeña caída de voltaje constante V_F (forward voltage) a través del mismo, la cual tiene que ser restada del voltaje de la batería E para determinar la magnitud de la corriente eléctrica que fluirá a través del mismo según la fórmula en el esquemático.

Una gran ventaja de los diodos emisores de luz LED es que por la relativamente pequeña cantidad de corriente eléctrica que requiren para "encenderse" se pueden conectar directamente a la salida de un circuito lógico ya sea para indicar una salida de "0" ó una salida de "1". Hay dos formas en las cuales se puede llevar a cabo la conexión, indicadas en los siguientes dibujos:

En el diagrama (1) de la izquierda, cuando la salida del NAND es "1" en realidad este componente estará poniendo un voltaje de algo así como unos +5 volts directamente a la entrada del diodo LED, y como el otro extremo del LED está conectado a través de la resistencia R al nivel de "0" ó "tierra eléctrica" (GND) estará polarizado justo en la forma correcta para "encender" indicando la presencia del "1" lógico a la salida del NAND. La resistencia R es utilizada para impedir un "corto-circuito" eléctrico y limitar la magnitud de la corriente justo a lo que requiere el diodo LED para poder encender adecuadamente. Y si la salida del NAND es "0" en realidad este componente no estará poniendo ningún voltaje a su salida que será de cero volts, con lo cual con ambos extremos del LED estará conectados a "tierra", con lo cual el LED estará apagado, indicando la presencia de un "0" lógico. En lo que respecta al diagrama (2) de la derecha, cuando la salida del NAND es "1" estará poniendo un voltaje de +5 volts en una terminal del LED, y como la otra terminal del LED también está conectada al mismo voltaje de +5 volts el LED no conducirá corriente eléctrica alguna permaneciendo apagado, ya que para poder "encender" el diodo LED tiene que tener su ánodo conectado a un "1" lógico y su cátodo conectado a un "0" lógico para que la corriente eléctrica pueda fluír en la dirección indicada por la flecha de su símbolo; no puede encender con ambas terminales conectadas a un "1" lógico. Por otro lado, cuando la salida del NAND es un "0" lógico, esto polariza al LED en la forma correcta y la corriente eléctrica puede fluír de "1" a "0" entrando por la terminal de salida del NAND. (No hay ninguna contradicción en que la terminal de salida del NAND actúe al mismo tiempo como una entrada de corriente eléctrica, ya que una cosa es el voltaje de cero volts puesto a la salida y otra cosa es la corriente eléctrica que le puede entrar a través de su terminal de salida; recuérdese siempre que los "ceros" y "unos" están definidos en función de la presencia o la ausencia de un voltaje.) La principal diferencia entre el circuito (1) de la izquierda y el circuito (2) de la derecha es que en el circuito de la izquierda el LED se enciende cuando la salida del NAND es "1" y se apaga cuando la salida del LED es "0", mientras que en el circuito de la derecha el LED se apaga cuando la salida del NAND es "1" y se enciende cuando la salida del NAND es "0".

Posiblemente una de las aplicaciones más útiles que pueda tener un diodo emisor de luz LED para el técnico especializado en dar mantenimiento a sistemas digitales sea en la construcción de la herramienta fundamental utilizada por dichos técnicos: la punta de prueba lógica (logic probe), como la siguiente:

Este tipo de puntas de prueba generalmente tienen dos diodos emisores de luz LED, uno para indicar una condición lógica de "0" (LOW ó LO) y el otro para indicar una condición lógica de "1" (HIGH ó HI). Generalmente no requieren de alguna fuente de energía interna (baterías), ya que toman su energía directamente del mismo circuito que está siendo analizado a través de unas terminales de tipo "caimán" (alligator clips). En la punta de prueba mostrada arriba, la terminal caimán de color rojo se conecta al polo positivo (+) de la fuente de poder, mientras que la terminal caimán de color negro se conecta al polo negativo (-) de la fuente. El interruptor selector en esta punta de prueba identificado como "TTL/CMOS" sirve para escoger los niveles adecuados de voltaje y corriente según sea la familia lógica a la cual pertenezca el componente que está siendo analizado, ya sea TTL ó CMOS (véase el Suplemento # 1: Las familias lógicas).

Aunque en manos de un técnico experto la punta de prueba lógica arriba mostrada sirve admirablemente para el análisis, diagnóstico y reparación de la gran mayoría de los sistemas digitales en uso comercial hoy en día, para ciertas aplicaciones sumamente especializadas en donde el presupuesto no es ningún problema existen otras puntas de prueba mucho más refinadas que en realidad son puntas de prueba lógicas sólo de nombre, ya que por su complejidad se trata en realidad de instrumentos de medición de alta precisión, como la "punta de prueba lógica" LogicDart de Hewlett-Packard:

Quizá lo más interesante de todo esto es que para la construcción de la "punta de prueba lógica" LogicDart utilizada para el mantenimiento de sistemas digitales basados ultimadamente en las tres funciones lógicas básicas se utilizaron circuitos integrados basados también ultimadamente en las tres funciones lógicas básicas.