Metodo De Reduccion De Mapas De Karnaugh 2c83d
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1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH.
En el capítulo anterior se resolvieron problemas que dependiendo del número de términos que tenía la función canónica, el número de compuertas lógicas utilizadas es igual al número de términos obtenidos MAS UNO, por lo tanto, los circuitos obtenidos son de dos niveles con un tiempo mínimo de retardo, pero que de ninguna manera es el más sencillo ni el más económico. El objetivo de este capítulo es dar a conocer la mayoría de los métodos utilizados para minimizar funciones canónicas y así poder construir un circuito con menor número de compuertas. Los métodos utilizados para la minimización de funciones Booleanas son: El algebraico, para lo cual se utilizan los postulados y teoremas del álgebra de Boole y el método gráfico de Karnaugh.
2.1
Minimización por mapas de Karnaugh.
Los mapas de Karnaugh es uno de los métodos más prácticos. Se puede decir que es el más poderoso, cuando el número de variables de entrada es menor o igual a seis; más allá, ya no es tan práctico. En general, el mapa de Karnaugh se considera como la forma gráfica de una tabla de verdad, o como una extensión del diagrama de Venn. Antes de explicar como se utiliza el mapa de Karnaugh en la minimización de funciones, veremos como se obtiene el mapa. Esto nace de la representación geométrica de los números binarios. Un número binario de n bits, puede representarse por lo que se denomina un punto en un espacio N. Para entender lo que se quiere decir con esto, considérese el conjunto de los números binarios de un bit, es decir, 0 y 1. Este conjunto puede representarse por dos puntos en un espacio 1; esto es, por dos puntos unidos por una línea. Tal representación se denomina un cubo 1. De la Figura 2.1 se observa que el cubo 1 se obtuvo proyectando al cubo 0 y que el cubo 2 se obtendrá proyectando al cubo 1. De la Figura 2.2.(a), se observa que al reflejarse el cubo 1 se obtiene un cuadrilátero cuyos vértices representan un número binario. Estos números se obtienen al agregar un 0 a la izquierda de los vértices del cubo que se refleja y un 1 a la izquierda de los vértices del cubo reflejado. Del cubo 2 se observa que se obtienen cuatro vértices, los cuales corresponden a la combinación de dos variables (22=4), pero si se sigue la trayectoria indicada en la Figura 2.2.(b), se podrá observar que al pasar de un vértice al otro, existe un solo cambio, lo que da lugar a un código especial, debido a que no sigue la formación del código binario. Más adelante le daremos un nombre a este código. A
B
0
0
0
1
1
1
1
0
Ahora, si a cada vértice del cubo 2 se le asigna un casillero, se tendrá la siguiente Figura 2.3.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
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1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
De la Figura 2.3.(b), si proyectamos el cubo 2, obtendremos el cubo 3, el cual se muestra en la Figura 2.4. De la Figura 2.4.(4b), si seguimos la trayectoria marcada por las flechas, obtendremos la tabla de la Figura 2.4.(c), en donde de un carácter a otro existe un solo cambio; otra característica de la tabla, es el reflejo que existe entre los caracteres 1-2 y 5-6 de la columna C y el reflejo entre los caracteres 2-3-4 -5 en la columna B. El reflejo que existe siempre es con respecto al eje central de simetría. Ahora que tenemos el cubo 3, podemos obtener la representación en la forma de la Figura 2.3.(a), (b) y (c), lo cual se logra haciendo un corte al cubo 3, como se muestra en la Figura 2.5. El levanta miento del cubo 3, a partir de la Figura 2.5, se muestra en la Figura 2.6. Ahora, si asignamos una área a cada punto, como se muestra en la Figura 2.7, se obtendrá la representación que se denomina mapa del cubo N, que en este caso fue desarrollado para un cubo 3.
Como se tienen ocho casilleros, éstos corresponden a la combinación de tres variables, las cuales pueden ser A, B y C, siendo A la más significativa y C la menos significativa, por lo que la tabla funcional para la primera tabla corresponde al código binario y la otra corresponde al código especial, que en realidad de conoce como código de GRAY o código reflejado. Como veremos, ambos códigos están implícitos en el mapa de Karnaugh.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
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1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
CÓDIGO DEC
BINARIO
GRAY (o reflejado)
A
B
C
G1
G2
G3
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
2
0
1
0
0
1
1
3
0
1
1
0
1
0
4
1
0
0
1
1
0
5
1
0
1
1
1
1
6
1
1
0
1
0
1
7
1
1
1
1
0
0
Si observamos el mapa de la Figura 2.8.(d), cada casillero tiene asignado un número, el cual corresponde a un número del código binario. De la misma figura pero del inciso (e), si seguimos la trayectoria marcada por las flechas, cada número representa a un carácter del código Gray. En la tabla anterior, se muestran las tablas de cada uno de los códigos mencionados.
2.2
Procedimiento para minimizar una función por mapas K
En forma definitiva, el mapa que se utilizará para la minimización de funciones booleanas con tres variables, será el que se muestra en la Figura 2.9.(d). A continuación explicaremos la forma como se utilizará este mapa. Los pasos a seguir serán los mismos para cualquier mapa, no importa cual sea el número de variables. 1.
De la definición del problema y de la tabla funcional se obtiene la función canónica.
2.
Los minitérminos o maxitérminos de la función canónica se trasladan al mapa K. Se coloca un 1 si es minitérmino y 0 si es maxitérmino.
3.
Se realizan los enlaces abarcando el mayor número de términos bajo los siguientes criterios: a).
El número de términos que se enlazan (agrupan) deben seguir la regla de formación binaria, es decir, de 1 en 1, de 2 en 2, de 4 en 4, de 8 en 8, etc.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
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1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
b).
Al agrupar los términos, se debe cuidar la simetría con los ejes centrales y secundarios (ver figura adjunta). 4.
El hecho de que se haya tomado un término para un enlace no quiere decir que éste mismo no pueda utilizarse para otros enlaces.
5.
La función reducida tendrá tantos términos como enlaces se hayan realizado.
6.
Para obtener el término reducido se realizan dos movimientos sobre el mapa, uno vertical, que barre a las variables más significativas y uno horizontal, que barre a las variables menos significativas.
7.
Se aplican los siguientes postulados y teoremas:
EJEMPLO 1.
Diseñar un circuito que detecte los números pares para una combinación de 3 variables de entrada. SOLUCIÓN
a)
Diagrama de bloques. El diagrama a bloques se presenta en la figura adjunta.
b)
Tabla funcional. Para propósitos del problema, se considera al 0 como un número par. DEC
A
B
C
Z
0 1 2 3 4 5 6 7
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1
0 0 1 0 1 0 1 0
c)
Función canónica. De la tabla funcional, se tiene:
d)
Reducción por mapas K. La figura adjunta muestra los minitérminos de la función de conmutación y los enlaces correspondientes.
e)
Obtención de la función reduR. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
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1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
cida. Del mapa, se observa que existen dos enlaces; por tanto, la función reducida tendrá dos términos, de acuerdo con el paso 5 del procedimiento de reducción. Para cada enlace, se realiza el barrido para cada una de las variables. Por orden, es conveniente iniciar con la variable de mayor peso binario, en este caso A. Como se muestra en la figura adjunta, al realizar el barrido, una parte del enlace (1), el elemento 6, se encuentra dentro del barrido y otra, el elemento 2, fuera de él. Esto indica que se tiene
A • A = 0 , por lo que esa variable no participa, se elimina del término reducido. Para mayor claridad, tomemos la suma de los minitérminos 2 y 6:
Como puede verse, la variable A se elimina del término reducido. La figura adjunta presenta el barrido de B. En este caso, el enlace (1) está contenido dentro del barrido, lo cual corresponde a B • B = B , lo que significa que esta variable forma parte del término reducido. Finalmente, el barrido de la variable C, de menor peso binario, es horizontal y se muestra en la siguiente figura. Claramente se observa que el enlace (1) está fuera del barrido, es decir se encuentra en , indicando que dicha variable forma parte del término reducido. El término reducido, correspondiente al enlace (1) es: Siguiendo el mismo procedimiento y apoyándonos en las tres figuras previas, se encuentra que para el enlace (2) el término reducido es . La función reducida en este primer ejemplo es:
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
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1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
f)
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
El logigrama queda:
EJEMPLO 2.
