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Descripción

La puerta lógica AND nos permite hacer manipulaciones de bits. Aprenderemos su funcionamiento y la utilizaremos para habilitar / deshabilitar señales

Colección

Academia-Jedi-HW-11.zip: Colección para este tutorial. Descargar e instalar

Contenido

• Introducción
• La puerta AND
• Tabla de verdad
• Ejemplo 1: Pulsadores y puerta AND
• Ejemplo 2: Habilitando / Deshabilitando una señal
• Funcionamiento de la habilitación
• Ejemplo 3: Combinando con puertas NOT
  • Experimento 1: Cambiando el estado inicial del LED
  • Experimento 2: Parando la ráfaga con el pulsador
• Ejemplo 4: Emisión periórica de ráfagas
• Ejercicios propuestos (14 Bitpoints)
• Ejercicios entregados
  • Fernando Coladas
  • Joaquín Cubillo
  • Manuel Andújar
• Autor
• Licencia
• Enlaces
• FAQs

Introducción

Vamos a aprender a manejar un elemento nuevo que nos permite manipular bits: la puerta AND. En realidad ya la conocemos, del juego del circuit Scramble. En el nivel 1 había 3 puertas AND. Nos fijamos sólo en una: la que está conectada a los dos pulsadores de la izquierda

Las puertas AND tiene dos entradas y una salida. Inicialmente, los botones están sin pulsar, por lo que por las entradas están a 0. Y la salida también a 0

Al activar el pulsador, una de las entradas se pone a 1, pero la otra sigue estándo a 0, por lo que la salida también está a 0. No se activa

Al activar el segundo pulsador, se introduce también un 1 por la segunda y entrada y ahora sí, la puerta AND se abre y sale un 1 por la salida. Decimos que la puerta se ha activado

En esta animación vemos lo que ocurre en todos los casos posibles: Ningúna entrada activada, sólo la de la izquierda, las dos dos y sólo la de la derecha

El funcionamiento es fácil de intuir: sólo cuando están activas las dos entradas, la salida se activa. De lo contrario permanecerá desactivada (0). O visto de otra manera: siempre que alguna entrada esté desactivada (0), la salida estará desactivada (0)

La puerta AND

La AND es una de las tres puertas lógicas básicas, que nos permiten manipular y combinar bits. El símbolo usado para su representación en los circuitos digitales es este:

Aunque la palabra AND se omite. En los bloques que usamos en Icestudio la mantendremos para que sea más fácil reconocerla

La puerta AND tiene dos entradas y una salida. La manera de describir su funcionamiento es mostrando su respuesta a todas las posibles entradas:

Cuando llega a un 1 por una entrada, decimos que la entrada está activada, y cuando sale un 1 decimos que la puerta AND se activa. Observando todos los casos, vemos que la puerta AND se activa cuando su entrada superir está activada Y su entrada inferior también. La operación que realiza es un "Y", y su interpretación es: "Activo la salida si esto está activado Y esto está activado"

Tabla de verdad

El funcionamiento de las puertas lógicas, así como el de los circuitos combinaciones sencillos (que veremos más adelante), se describen mediante tablas de verdad. Son tablas en las que se pone cuál es la salida del circuito ante todas las posibles entradas

En una puerta AND con dos entradas, sólo hay 4 combinaciones posibles de las entradas, por eso la tabla tiene 4 filas. En la izquierda están las entradas y a la derecha la salida

Ejemplo 1: Pulsadores y puerta AND

Para empezar a practicar con puertas And vamos a crear la versión Hola mundo: conectaremos los dos pulsadores de la Icezum Alhambra, SW1 y SW2, a las entradas de una puerta AND, y su salida al LED 0

Colocamos dos bloques de entrada en la parte izquierda, y un bloque salida en la derecha, como ya sabemos hacer

La puerta AND se encuentra en el menú Puertas/and

Seleccionamos las puerta AND y la colocamos

Ahora ponemos los cables. Ya tenemos nuestro hola mundo listo

Lo cargamos en la placa para probarlo. Inicialmente, como están los dos pulsadores sin apretar, el LED 0 estará apagado

Si apretamos el pulsador izquierdo, el LED 0 seguirá estando apagado

y lo mismo si sólo apretamos el pulsador derecho: el LED 0 estará apagado

Sólo cuando apretamos el pulsador izquierdo Y el derecho, el LED se enciende

¡Ya tenemos nuestro circuito con la puerta AND funcionando!