Colector automático de peaje. Se han introducido colectores automáticos de peaje en diversas casetas de autopistas para acelerar el flujo del tráfico. Se nos pide construir un circuito lógico que sea parte del colector automático. Este circuito es para contar la cantidad de monedas que han sido colocadas en el colector. Si se depositan 15 pesos (únicamente monedas de cinco y diez pesos), entonces se enciende una luz de pasa (color verde) y se envía una señal al colector para recolectar las monedas; de otra manera, la luz de alto (color rojo) permanecerá encendida. SOLUCIÓN
Examinando el planteamiento del problema, se observa que hay dos señales de entrada y una señal de salida. C = Número de monedas de cinco pesos depositadas. D = Número de monedas de diez pesos depositadas. Z = Comando para la señal luminosa y el control de recolección. Estas variables tomarán los siguientes valores enteros y lógicos. 0#C#3 0#D#1 Z=0 Z=1
Número de monedas de cinco pesos. Número de monedas de diez pesos. No contiene los 15 pesos (luz roja). Si contiene los 15 pesos (luz verde).
Ahora, se puede decodificar la información como sigue: C = [c1,c2] ;[0,0] cero pesos [0,1] cinco pesos [1,0] diez pesos [1,1] quince pesos ;[0] cero pesos D = [d1] [1] diez pesos
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
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1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
a)
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Tabla funcional: DEC
c1
c2
d1
Z
0 1 2 3 4 5 6 7
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1
0 0 0 1 0 1 1 1
Una moneda de 5 y una de 10 Dos monedas de 5 y una de 10 Tres monedas de 5 Tres monedas de 5 y una de 10
De la tabla funcional, se observa que Z = 1 si el número de monedas de 5 y 10 pesos suman 15 o más pesos, en caso contrario será igual a cero. Cuando ocurren las combinaciones 5 y 7, quiere decir que el conductor ha depositado monedas de más, lo que le dará la señal de siga, pero no le devolverán ningún cambio. b)
Función canónica: Considerando la tabla funcional, se puede expresar a Z como una función de minitérminos, en la forma:
c)
Reduciendo por mapas K:
d)
Siguiendo el mismo procedimiento del ejemplo anterior para cada uno de los enlaces del mapa K, se obtiene la siguiente función reducida:
e) De la función reducida, obsérvese que ésta se complementó 2 veces y después se aplicó uno de los complementos, de tal manera que cada uno de los términos puede generarse por medio de una compuerta No Y. Por tanto, el logigrama se presenta en la figura adjunta.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
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1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
EJEMPLO 3. Un contador digital contiene un registro de 3 bits. El contador cuenta desde 0 = [0 0 0] hasta 7 = [1 1 1], se restablece y empieza la cuenta nuevamente. Este contador se usa, como se muestra en el diagrama a bloquea adjunto, para generar tres señales de control C1, C2 y C3. Estas señales toman un valor de 1, de acuerdo con las siguientes condiciones: C1 = 1 para una cuenta de 0, 1, 3, 5 y7 C2 = 1 para una cuenta de 0, 3, 5 y 6 C3 = 1 para una cuenta de 0, 3, 4 y 7 Diseñe un circuito lógico que genere C1, C2 y C3. SOLUCIÓN a)
b)
Tabla Funcional: Para este caso en particular, no es necesario realizar la tabla funcional, ya que las condiciones del problema definen claramente para qué valores de entrada las funciones de salida tienen un valor de 1; es decir, los minitérminos asociados a cada función de salida. Sin embargo, por procedimiento, siempre es conveniente realizar la tabla funcional: X3
X2
X1
mi
C1
C2
C3
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1
0 1 2 3 4 5 6 7
1 1 0 1 0 1 0 1
1 0 0 1 0 1 1 0
1 0 0 1 1 0 0 1
Funciones lógicas de conmutación de las variables de salida:
∑ )= ∑ )= ∑
C 1 (X 3 , X 2 , X 1 ) =
m (0,1,3,5,7)
C 2 (X 3 , X 2 , X 1
m (0,3,5,6)
C 3 (X 3 , X 2 , X 1
m (0,3,4,7)
c)
La figura adjunta muestra los mapas de Karnaugh para C1, C2 y C3.
d)
De los mapas K, se obtienen las funciones reducidas siguientes:
C1 = X 1 + X 3 X 2 (1)
(2)
C 2 = X 3 X 2 X1 + X 3 X 2 X1 + X 3 X 2 X1 + X 3 X 2 X1 (1) (2) (3) (4)
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
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1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
C 3 = X 2 X1 + X 2 X1 = X 2 ⊕ X1 (1)
(2)
De la expresión C2, se observa que no existen enlaces en el mapa. Por lo tanto, no se obtiene una función reducida, pero empleando el método algebraico, vemos que existe minimización por exclusividad. El siguiente desarrollo muestra el procedimiento para la reducción de C2 a expresiones de exclusividad:
C 2 = X 3 (X 2 X 1 + X 2 X 1 ) + X 3 (X 2 X 1 + X 2 X 1 ) = X 3 (X 2 ⊕ X 1 ) + X 3 (X 2 ⊕ X 1 ) = = X 3 ⊕ (X 2 ⊕ X 1 ) = X 3 ⊕ X 2 ⊕ X 1 e)
El logigrama correspondiente a las funciones reducidas C1, C2 y C3, se muestra en la siguiente figura:
2.3
Mapas de Karnaugh para 4 variables.
Hasta ahora se ha utilizado el mapa de Karnaugh para minimizar funciones de tres variables. A continuación se usará el mapa de Karnaugh para 4 variables. El mapa K para 4 variables se obtiene proyectando el mapa de tres variables. Cuando el número de variables es par proyectamos hacia abajo y cuando es impar proyectamos hacia la derecha. La Figura 2.10.(a) muestra la proyección del cubo 3, para generar el cubo 4.Obsérvese que al cubo que se proyecta se le agrega un 0 a la izquierda y al proyectado un 1 a su izquierda. Dentro de cada celda se indica el valor binario asociado a ella, el cual se obtiene sustituyendo los valores binarios correspondientes a cada variable. Sustituyendo los valores binarios por su decimal equivalente, se obtiene el mapa de Karnaugh de 4 variables, el cual se usará posteriormente para minimizar funciones de conmutación de 4 variables. Este mapa se muestra en la Figura 2.10.(b). Para obtener el código de Gray para 4 variables, se traza la greca de Gray en el mapa de la Figura 2.10.(c). Obsérvese que se inicia en la celda 0, hacia abajo hasta la celda 2, a la derecha a la celda 6, arriba hasta la celda 4, a la derecha a la celda 12, hacia abajo hasta la celda 14, a la derecha a la celda 10 y hacia arriba hasta la celda 8.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
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1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Siguiendo la greca de Gray, se obtiene el código de Gray, como se muestra en la siguiente tabla, donde también se presenta la relación entre los códigos binario y Gray.
BINARIO
GRAY
miD
A
B
C
D
miG
G3
G2
G1
G0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0
0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0
Tabla del código binario y de Gray.
EJEMPLO 4.
Utilizando el mapa de Karnaugh, determine las realizaciones mínimas de suma de productos de las siguientes funciones:
∑ F(A,B, C,D) = ∑ F(A,B, C,D) = ∑
a) F(A,B, C,D) =
m (0,4,6,10,11,13)
b)
m (3,4,6,7,11,12,14,15)
c)
m (1,3,6,8,9,11,15) +
∑
x (2,13)
SOLUCIÓN A continuación se presentan los mapas K para cada inciso, así como las funciones mínimas, siguiendo el procedimiento establecido anteriormente.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
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1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
F(a) = ABD + ABD + ABC + ABCD (1)
(2)
(3)
(4)
F(b) = ABC + ABC + CD (1)
(2)
(3)
F(c) = ABC + BD + CD + AD (1)
PROBLEMA 5.
(2) (3) (4)
Se desea diseñar un circuito lógico de dos salidas y cuatro entradas que efectúe sumas en módulo 4. La tabla de suma, para la suma en módulo 4, se muestra en la siguiente tabla. Por ejemplo, (3+3)MOD 4 = 2. En consecuencia, se anota un 2 en la hilera 3, columna 3 de la tabla, y así sucesivamente. Los números de entrada se deben codificar en binario, en donde un número de entrada está dado por X2X1 y el otro por Y2Y1. La salida también se codifica como un número binario Z2Z1. Es decir, Z2Z1 = 00 si la suma es cero; 01 si la suma es 1; 10 si la suma es 2 y 11 si la suma es 3. X Y
0
1
2
3
0
0
1
2
3
1
1
2
3
0
2
2
3
0
1
3
3
0
1
2
a). Determine una expresión Booleana mínima para Z1. b). Determine una expresión Booleana mínima para Z2. c). Dibuje el logigrama para Z1 y Z2. R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-38
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
SOLUCIÓN En este caso nos ahorramos la tabla funcional, puesto que podemos sustituir los valores directamente de acuerdo a la tabla de la suma de módulo 4. SUMA
Z2
Z1
0 1 2 3
0 0 1 1
0 1 0 1
Para poder trasladar los valores de la tabla anterior a un mapa K de 4 variables, se deben invertir las columnas para X = 2 y X = 3, así como las filas Y =2 y Y = 3, como se muestra en la siguiente tabla: X
0
1
2
3
0
0
1
3
2
1
1
2
0
3
2
3
0
2
1
3
2
3
1
0
Y
Ahora sí hay coincidencia entre la tabla anterior y el mapa K. La figura adjunta, muestra los valores de Z, en el mapa K, en función de X e Y. Del mapa anterior se observa que están implícitas Z2 y Z1. Por lo tanto, para poder determinar las funciones de Z2 y Z1, lo trataremos en forma individual. Realizando los mapas para Z2 y Z1, se tiene:
D e l o s mapas anteriores, se obtienen las siguientes funciones mínimas, las cuales se reducen a relaciones de EXCLUSIVIDAD. Asimismo, se presenta el logigrama para Z2 y Z1.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-39
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Z 2 = X 2 X 1 Y2 + X 2 X 1Y2 + X 2 Y2 Y 1 + X 2 Y 2 Y 1 + X 2 X 1 Y 2 Y1 + X 2 X 1Y2 Y1 = (1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
= X 1 (X 2 Y2 + X 2 Y 2 ) + Y 1 (X 2 Y2 + X 2 Y 2 ) + X 1Y1 (X 2 Y 2 + X 2 Y2 ) = = X 1 (X 2 ⊕ Y2 ) + Y 1 (X 2 ⊕ Y2 ) + X 1Y1 (X 2 ⊕ Y2 ) = = (X 1 + Y 1 )(X 2 ⊕ Y2 ) + X 1Y1 (X 2 ⊕ Y2 ) = X 1 Y1 ⊕ (X 2 ⊕ Y2 ) Z 1 = X 1 Y 1 + X 1Y1 = X 1 ⊕ Y1 (1) (2)
2.4 Mapas de Karnaugh de 5 variables. Recordemos que para construir el mapa de 5 variables, debe proyectarse el mapa de 4 variables. El abatimiento es hacia la derecha ya que el número de variables es impar. La figura adjunta muestra la proyección del mapa de 4 variables. Obsérvese que al mapa que se proyecta se le antepone un 0 y al proyectado un 1. También, se ha asociado a cada celda el número binario correspondiente, el cual se obtuvo asignando el valor binario a cada variable en dicha celda. Sustituyendo el número binario de cada celda por su equivalente decimal, se obtiene el mapa de Karnaugh para 5 variables que se empleará para minimizar funciones de conmutación de 5 variables independientes. La figura siguiente presenta este mapa.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-40
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Para generar el código de Gray para 5 variables, se traza la greca de Gray sobre el mapa K para 5 variables y se escribe el código binario asociado a cada celda. La siguiente figura muestra la greca de Gray sobre el mapa K de 5 variables.
A continuación se presentan algunos ejemplos que muestran la aplicación del mapa para la minimización de funciones de conmutación de 5 variables binarias. EJEMPLO 6.
Minimice las siguientes funciones, empleando el método de Karnaugh:
∑ =∑
F1 =
m (0,1,3,8,9,11,16,17,19,24,25,29 −
F2
m (0 −
31
4,6,9,10,15 − 20,22,23,25,26,31) SOLUCIÓN
Las siguientes figuras muestran los mapas K para F1 y F2:
Las funciones reducidas son:
F1 (A,B, C,D,E) = CD + BCD + ABCD + ABDE + ABDE (1)
(2)
(3)
(4)
(5)
F2 (A,B, C,D,E) = BC + BE + CDE + CDE + ABD + BCDE (1) (2) (3) (4) (5) (6)
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-41
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
EJEMPLO 7.
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Hay 5 personas que actúan como jueces en una competencia dada. El voto de cada uno de ellos se indica con un 1 (pasa) o 0 (fracasa) en una línea de señal. Las 5 líneas de señal son las entradas a un circuito lógico combinacional. Las reglas de la competencia permiten sólo la discrepancia de un voto. Si la votación es 2-3 o 3-2, la competencia debe continuar. El circuito lógico debe tener dos salidas, XY. Si el voto es 4-1 o 5-0 para pasar, XY = 11. Si el voto es 4-1 o 5-0 para fracasar, XY = 00; si el voto es 3-2 o 2-3 para continuar, XY = 10. Diseñe un circuito mínimo de suma de productos. SOLUCIÓN
La siguiente tabla reúne las condiciones del enunciado: OPCIÓN
REGLA
1
0
X
Y
Para pasar
5
4
0
1
1
1
Para fracasar
0
1
5
4
0
0
Para continuar
3
2
2
3
1
0
En base a la tabla anterior se construye la siguiente tabla funcional: Dec
A
B
C
D
E
X
Y
Dec
A
B
C
D
E
X
Y
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1
De la tabla funcional, se obtienen las siguientes funciones de conmutación canónicas:
∑ Y(A,B, C,D,E) = ∑
X(A,B, C,D,E) =
m 3,5 − 7,9 − 15,17 − 31) m (15,23,27,19 − 31)
Reduciendo por mapas de Karnaugh: Para mayor claridad, se presenta a X(A, B, C, D, E) en dos mapas:
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-42
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
De los mapas anteriores, se obtienen las siguientes funciones reducidas:
X = DE + BC + AB + AC + AE + AD + CE + CD + BE + BD (1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
Y = ABCE + ABCD + ACDE + BCDE + ABDE (1)
(2)
(3)
(4)
(5)
El logigrama se presenta en la siguiente figura:
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-43
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-44
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
2.5 Mapas de Karnaugh para 6 variables Siguiendo el mismo criterio para la obtención de los mapas anteriores, proyectamos el mapa inmediatamente anterior, para obtener el mapa K para 6 variables, mostrado en la siguiente figura:
EJEMPLO 8.
a) b)
∑ Z=∏
Z=
Minimizar las siguientes funciones por el método de Karnaugh: m (7,14,28,56) +
∑
x (0 − 6,8 − 13,16 − 27,29,32 − 55,57 − 59,61)
M (15,30,31,60,62,63)
∏
x (0 − 6,8 − 13,16 − 27 − 29,32 − 55,57 − 59,61)
SOLUCIÓN Obsérvese que las funciones, en ambos incisos, son las mismas, una expresada como minitérminos y la otra como maxitérminos. Los mapas K para a) y b) son:
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-45
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
De los mapas anteriores, se obtienen las siguientes funciones mínimas:
Z(A,B, C,D,E,F) = C + D + AE + BF (1) (2)
(3)
(4)
Z(A,B, C,D,E,F) = (C + F)(B + E)(A + B + D) (1)
(2)
(3)
2.6 Ejercicios 1.
Minimice las siguientes funciones booleanas, utilizando el método de Karnaugh:
∑ f(w, x, y, z) = ∏ f(a,b, c, d) = ∑
a) f(a,b, c, d) = b) c)
M (3,4,5,7,11,12,14,15) m (3,5,7,11,15)
∏ (0,1,2,8,9,11,15 − 19,24,25,29 F(A,B, C,D,E,F) = ∑ (0,2,4,5,7,8,16,18,24,32,36
d) F(A,B, C,D,E) = e)
m (0,4,6,10,11,13)
M
m
2 . U n númer o prim o e s aqu e l que sólo e s divisible entre si mismo y la unidad. Diseñe un circuito R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-46
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
lógico mínimo que detecte todos los número primos entre 0 y 31. La salida F(A, B, C, D), donde A es la variable de mayor peso binario, será igual a 1 si y sólo si los 5 bits de entrada representan un número primo. Realice el logigrama utilizando inversores y compuertas NO Y. 3.
En uno de los laboratorios de una compañía farmacéutica se elaboran 14 distintas soluciones a partir de las componentes W, X, Y y Z. Estas sustancias pesan 800, 400, 200 y 100 mg, respectivamente. Las soluciones se depositan en frascos que se transportan por medio de una banda hasta la báscula. Si el peso depositado en la báscula es uno de los siguientes: 200, 500, 700, 800, 1100, 1400 o 1500 mg, entonces un dispositivo electromecánico F, después de agregar al compuesto la sustancia Q, sellará el frasco sobre la báscula y lo apartará de la banda; de otro modo, el frasco permanecerá abierto y la banda lo transportará hacia otro etapa del proceso. Además, por las condiciones previas del proceso, no es posible que lleguen a la báscula ni francos vacíos, ni frascos que contengan las siguientes sustancias: WY, YZ, WX o WZ; todas las otras combinaciones sí pueden llegar a la báscula.
4.