En esta animación se puede ver el funcionamiento de todos los casos

Ejemplo 2: Habilitando / Deshabilitando una señal

La puerta AND es un componente fundamental, que se usa muchísimo. Una de sus aplicaciones es utilizarla para habilitar o deshabilitar señales. En este ejemplo haremos que el LED 0 emita una ráfaga de parpadeos cuando se apriete el pulsador SW1

Partimos de un circuito que emite una ráfaga a una frecuencia de 5Hz, usando el corazón

Lo cargamos en la placa y obervamos la ráfaga. Está continuamente funcionando

Ahora queremos poder controlar la ráfaga, habilitándola sólo cuando se apriete el pulsador, y apagándola en caso contrario. Eso lo logramos añadiendo una puerta AND, en un circuito como el siguiente:

Cargamos y observamos el funcionamiento en la placa:

Funcionamiento de la habilitación

Nos basaremos en el ejemplo anterior para explicar cómo funciona la habilitación. Su funcionamiento está descrito por la tabla de verdad de la puerta AND, que reescribimos así:

Cuando el pulsador no está apretado, por la entrada de la AND donde está conectado llega un 0. Mirando la tabla, vemos que hay dos casos en los que el pulsador es cero, la fila 0 y la fila 2. En ambas, la salida es cero, y por tanto el LED está apgado. Da igual el valor que tenga el coraźon: 0 ó 1. El LED estará apagado

Este es lo que tenemos cuando el pulsador NO está apretado. La salida del corazón es un valor X, que puede ser 0 ó 1. Nos da igual, porque la salida de la AND será 0. En ese caso, el circuito equivalente es el mostrado en la figura

Ahora analizamos el caso en el que el pulsador está apretado. Se corresponde con las filas 1 y 3

En la fila 1, vemos que el corazón está a 0, y por la salida sale un 0. En la fila 3 vemos que el corazón está a 1, y por la salida se obtiene un 1. Es decir, que lo que sale por la AND es la señal del corazón

En este caso, el circuito equivalente es este:

Ejemplo 3: Combinando con puertas NOT

En este ejemplo añadiremos puertas NOT para modificar el comportamiento del ejemplo anterior

Experimento 1: Cambiando el estado inicial del LED

En el ejemplo anterior, el LED 0 está apagado, y al apretar el pulsador comienza la ráfaga. Lo modificaremos para que el LED 0 esté encendido inicialmente, en vez de apagado. Esto lo logramos añadiendo un puerta NOT a la salida de la AND:

Cargamos el ejemplo. Su funcionamiento es como el mostrado en esta animación:

Cuando el pulsador no está apretado, el LED está encendido, en vez de apagado. Esto lo comprobamos mirando los bits que circulan por el circuito

Al NO estar apretado el pulsador, emite un 0, que llega a la AND. Con independencia de lo que esté saliendo por el corazón, por la AND saldrá siempre un 0, que al llegar a la puerta NOT se convierte en un 1 y el LED se enciende

Al apretar el pulsador, a la AND le entra un 1 y lo que sale por el corazón llegará hasta el LED a través de la puerta NOT, observándose la ráfaga

Experimento 2: Parando la ráfaga

En este experimento haremos que la ráfaga esté emitiéndose hasta que se aprieta el pulsador, momento en el que el LED se apaga. Al soltar el pulsador la ráfaga continua

Esto lo logramos colocando una puerta NOT detrás del pulsador

Cargamos el circuito para probarlo. Se comportará de la siguiente manera:

Cuando se aprieta el pulsador, se envía un 1, que al pasar por la NOT se convierte en un 0 y hace que la puerta AND se desactive, apagando el LED. Hasta que no se suelte el pulsador, no se podrá activar la AND para que aparezca la ráfaga

Ejemplo 4: Emisión periódica de ráfagas

Haremos que se envíe la ráfaga de manera intermitente. Durante 2 segundos habrá ráfaga, y durante los siguientes 2 segundos el LED estará apagado. Esto se repite indefinidamente