En la torre de control de un patio de ferrocarril, un controlador debe seleccionar la ruta de los furgones de carga que entran a una sección del patio, mismos que provienen del punto A, como puede verse en la figura adjunta. Dependiendo de las posiciones de los conmutadores, un furgón puede llegar a uno cualesquiera de los 4 destinos. Otros furgones pueden llegar desde los puntos B o C. Diseñe un circuito, con inversores y compuertas No O, que reciba como entradas las señales S1 a S5, indicadores de las posiciones de los conmutadores correspondientes, y que encienda una lámpara D0 a D3, indicando el destino al que llegará el furgón proveniente de A. Para los casos en que los furgones puedan entrar de B o C (S2 o S3 en la posición 0), todas las lámparas de salida deben encenderse, indicando que un furgón proveniente de A, no puede llegar con seguridad a su destino. NOTA: S1 es el bit de mayor peso binario.
5.
Un circuito lógico tiene 5 entradas A, B, C, D y E (donde A es la de mayor peso binario). Cuatro de sus entradas representan un código decimal en BCD (Decimal Codificado en Binario, por sus siglas en inglés). La primera entrada, A, es de control. Cuando el control está en 0 lógico, la salida Z es igual a 0 si el número decimal es impar y 1 si es par. Cuando el control está en 1 lógico, la salida Z es igual a 1 cuando la entrada es múltiplo de 3, en caso contrario es 0. NOTA: Considere al 0 como un número par.
6.
Un técnico de un laboratorio químico tiene 4 productos A, B, C y D. Cada producto debe encontrarse en uno cualesquiera de dos recipientes de almacenamiento. Periódicamente, se requiere cambiar uno o más productos de un recipiente a otro. La naturaleza de los recipientes es tal, que es peligroso guardar A y B juntos a menos que D esté presente en el mismo recipiente. También, es peligroso almacenar B y C juntos a menos que D esté presente. Este proceso no permite que alguno de los recipientes esté vacío. Obtener el circuito mínimo de la expresión de una variable Z que deberá tener el valor de 0 para cada situación peligrosa de almacenamiento, utilizando inversores y compuertas No O. R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-47
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
NOTA: A es la variable de mayor peso binario.
7.
Un posicionador de eje, proporciona na señal de 4 bits que indica la posición de un eje en pasos de 30°. Utilizando el código de Gray, el cual se muestra en la siguiente tabla, diseñe un circuito (realización mínima de suma de productos) que produzca una salida que indique en dónde se encuentra el eje. Posición del EJE
Salida del DECODIFICADOR
Posición del EJE
Salida del DECODIFICADOR
0°#P#30° 30°#P#60° 60°#P#90° 0°#P#120° 120°#P#150° 150°#P#180°
0011 0010 0110 0111 0101 0100
180°#P#210° 210°#P#240° 240°#P#270° 270°#P#300° 300°#P#330° 330°#P#260°
1100 1101 1111 1110 1010 1011
Obtenga el logigrama utilizando inversores y compuertas No Y. 8.
Obtener el diagrama lógico mínimo, con inversores y compuertas No O, de un circuito de 5 entradas: Dos de datos A y B y tres de control C2, C1 y C0. El diagrama a bloques se presenta en la siguiente figura. La función de salida depende de los ocho posibles estados de las señales de control, de acuerdo a la siguiente tabla:
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-48
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
Control C1 C2 C0
F
0
1
1
A+B
2
A•B
3
A⊕ B
4
A⊕ B
5
A•B
6
A+B
7
1
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Considere a C2 y A como las variables de mayor peso binario, respectivamente 9.
El sistema nervioso humano, incluyendo al cerebro, está hecho de células especializadas llamadas neuronas. Cada neurona tiene sinapsis (puntos de interconexión, como se muestra en la figura adjunta) de excitación y sinapsis de inhibición. Una neurona produce una salida 1 si el número de sinapsis de excitación con pulsos 1 excede el número de sinapsis de inhibición con pulsos 1 por al menos el valor del umbral de la neurona. Determine la función booleana f(a, b, c, d, e) de emisión de pulsos a través del canal de salida (axón) en el modelo de la figura anterior bajo las siguientes condiciones: (C1) Valor del umbral = 1 [es decir, se produce una salida 1 si el número de sinapsis de excitación con pulsos 1, excede por al menos uno el número de número de sinapsis de inhibición con pulsos 1], y (C2) Siempre que haya al menos un pulso 1 en alguna sinapsis del puerto de excitación, habrá al menos un pulso 1 en alguna sinapsis del puerto de inhibición [es decir, no es posible -en este modelo restringido- que existan pulsos 1 en el puerto de excitación si no existe al menos un pulso 1 en el puerto de inhibición]. Minimizar f(a, b, c, d, e) haciendo uso de las condiciones irrelevantes (C2). Realizar el logigrama utilizando inversores y compuertas No Y.
10.
Textura es la organización de una superficie como un conjunto de elementos repetidos. En un proceso automático para clasificar texturas artificiales, un sensor de 4 puntos de la siguiente figura (izquierda), envía señales a un circuito combinatorio cuya terea es discriminar (emitiendo pulsos 1) los elementos de la figura de la derecha. En todos los casos que inspecciona el sensor se activan al menos dos puntos de la rejilla (es decir, no se presentan casos en los cuales se activa un punto ni casos en los que no se activa ningún elemento). R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-49
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
11.
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
En una fábrica un dispositivo de 5 fotoceldas (figura adjunta), registra los caracteres formados abriendo pequeñas ranuras en una tarjeta de control. Si en la tarjeta registrada hay uno de los símbolos:
(Para el símbolo I son válidas las dos posiciones), entonces el dispositivo acciona un taladro. En el proceso no hay tarjetas con alguno de los caracteres adjuntos (todos los caracteres restantes sí son válidos). ¿Cuál es la función booleana a la salida del dispositivo que acciona el taladro? Minimizar la función y realizar el logigrama utilizando sólo inversores y compuertas No Y. 12.
Se desea diseñar e instrumentar un circuito combinatorio de dos entradas con dos bits cada una, sobre las cuales se codifican dos de los cuatro tipos de sangre existentes y a su salida se obtenga una señal que informe sobre la posibilidad o imposibilidad de la transfusión de uno de ellos sobre el otro, dadas las siguientes reglas de compatibilidad entre ellos: Los tipos de sangre son 4: A, B, AB y O. El tipo O puede donar a cualquier otro tipo, pero sólo puede recibir de él mismo. El tipo AB puede recibir de cualquier otro tipo pero sólo puede donar a AB. La clase A puede donar a A o a AB y recibir de A u O únicamente. Por último, el tipo B puede donar al mismo B o al tipo AB y recibir de B u O. La señal de salida deberá se 1 cuando la transfusión propuesta en las entradas sea permitida. Realizar el logigrama utilizando inversores y compuertas No O.
13.
En un sistema de detección luminosa que tiene el arreglo mostrado en la siguiente figura, se genera una señal de salida con valor 1 únicamente cuando dos fotoceldas adyacentes están activadas, siempre y cuando la fotocelda del centro esté también activada
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-50
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Considerando a A como la variable más significativa, obtener el logigrama mínimo, considerando las condiciones irrelevantes y utilizando sólo inversores y compuertas No Y. NOTA:
14.
No es posible en este sistema, que exista una señal de salida 0 o 1 si no hay al menos tres fotoceldas activadas.
Un robot de juguete -llamado U-2- está diseñado para ser capaz de seguir una trayectoria (previamente programada por medio de controles que el robot tiene en la espalda) avanzando cuadro por cuadro en un área de 5x6 cuadros. El robot U-2 puede realizar una de las cuatro acciones siguientes: (D) Girar (sobre su eje vertical) 90° a la derecha y luego avanzar al centro del primer cuadro si su diminuto cerebro percibe la señal binaria 10. (I) Girar 90° a la izquierda y luego avanzar al siguiente cuadro si su diminuto cerebro percibe la señal binaria 10. (F) Avanzar al frente un cuadro si su cerebro recibe la señal 00. (A) Hacer alto si su cerebro recibe la señal 11.
Programar el robot para que recorra el laberinto de la Figura (a). Determinar las funciones booleanas del par de estímulos binarios que recibe el minicerebro del robot durante este recorrido y minimizarla mediante mapas de Karnaugh (En este problema hay condiciones irrelevantes -parte de la solución consiste en encontrarlas) La Figura (b) asocia un valor decimal a cada cuadro del laberinto. Los controles en la espalda del U-2 están localizados en dos áreas: En el área I se indicará el cuadro inicial mediante los controles de dos posiciones a, b,, c, d y e [como se muestra en la Figura (c)]; si el control a se presiona del lado derecho, el peso de la variable a se contabilizará para determinar el número asignado al cuadro inicial (lo mismo ocurrirá con el resto de las variables). En el área II se programa la trayectoria por medio de 30 controles de tres posiciones cada uno.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-51
1.
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH.
En el capítulo anterior se resolvieron problemas que dependiendo del número de términos que tenía la función canónica, el número de compuertas lógicas utilizadas es igual al número de términos obtenidos MAS UNO, por lo tanto, los circuitos obtenidos son de dos niveles con un tiempo mínimo de retardo, pero que de ninguna manera es el más sencillo ni el más económico. El objetivo de este capítulo es dar a conocer la mayoría de los métodos utilizados para minimizar funciones canónicas y así poder construir un circuito con menor número de compuertas. Los métodos utilizados para la minimización de funciones Booleanas son: El algebraico, para lo cual se utilizan los postulados y teoremas del álgebra de Boole y el método gráfico de Karnaugh.
2.1
Minimización por mapas de Karnaugh.
Los mapas de Karnaugh es uno de los métodos más prácticos. Se puede decir que es el más poderoso, cuando el número de variables de entrada es menor o igual a seis; más allá, ya no es tan práctico. En general, el mapa de Karnaugh se considera como la forma gráfica de una tabla de verdad, o como una extensión del diagrama de Venn. Antes de explicar como se utiliza el mapa de Karnaugh en la minimización de funciones, veremos como se obtiene el mapa. Esto nace de la representación geométrica de los números binarios. Un número binario de n bits, puede representarse por lo que se denomina un punto en un espacio N. Para entender lo que se quiere decir con esto, considérese el conjunto de los números binarios de un bit, es decir, 0 y 1. Este conjunto puede representarse por dos puntos en un espacio 1; esto es, por dos puntos unidos por una línea. Tal representación se denomina un cubo 1. De la Figura 2.1 se observa que el cubo 1 se obtuvo proyectando al cubo 0 y que el cubo 2 se obtendrá proyectando al cubo 1. De la Figura 2.2.(a), se observa que al reflejarse el cubo 1 se obtiene un cuadrilátero cuyos vértices representan un número binario. Estos números se obtienen al agregar un 0 a la izquierda de los vértices del cubo que se refleja y un 1 a la izquierda de los vértices del cubo reflejado. Del cubo 2 se observa que se obtienen cuatro vértices, los cuales corresponden a la combinación de dos variables (22=4), pero si se sigue la trayectoria indicada en la Figura 2.2.(b), se podrá observar que al pasar de un vértice al otro, existe un solo cambio, lo que da lugar a un código especial, debido a que no sigue la formación del código binario. Más adelante le daremos un nombre a este código. A
B
0
0
0
1
1
1
1
0
Ahora, si a cada vértice del cubo 2 se le asigna un casillero, se tendrá la siguiente Figura 2.3.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-28
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
De la Figura 2.3.(b), si proyectamos el cubo 2, obtendremos el cubo 3, el cual se muestra en la Figura 2.4. De la Figura 2.4.(4b), si seguimos la trayectoria marcada por las flechas, obtendremos la tabla de la Figura 2.4.(c), en donde de un carácter a otro existe un solo cambio; otra característica de la tabla, es el reflejo que existe entre los caracteres 1-2 y 5-6 de la columna C y el reflejo entre los caracteres 2-3-4 -5 en la columna B. El reflejo que existe siempre es con respecto al eje central de simetría. Ahora que tenemos el cubo 3, podemos obtener la representación en la forma de la Figura 2.3.(a), (b) y (c), lo cual se logra haciendo un corte al cubo 3, como se muestra en la Figura 2.5. El levanta miento del cubo 3, a partir de la Figura 2.5, se muestra en la Figura 2.6. Ahora, si asignamos una área a cada punto, como se muestra en la Figura 2.7, se obtendrá la representación que se denomina mapa del cubo N, que en este caso fue desarrollado para un cubo 3.
Como se tienen ocho casilleros, éstos corresponden a la combinación de tres variables, las cuales pueden ser A, B y C, siendo A la más significativa y C la menos significativa, por lo que la tabla funcional para la primera tabla corresponde al código binario y la otra corresponde al código especial, que en realidad de conoce como código de GRAY o código reflejado. Como veremos, ambos códigos están implícitos en el mapa de Karnaugh.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-29
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
CÓDIGO DEC
BINARIO
GRAY (o reflejado)
A
B
C
G1
G2
G3
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
1
2
0
1
0
0
1
1
3
0
1
1
0
1
0
4
1
0
0
1
1
0
5
1
0
1
1
1
1
6
1
1
0
1
0
1
7
1
1
1
1
0
0
Si observamos el mapa de la Figura 2.8.(d), cada casillero tiene asignado un número, el cual corresponde a un número del código binario. De la misma figura pero del inciso (e), si seguimos la trayectoria marcada por las flechas, cada número representa a un carácter del código Gray. En la tabla anterior, se muestran las tablas de cada uno de los códigos mencionados.
2.2
Procedimiento para minimizar una función por mapas K
En forma definitiva, el mapa que se utilizará para la minimización de funciones booleanas con tres variables, será el que se muestra en la Figura 2.9.(d). A continuación explicaremos la forma como se utilizará este mapa. Los pasos a seguir serán los mismos para cualquier mapa, no importa cual sea el número de variables. 1.
De la definición del problema y de la tabla funcional se obtiene la función canónica.
2.
Los minitérminos o maxitérminos de la función canónica se trasladan al mapa K. Se coloca un 1 si es minitérmino y 0 si es maxitérmino.
3.
Se realizan los enlaces abarcando el mayor número de términos bajo los siguientes criterios: a).
El número de términos que se enlazan (agrupan) deben seguir la regla de formación binaria, es decir, de 1 en 1, de 2 en 2, de 4 en 4, de 8 en 8, etc.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-30
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
b).
Al agrupar los términos, se debe cuidar la simetría con los ejes centrales y secundarios (ver figura adjunta). 4.
El hecho de que se haya tomado un término para un enlace no quiere decir que éste mismo no pueda utilizarse para otros enlaces.
5.
La función reducida tendrá tantos términos como enlaces se hayan realizado.
6.
Para obtener el término reducido se realizan dos movimientos sobre el mapa, uno vertical, que barre a las variables más significativas y uno horizontal, que barre a las variables menos significativas.
7.
Se aplican los siguientes postulados y teoremas:
EJEMPLO 1.
Diseñar un circuito que detecte los números pares para una combinación de 3 variables de entrada. SOLUCIÓN
a)
Diagrama de bloques. El diagrama a bloques se presenta en la figura adjunta.
b)
Tabla funcional. Para propósitos del problema, se considera al 0 como un número par. DEC
A
B
C
Z
0 1 2 3 4 5 6 7
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1
0 0 1 0 1 0 1 0
c)
Función canónica. De la tabla funcional, se tiene:
d)
Reducción por mapas K. La figura adjunta muestra los minitérminos de la función de conmutación y los enlaces correspondientes.
e)
Obtención de la función reduR. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-31
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
cida. Del mapa, se observa que existen dos enlaces; por tanto, la función reducida tendrá dos términos, de acuerdo con el paso 5 del procedimiento de reducción. Para cada enlace, se realiza el barrido para cada una de las variables. Por orden, es conveniente iniciar con la variable de mayor peso binario, en este caso A. Como se muestra en la figura adjunta, al realizar el barrido, una parte del enlace (1), el elemento 6, se encuentra dentro del barrido y otra, el elemento 2, fuera de él. Esto indica que se tiene
A • A = 0 , por lo que esa variable no participa, se elimina del término reducido. Para mayor claridad, tomemos la suma de los minitérminos 2 y 6:
Como puede verse, la variable A se elimina del término reducido. La figura adjunta presenta el barrido de B. En este caso, el enlace (1) está contenido dentro del barrido, lo cual corresponde a B • B = B , lo que significa que esta variable forma parte del término reducido. Finalmente, el barrido de la variable C, de menor peso binario, es horizontal y se muestra en la siguiente figura. Claramente se observa que el enlace (1) está fuera del barrido, es decir se encuentra en , indicando que dicha variable forma parte del término reducido. El término reducido, correspondiente al enlace (1) es: Siguiendo el mismo procedimiento y apoyándonos en las tres figuras previas, se encuentra que para el enlace (2) el término reducido es . La función reducida en este primer ejemplo es:
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-32
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
f)
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
El logigrama queda:
EJEMPLO 2.
Colector automático de peaje. Se han introducido colectores automáticos de peaje en diversas casetas de autopistas para acelerar el flujo del tráfico. Se nos pide construir un circuito lógico que sea parte del colector automático. Este circuito es para contar la cantidad de monedas que han sido colocadas en el colector. Si se depositan 15 pesos (únicamente monedas de cinco y diez pesos), entonces se enciende una luz de pasa (color verde) y se envía una señal al colector para recolectar las monedas; de otra manera, la luz de alto (color rojo) permanecerá encendida. SOLUCIÓN
Examinando el planteamiento del problema, se observa que hay dos señales de entrada y una señal de salida. C = Número de monedas de cinco pesos depositadas. D = Número de monedas de diez pesos depositadas. Z = Comando para la señal luminosa y el control de recolección. Estas variables tomarán los siguientes valores enteros y lógicos. 0#C#3 0#D#1 Z=0 Z=1
Número de monedas de cinco pesos. Número de monedas de diez pesos. No contiene los 15 pesos (luz roja). Si contiene los 15 pesos (luz verde).