Para ello ponemos el corazón de 5Hz para generar las ráfagas, y uno de 1Hz que atraviesa dos tortugas para sacar un bit 1 durante 2 segundos y un bit 0 durante los 2 segundos siguientes. Ambas señales las pasamos por una puerta AND

Lo cargamos para ver su funcionamiento:

El funcionmiento es igual que en el caso del pulsador, pero ahora, cada 2 segundos llega un 0 por la pata inferior de la AND, haciendo que el LED se apague. Transcurridos 2 segundos llega un 1, y la ráfaga puede llegar hasta el LED

Ejercicios propuestos (14 BitPoints)

Ver los detalles de los ejercicios y las entregas en el menú Archivos/Ejemplos/2-Ejercicios de la colección de este tutorial

Resumen:

• Ejercicio 1 (Total 3 Bitpoints): Hacer un circuito digital que deje el servo en una posición. Al apretar los dos pulsadores a la vez, SW1 y SW2, el servo se debe mover a otra posición. Si no están apretados a la vez, volverá a la posición inicial

• Ejercicio 2 (Total 3 Bitpoints): Hacer un circuito digital para controlar un limpiaparabrisas de un coche. Inicialmente estará parado. Al apretar el pulsador SW1 se moverá de lado a lado a la frecuencia de 1Hz. Al soltar el pulsador se parará

• Ejercicio 3 (Total 5 Bitpoints): Hacer un circuito digital para que la cabeza de Franky gire automáticamente cada 2 segundos de un lado hacia otro. Cuando esté mirando hacia uno de los lado, sus ojos deben emitir una ráfaga de 10Hz. Cuando está en la otra posición deben permanecer encendidos

• Ejercicio 4 (3 Bitpoints). Ejercicio Libre. Premiar la creatividad. Entregar por redes sociales o github: Pantallazos, enlaces, vídeos, etc...

Ejercicios entregados

Fernando Coladas

Ejercicio 1

• Vídeo en Youtube:

Ejercicio 2

• Vídeo en Youtube:

Ejercicio 3

• NOTA: Este ejercicio tiene una errata. Se pide que en una posición de la cabeza de Franky los leds emitan una ráfaga y en la otra estén encendido. Falta añadir una puerta NOT a la salida de la AND

• Vídeo en Youtube:

Ejercicio 4

• Vídeo en Youtube:

Joaquín Cubillo (jcubilloarr)

Ejercicio 1

• Vídeo en Youtube:

Ejercicio 2

• Vídeo en Youtube:

Ejercicio 3

• Vídeo en Youtube:

Ejercicio 4

• Vídeo en Youtube:

Manuel Andújar

Ejercicio 1

• Vídeo

Ejercicio 2

• Vídeo

Ejercicio 3

• Vídeo

Autor

• Juan González-Gómez (Obijuan)

Licencia

Créditos y agradecimientos

Enlaces

• Repositorio con las colecciones de la Academia Jedi de Hardware
• BricoGeek. Tienda Friki donde comprar componentes electrónicos
• Repositorio de la Icezum Alhambra
• Documentación de la Icezum Alhambra: (PNG)(SVG)(PDF)
• Icestudio
• Monedas Bit imprimibles
• Printbot Beetle
• Ultimate Gripper
• Pinza paralela
• Robot Educativo Zowi
• Qué es PWM y para qué sirve. Entrada en el bloq de Rincón Ingenieril

FAQs

• ¿Dónde puedo conseguir la placa Icezum Alhambra?

Pueden conseguir una desde Alhambrabits

• ¿Dónde puedo comprar material electrónico?. Hay muchos sitios. Uno muy bueno es Bricogeek

• ¿Cómo aprendo a manejar github?

Hay mucha información en internet. En su momento hice este Tutorial: Github y FreeCAD para enseñar a manejarlo. Los ejemplos están hechos con ficheros de FreeCAD, sin embargo, lo que se enseña es genérico. También vale para las entregas de los ejercicios del tutorial de Electrónica digital para makers

• Los pulsadores de la Icezum Alhambra no me funcionan

Eso es debido a que se han metido restos de flux y no hacen buen contacto. En el apartado ¡No me funcionan los pulsadores! del Tutorial 9 se indica cómo solucionarlo fácilmente

• ¿Dónde puedo encontrar más información sobre las señales PWM?

Echa un vistazo a este post de Rincón Ingenieril sobre el tema