Ahora, se puede decodificar la información como sigue: C = [c1,c2] ;[0,0] cero pesos [0,1] cinco pesos [1,0] diez pesos [1,1] quince pesos ;[0] cero pesos D = [d1] [1] diez pesos
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-33
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
a)
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Tabla funcional: DEC
c1
c2
d1
Z
0 1 2 3 4 5 6 7
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1
0 0 0 1 0 1 1 1
Una moneda de 5 y una de 10 Dos monedas de 5 y una de 10 Tres monedas de 5 Tres monedas de 5 y una de 10
De la tabla funcional, se observa que Z = 1 si el número de monedas de 5 y 10 pesos suman 15 o más pesos, en caso contrario será igual a cero. Cuando ocurren las combinaciones 5 y 7, quiere decir que el conductor ha depositado monedas de más, lo que le dará la señal de siga, pero no le devolverán ningún cambio. b)
Función canónica: Considerando la tabla funcional, se puede expresar a Z como una función de minitérminos, en la forma:
c)
Reduciendo por mapas K:
d)
Siguiendo el mismo procedimiento del ejemplo anterior para cada uno de los enlaces del mapa K, se obtiene la siguiente función reducida:
e) De la función reducida, obsérvese que ésta se complementó 2 veces y después se aplicó uno de los complementos, de tal manera que cada uno de los términos puede generarse por medio de una compuerta No Y. Por tanto, el logigrama se presenta en la figura adjunta.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-34
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
EJEMPLO 3. Un contador digital contiene un registro de 3 bits. El contador cuenta desde 0 = [0 0 0] hasta 7 = [1 1 1], se restablece y empieza la cuenta nuevamente. Este contador se usa, como se muestra en el diagrama a bloquea adjunto, para generar tres señales de control C1, C2 y C3. Estas señales toman un valor de 1, de acuerdo con las siguientes condiciones: C1 = 1 para una cuenta de 0, 1, 3, 5 y7 C2 = 1 para una cuenta de 0, 3, 5 y 6 C3 = 1 para una cuenta de 0, 3, 4 y 7 Diseñe un circuito lógico que genere C1, C2 y C3. SOLUCIÓN a)
b)
Tabla Funcional: Para este caso en particular, no es necesario realizar la tabla funcional, ya que las condiciones del problema definen claramente para qué valores de entrada las funciones de salida tienen un valor de 1; es decir, los minitérminos asociados a cada función de salida. Sin embargo, por procedimiento, siempre es conveniente realizar la tabla funcional: X3
X2
X1
mi
C1
C2
C3
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1
0 1 2 3 4 5 6 7
1 1 0 1 0 1 0 1
1 0 0 1 0 1 1 0
1 0 0 1 1 0 0 1
Funciones lógicas de conmutación de las variables de salida:
∑ )= ∑ )= ∑
C 1 (X 3 , X 2 , X 1 ) =
m (0,1,3,5,7)
C 2 (X 3 , X 2 , X 1
m (0,3,5,6)
C 3 (X 3 , X 2 , X 1
m (0,3,4,7)
c)
La figura adjunta muestra los mapas de Karnaugh para C1, C2 y C3.
d)
De los mapas K, se obtienen las funciones reducidas siguientes:
C1 = X 1 + X 3 X 2 (1)
(2)
C 2 = X 3 X 2 X1 + X 3 X 2 X1 + X 3 X 2 X1 + X 3 X 2 X1 (1) (2) (3) (4)
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-35
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
C 3 = X 2 X1 + X 2 X1 = X 2 ⊕ X1 (1)
(2)
De la expresión C2, se observa que no existen enlaces en el mapa. Por lo tanto, no se obtiene una función reducida, pero empleando el método algebraico, vemos que existe minimización por exclusividad. El siguiente desarrollo muestra el procedimiento para la reducción de C2 a expresiones de exclusividad:
C 2 = X 3 (X 2 X 1 + X 2 X 1 ) + X 3 (X 2 X 1 + X 2 X 1 ) = X 3 (X 2 ⊕ X 1 ) + X 3 (X 2 ⊕ X 1 ) = = X 3 ⊕ (X 2 ⊕ X 1 ) = X 3 ⊕ X 2 ⊕ X 1 e)
El logigrama correspondiente a las funciones reducidas C1, C2 y C3, se muestra en la siguiente figura:
2.3
Mapas de Karnaugh para 4 variables.
Hasta ahora se ha utilizado el mapa de Karnaugh para minimizar funciones de tres variables. A continuación se usará el mapa de Karnaugh para 4 variables. El mapa K para 4 variables se obtiene proyectando el mapa de tres variables. Cuando el número de variables es par proyectamos hacia abajo y cuando es impar proyectamos hacia la derecha. La Figura 2.10.(a) muestra la proyección del cubo 3, para generar el cubo 4.Obsérvese que al cubo que se proyecta se le agrega un 0 a la izquierda y al proyectado un 1 a su izquierda. Dentro de cada celda se indica el valor binario asociado a ella, el cual se obtiene sustituyendo los valores binarios correspondientes a cada variable. Sustituyendo los valores binarios por su decimal equivalente, se obtiene el mapa de Karnaugh de 4 variables, el cual se usará posteriormente para minimizar funciones de conmutación de 4 variables. Este mapa se muestra en la Figura 2.10.(b). Para obtener el código de Gray para 4 variables, se traza la greca de Gray en el mapa de la Figura 2.10.(c). Obsérvese que se inicia en la celda 0, hacia abajo hasta la celda 2, a la derecha a la celda 6, arriba hasta la celda 4, a la derecha a la celda 12, hacia abajo hasta la celda 14, a la derecha a la celda 10 y hacia arriba hasta la celda 8.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-36
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Siguiendo la greca de Gray, se obtiene el código de Gray, como se muestra en la siguiente tabla, donde también se presenta la relación entre los códigos binario y Gray.
BINARIO
GRAY
miD
A
B
C
D
miG
G3
G2
G1
G0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0
0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0
0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0
Tabla del código binario y de Gray.
EJEMPLO 4.
Utilizando el mapa de Karnaugh, determine las realizaciones mínimas de suma de productos de las siguientes funciones:
∑ F(A,B, C,D) = ∑ F(A,B, C,D) = ∑
a) F(A,B, C,D) =
m (0,4,6,10,11,13)
b)
m (3,4,6,7,11,12,14,15)
c)
m (1,3,6,8,9,11,15) +
∑
x (2,13)
SOLUCIÓN A continuación se presentan los mapas K para cada inciso, así como las funciones mínimas, siguiendo el procedimiento establecido anteriormente.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-37
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
F(a) = ABD + ABD + ABC + ABCD (1)
(2)
(3)
(4)
F(b) = ABC + ABC + CD (1)
(2)
(3)
F(c) = ABC + BD + CD + AD (1)
PROBLEMA 5.
(2) (3) (4)
Se desea diseñar un circuito lógico de dos salidas y cuatro entradas que efectúe sumas en módulo 4. La tabla de suma, para la suma en módulo 4, se muestra en la siguiente tabla. Por ejemplo, (3+3)MOD 4 = 2. En consecuencia, se anota un 2 en la hilera 3, columna 3 de la tabla, y así sucesivamente. Los números de entrada se deben codificar en binario, en donde un número de entrada está dado por X2X1 y el otro por Y2Y1. La salida también se codifica como un número binario Z2Z1. Es decir, Z2Z1 = 00 si la suma es cero; 01 si la suma es 1; 10 si la suma es 2 y 11 si la suma es 3. X Y
0
1
2
3
0
0
1
2
3
1
1
2
3
0
2
2
3
0
1
3
3
0
1
2
a). Determine una expresión Booleana mínima para Z1. b). Determine una expresión Booleana mínima para Z2. c). Dibuje el logigrama para Z1 y Z2. R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-38
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
SOLUCIÓN En este caso nos ahorramos la tabla funcional, puesto que podemos sustituir los valores directamente de acuerdo a la tabla de la suma de módulo 4. SUMA
Z2
Z1
0 1 2 3
0 0 1 1
0 1 0 1
Para poder trasladar los valores de la tabla anterior a un mapa K de 4 variables, se deben invertir las columnas para X = 2 y X = 3, así como las filas Y =2 y Y = 3, como se muestra en la siguiente tabla: X
0
1
2
3
0
0
1
3
2
1
1
2
0
3
2
3
0
2
1
3
2
3
1
0
Y
Ahora sí hay coincidencia entre la tabla anterior y el mapa K. La figura adjunta, muestra los valores de Z, en el mapa K, en función de X e Y. Del mapa anterior se observa que están implícitas Z2 y Z1. Por lo tanto, para poder determinar las funciones de Z2 y Z1, lo trataremos en forma individual. Realizando los mapas para Z2 y Z1, se tiene:
D e l o s mapas anteriores, se obtienen las siguientes funciones mínimas, las cuales se reducen a relaciones de EXCLUSIVIDAD. Asimismo, se presenta el logigrama para Z2 y Z1.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-39
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Z 2 = X 2 X 1 Y2 + X 2 X 1Y2 + X 2 Y2 Y 1 + X 2 Y 2 Y 1 + X 2 X 1 Y 2 Y1 + X 2 X 1Y2 Y1 = (1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
= X 1 (X 2 Y2 + X 2 Y 2 ) + Y 1 (X 2 Y2 + X 2 Y 2 ) + X 1Y1 (X 2 Y 2 + X 2 Y2 ) = = X 1 (X 2 ⊕ Y2 ) + Y 1 (X 2 ⊕ Y2 ) + X 1Y1 (X 2 ⊕ Y2 ) = = (X 1 + Y 1 )(X 2 ⊕ Y2 ) + X 1Y1 (X 2 ⊕ Y2 ) = X 1 Y1 ⊕ (X 2 ⊕ Y2 ) Z 1 = X 1 Y 1 + X 1Y1 = X 1 ⊕ Y1 (1) (2)
2.4 Mapas de Karnaugh de 5 variables. Recordemos que para construir el mapa de 5 variables, debe proyectarse el mapa de 4 variables. El abatimiento es hacia la derecha ya que el número de variables es impar. La figura adjunta muestra la proyección del mapa de 4 variables. Obsérvese que al mapa que se proyecta se le antepone un 0 y al proyectado un 1. También, se ha asociado a cada celda el número binario correspondiente, el cual se obtuvo asignando el valor binario a cada variable en dicha celda. Sustituyendo el número binario de cada celda por su equivalente decimal, se obtiene el mapa de Karnaugh para 5 variables que se empleará para minimizar funciones de conmutación de 5 variables independientes. La figura siguiente presenta este mapa.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-40
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Para generar el código de Gray para 5 variables, se traza la greca de Gray sobre el mapa K para 5 variables y se escribe el código binario asociado a cada celda. La siguiente figura muestra la greca de Gray sobre el mapa K de 5 variables.
A continuación se presentan algunos ejemplos que muestran la aplicación del mapa para la minimización de funciones de conmutación de 5 variables binarias. EJEMPLO 6.
Minimice las siguientes funciones, empleando el método de Karnaugh:
∑ =∑
F1 =
m (0,1,3,8,9,11,16,17,19,24,25,29 −
F2
m (0 −
31
4,6,9,10,15 − 20,22,23,25,26,31) SOLUCIÓN
Las siguientes figuras muestran los mapas K para F1 y F2:
Las funciones reducidas son:
F1 (A,B, C,D,E) = CD + BCD + ABCD + ABDE + ABDE (1)
(2)
(3)
(4)
(5)
F2 (A,B, C,D,E) = BC + BE + CDE + CDE + ABD + BCDE (1) (2) (3) (4) (5) (6)
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-41
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
EJEMPLO 7.
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Hay 5 personas que actúan como jueces en una competencia dada. El voto de cada uno de ellos se indica con un 1 (pasa) o 0 (fracasa) en una línea de señal. Las 5 líneas de señal son las entradas a un circuito lógico combinacional. Las reglas de la competencia permiten sólo la discrepancia de un voto. Si la votación es 2-3 o 3-2, la competencia debe continuar. El circuito lógico debe tener dos salidas, XY. Si el voto es 4-1 o 5-0 para pasar, XY = 11. Si el voto es 4-1 o 5-0 para fracasar, XY = 00; si el voto es 3-2 o 2-3 para continuar, XY = 10. Diseñe un circuito mínimo de suma de productos. SOLUCIÓN
La siguiente tabla reúne las condiciones del enunciado: OPCIÓN
REGLA
1
0
X
Y
Para pasar
5
4
0
1
1
1
Para fracasar
0
1
5
4
0
0
Para continuar
3
2
2
3
1
0
En base a la tabla anterior se construye la siguiente tabla funcional: Dec
A
B
C
D
E
X
Y
Dec
A
B
C
D
E
X
Y
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1
De la tabla funcional, se obtienen las siguientes funciones de conmutación canónicas:
∑ Y(A,B, C,D,E) = ∑
X(A,B, C,D,E) =
m 3,5 − 7,9 − 15,17 − 31) m (15,23,27,19 − 31)
Reduciendo por mapas de Karnaugh: Para mayor claridad, se presenta a X(A, B, C, D, E) en dos mapas:
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-42
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
De los mapas anteriores, se obtienen las siguientes funciones reducidas:
X = DE + BC + AB + AC + AE + AD + CE + CD + BE + BD (1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
Y = ABCE + ABCD + ACDE + BCDE + ABDE (1)
(2)
(3)
(4)
(5)
El logigrama se presenta en la siguiente figura:
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-43
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-44
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
2.5 Mapas de Karnaugh para 6 variables Siguiendo el mismo criterio para la obtención de los mapas anteriores, proyectamos el mapa inmediatamente anterior, para obtener el mapa K para 6 variables, mostrado en la siguiente figura:
EJEMPLO 8.
a) b)
∑ Z=∏
Z=
Minimizar las siguientes funciones por el método de Karnaugh: m (7,14,28,56) +
∑
x (0 − 6,8 − 13,16 − 27,29,32 − 55,57 − 59,61)
M (15,30,31,60,62,63)
∏
x (0 − 6,8 − 13,16 − 27 − 29,32 − 55,57 − 59,61)
SOLUCIÓN Obsérvese que las funciones, en ambos incisos, son las mismas, una expresada como minitérminos y la otra como maxitérminos. Los mapas K para a) y b) son:
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-45
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
De los mapas anteriores, se obtienen las siguientes funciones mínimas:
Z(A,B, C,D,E,F) = C + D + AE + BF (1) (2)
(3)
(4)
Z(A,B, C,D,E,F) = (C + F)(B + E)(A + B + D) (1)
(2)
(3)
2.6 Ejercicios 1.
Minimice las siguientes funciones booleanas, utilizando el método de Karnaugh:
∑ f(w, x, y, z) = ∏ f(a,b, c, d) = ∑
a) f(a,b, c, d) = b) c)
M (3,4,5,7,11,12,14,15) m (3,5,7,11,15)
∏ (0,1,2,8,9,11,15 − 19,24,25,29 F(A,B, C,D,E,F) = ∑ (0,2,4,5,7,8,16,18,24,32,36
d) F(A,B, C,D,E) = e)
m (0,4,6,10,11,13)
M
m
2 . U n númer o prim o e s aqu e l que sólo e s divisible entre si mismo y la unidad. Diseñe un circuito R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-46
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
lógico mínimo que detecte todos los número primos entre 0 y 31. La salida F(A, B, C, D), donde A es la variable de mayor peso binario, será igual a 1 si y sólo si los 5 bits de entrada representan un número primo. Realice el logigrama utilizando inversores y compuertas NO Y. 3.
En uno de los laboratorios de una compañía farmacéutica se elaboran 14 distintas soluciones a partir de las componentes W, X, Y y Z. Estas sustancias pesan 800, 400, 200 y 100 mg, respectivamente. Las soluciones se depositan en frascos que se transportan por medio de una banda hasta la báscula. Si el peso depositado en la báscula es uno de los siguientes: 200, 500, 700, 800, 1100, 1400 o 1500 mg, entonces un dispositivo electromecánico F, después de agregar al compuesto la sustancia Q, sellará el frasco sobre la báscula y lo apartará de la banda; de otro modo, el frasco permanecerá abierto y la banda lo transportará hacia otro etapa del proceso. Además, por las condiciones previas del proceso, no es posible que lleguen a la báscula ni francos vacíos, ni frascos que contengan las siguientes sustancias: WY, YZ, WX o WZ; todas las otras combinaciones sí pueden llegar a la báscula.
4.
En la torre de control de un patio de ferrocarril, un controlador debe seleccionar la ruta de los furgones de carga que entran a una sección del patio, mismos que provienen del punto A, como puede verse en la figura adjunta. Dependiendo de las posiciones de los conmutadores, un furgón puede llegar a uno cualesquiera de los 4 destinos. Otros furgones pueden llegar desde los puntos B o C. Diseñe un circuito, con inversores y compuertas No O, que reciba como entradas las señales S1 a S5, indicadores de las posiciones de los conmutadores correspondientes, y que encienda una lámpara D0 a D3, indicando el destino al que llegará el furgón proveniente de A. Para los casos en que los furgones puedan entrar de B o C (S2 o S3 en la posición 0), todas las lámparas de salida deben encenderse, indicando que un furgón proveniente de A, no puede llegar con seguridad a su destino. NOTA: S1 es el bit de mayor peso binario.
5.
Un circuito lógico tiene 5 entradas A, B, C, D y E (donde A es la de mayor peso binario). Cuatro de sus entradas representan un código decimal en BCD (Decimal Codificado en Binario, por sus siglas en inglés). La primera entrada, A, es de control. Cuando el control está en 0 lógico, la salida Z es igual a 0 si el número decimal es impar y 1 si es par. Cuando el control está en 1 lógico, la salida Z es igual a 1 cuando la entrada es múltiplo de 3, en caso contrario es 0. NOTA: Considere al 0 como un número par.
6.
Un técnico de un laboratorio químico tiene 4 productos A, B, C y D. Cada producto debe encontrarse en uno cualesquiera de dos recipientes de almacenamiento. Periódicamente, se requiere cambiar uno o más productos de un recipiente a otro. La naturaleza de los recipientes es tal, que es peligroso guardar A y B juntos a menos que D esté presente en el mismo recipiente. También, es peligroso almacenar B y C juntos a menos que D esté presente. Este proceso no permite que alguno de los recipientes esté vacío. Obtener el circuito mínimo de la expresión de una variable Z que deberá tener el valor de 0 para cada situación peligrosa de almacenamiento, utilizando inversores y compuertas No O. R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-47
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
NOTA: A es la variable de mayor peso binario.
7.
Un posicionador de eje, proporciona na señal de 4 bits que indica la posición de un eje en pasos de 30°. Utilizando el código de Gray, el cual se muestra en la siguiente tabla, diseñe un circuito (realización mínima de suma de productos) que produzca una salida que indique en dónde se encuentra el eje. Posición del EJE
Salida del DECODIFICADOR
Posición del EJE
Salida del DECODIFICADOR
0°#P#30° 30°#P#60° 60°#P#90° 0°#P#120° 120°#P#150° 150°#P#180°
0011 0010 0110 0111 0101 0100
180°#P#210° 210°#P#240° 240°#P#270° 270°#P#300° 300°#P#330° 330°#P#260°
1100 1101 1111 1110 1010 1011
Obtenga el logigrama utilizando inversores y compuertas No Y. 8.
Obtener el diagrama lógico mínimo, con inversores y compuertas No O, de un circuito de 5 entradas: Dos de datos A y B y tres de control C2, C1 y C0. El diagrama a bloques se presenta en la siguiente figura. La función de salida depende de los ocho posibles estados de las señales de control, de acuerdo a la siguiente tabla:
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-48
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
Control C1 C2 C0
F
0
1
1
A+B
2
A•B
3
A⊕ B
4
A⊕ B
5
A•B
6
A+B
7
1
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Considere a C2 y A como las variables de mayor peso binario, respectivamente 9.
El sistema nervioso humano, incluyendo al cerebro, está hecho de células especializadas llamadas neuronas. Cada neurona tiene sinapsis (puntos de interconexión, como se muestra en la figura adjunta) de excitación y sinapsis de inhibición. Una neurona produce una salida 1 si el número de sinapsis de excitación con pulsos 1 excede el número de sinapsis de inhibición con pulsos 1 por al menos el valor del umbral de la neurona. Determine la función booleana f(a, b, c, d, e) de emisión de pulsos a través del canal de salida (axón) en el modelo de la figura anterior bajo las siguientes condiciones: (C1) Valor del umbral = 1 [es decir, se produce una salida 1 si el número de sinapsis de excitación con pulsos 1, excede por al menos uno el número de número de sinapsis de inhibición con pulsos 1], y (C2) Siempre que haya al menos un pulso 1 en alguna sinapsis del puerto de excitación, habrá al menos un pulso 1 en alguna sinapsis del puerto de inhibición [es decir, no es posible -en este modelo restringido- que existan pulsos 1 en el puerto de excitación si no existe al menos un pulso 1 en el puerto de inhibición]. Minimizar f(a, b, c, d, e) haciendo uso de las condiciones irrelevantes (C2). Realizar el logigrama utilizando inversores y compuertas No Y.
10.
Textura es la organización de una superficie como un conjunto de elementos repetidos. En un proceso automático para clasificar texturas artificiales, un sensor de 4 puntos de la siguiente figura (izquierda), envía señales a un circuito combinatorio cuya terea es discriminar (emitiendo pulsos 1) los elementos de la figura de la derecha. En todos los casos que inspecciona el sensor se activan al menos dos puntos de la rejilla (es decir, no se presentan casos en los cuales se activa un punto ni casos en los que no se activa ningún elemento). R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
1-49
1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
11.
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
En una fábrica un dispositivo de 5 fotoceldas (figura adjunta), registra los caracteres formados abriendo pequeñas ranuras en una tarjeta de control. Si en la tarjeta registrada hay uno de los símbolos:
(Para el símbolo I son válidas las dos posiciones), entonces el dispositivo acciona un taladro. En el proceso no hay tarjetas con alguno de los caracteres adjuntos (todos los caracteres restantes sí son válidos). ¿Cuál es la función booleana a la salida del dispositivo que acciona el taladro? Minimizar la función y realizar el logigrama utilizando sólo inversores y compuertas No Y. 12.
Se desea diseñar e instrumentar un circuito combinatorio de dos entradas con dos bits cada una, sobre las cuales se codifican dos de los cuatro tipos de sangre existentes y a su salida se obtenga una señal que informe sobre la posibilidad o imposibilidad de la transfusión de uno de ellos sobre el otro, dadas las siguientes reglas de compatibilidad entre ellos: Los tipos de sangre son 4: A, B, AB y O. El tipo O puede donar a cualquier otro tipo, pero sólo puede recibir de él mismo. El tipo AB puede recibir de cualquier otro tipo pero sólo puede donar a AB. La clase A puede donar a A o a AB y recibir de A u O únicamente. Por último, el tipo B puede donar al mismo B o al tipo AB y recibir de B u O. La señal de salida deberá se 1 cuando la transfusión propuesta en las entradas sea permitida. Realizar el logigrama utilizando inversores y compuertas No O.
13.
En un sistema de detección luminosa que tiene el arreglo mostrado en la siguiente figura, se genera una señal de salida con valor 1 únicamente cuando dos fotoceldas adyacentes están activadas, siempre y cuando la fotocelda del centro esté también activada
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
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1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS LÓGICOS
1.2 MÉTODO DE REDUCCIÓN DE MAPAS DE KARNAUGH
Considerando a A como la variable más significativa, obtener el logigrama mínimo, considerando las condiciones irrelevantes y utilizando sólo inversores y compuertas No Y. NOTA:
14.
No es posible en este sistema, que exista una señal de salida 0 o 1 si no hay al menos tres fotoceldas activadas.
Un robot de juguete -llamado U-2- está diseñado para ser capaz de seguir una trayectoria (previamente programada por medio de controles que el robot tiene en la espalda) avanzando cuadro por cuadro en un área de 5x6 cuadros. El robot U-2 puede realizar una de las cuatro acciones siguientes: (D) Girar (sobre su eje vertical) 90° a la derecha y luego avanzar al centro del primer cuadro si su diminuto cerebro percibe la señal binaria 10. (I) Girar 90° a la izquierda y luego avanzar al siguiente cuadro si su diminuto cerebro percibe la señal binaria 10. (F) Avanzar al frente un cuadro si su cerebro recibe la señal 00. (A) Hacer alto si su cerebro recibe la señal 11.
Programar el robot para que recorra el laberinto de la Figura (a). Determinar las funciones booleanas del par de estímulos binarios que recibe el minicerebro del robot durante este recorrido y minimizarla mediante mapas de Karnaugh (En este problema hay condiciones irrelevantes -parte de la solución consiste en encontrarlas) La Figura (b) asocia un valor decimal a cada cuadro del laberinto. Los controles en la espalda del U-2 están localizados en dos áreas: En el área I se indicará el cuadro inicial mediante los controles de dos posiciones a, b,, c, d y e [como se muestra en la Figura (c)]; si el control a se presiona del lado derecho, el peso de la variable a se contabilizará para determinar el número asignado al cuadro inicial (lo mismo ocurrirá con el resto de las variables). En el área II se programa la trayectoria por medio de 30 controles de tres posiciones cada uno.
R. ESPINOSA R. y P. FUENTES R.
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