Protocolo 90178

ESCUELA DE CIENCIAS BÁSCIAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

SISTEMAS DIGITALES SECUENCIALES - 90178

Protocolo Académico

SISTEMAS DIGITALES SECUENCIALES 90178

PROTOCOLO ACADÉMICO

ING. CARLOS EMEL RUIZ HIGUERA DIRECTOR DE CURSO

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA YNA DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DUITAMA 2013




SISTEMAS DIGITALES ECUENCIALES – 90178

IDENTIFICACIÓN DEL CURSO ACADÉMICO

FICHA TÉCNICA

Nombre del Curso Sistemas Digitales Secuenciales

Palabras Clave Electrónica, Digitales, Secuenciales, Memorias, Registros, Contadores, FPGA, VHDL, Latch, Temporizadores, Monoestables, Conectores Lógicos, Compuertas, Multiplexores, Flip – Flops, Cerrojos, Moore y Mealy, Estados.

Institución Universidad Nacional Abierta y a Distancia, UNAD. Ciudad Duitama, Boyacá; extensivo para los CEAD a nivel nacional.

Autor del Protocolo Carlos Emel Ruiz Higuera Año 2013

Unidad Académica Facultad de Ciencias Básicas Tecnología e Ingeniería Campo de Formación Profesional específica

Área del Conocimiento Ciencias Básicas e Ingeniería Créditos Académicos Dos (2), correspondientes a 96 horas de trabajo académico:

70 horas de estudio independiente y 26 horas de acompañamiento tutorial.

Tipo de Curso Metodológico. Destinatarios Estudiantes del programa de pregrado Ingeniería Electrónica

de la Facultad de Ciencias Básicas e Ingeniería o personas de áreas afines interesadas en adquirir conceptos y fundamentos básicos de la ingeniería de sistemas, electrónica y Telecomunicaciones.

Competencia General de Aprendizaje

El estudiante dominará algunos conceptos sobre almacenamiento y procesamiento de información digital, estará en capacidad de realizar diseños básicos usando temporizadores, comprenderá las secuencias y protocolos para el almacenamiento y lectura en memoria, diseñará contadores y estará en capacidad de seguir un proceso adecuado en el diseño de circuitos secuenciales.

Metodología de Oferta A distancia

Formato de Circulación Documentos impresos en papel y publicación en la web. Unidades Didácticas Unidades Básicas de Almacenamiento, Flip-Flops, Circuitos

Secuenciales y Diseño de Máquinas de Estado.




INTRODUCCIÓN El curso de Sistemas Digitales Secuenciales, es de tipo teórico práctico y corresponde al campo de formación profesional básica de los programas de Ingeniería Electrónica y Tecnología Electrónica, su metodología es educación a distancia. Corresponde a dos (2) créditos académicos los cuales comprenden: Estudio, discusión y desarrollo de habilidades técnicas en el diseño y manejo de

dispositivos lógicos programables, el estudiante se apropie de los conocimientos fundamentales de los dispositivos digitales de almacenamiento, tanto desde sus unidades básicas (Latches y Flip-Flops) como de los registros y memorias, analice y aprenda el manejo de cada uno de los aspectos del diseño de circuitos digitales secuenciales.

Acompañamiento en tutorías desarrolladas en pequeños grupos de colaboración y la tutoría en grupo de curso, el cual sirve de apoyo al estudiante para potenciar el aprendizaje autónomo y su formación en el campo de aplicación de la temática a desarrollar.

El tutor juega el papel de acompañante en el proceso de aprendizaje, no sólo imparte conocimientos, sino que brinda orientación en la selección y aplicación de estrategias propias del modelo de educación a distancia. Por ello el desarrollo del curso académico contempla espacios de reflexión en los que el tutor valora al estudiante como un conjunto de pensamientos, conocimientos, habilidades y experiencias y permite que aplique los conceptos adquiridos, en la solución de problemas, estimulando al estudiante a que vea su aprendizaje por procesos y no por resultados. Este curso está compuesto por dos unidades didácticas a saber: Unidad 1. Unidades de Almacenamiento: Aquí se establecen los conocimientos y habilidades técnicas en el diseño y manejo de: Datos, Cerrojos, almacenamiento en registros, cerrojo S¬R, cerrojo D, Flip - Flops disparados por flanco, Flip- Flops Maestro esclavo, Flip- Flops tipo JK, Flip-Flops tipo Toggle, Flip-Flops tipo Data. Con aplicaciones como Monoestables, astables, Temporizador 555 y por Ultimo en cada capítulo se aplicará al diseño en FPGA y programación en VHDL. Unidad 2. Flip – Flops y Máquinas de Estado.

En esta Unidad se dan conceptos de: Almacenamiento en Registro (Secuenciador, registros de desplazamiento con carga paralela, estructura básica de una memoria de registros, Secuencia de almacenamiento en memoria, Secuencia de lectura de memoria) Circuitos Contadores (Contador de cola Johnson, asíncronos, Diagramas de tiempos, Contadores Síncronos) y el Diseño de Circuitos Secuenciales




Reducción por inspección, reducción por partición, identificación del número de estados, asignación de estados, tabla de transición, ecuaciones de excitación, ecuaciones de salida y Circuito. En cada capítulo se aplicará el diseño en FPGA y programación en VHDL.

El curso es de carácter teórico-práctico y su desarrollo se hará mediante el estudio del módulo del curso, de artículos de revista, de páginas Web y del diseño asistido por computador. Se desarrollaran algunas tareas en grupo que faciliten la solución de problemas específicos.

Con éste curso académico el estudiante tiene la posibilidad de complementar los conocimientos adquiridos en el curso de Sistemas Digitales Básicos. El estudiante tendrá la oportunidad de llevar a cabo un proceso de diseño de sistemas secuenciales en todas sus etapas de tal forma que se estimularán las competencias del estudiante hacia el diseño y se potenciará sus habilidades orientadas al análisis y solución de problemas. Esto le dará una habilidad básica para el desarrollo de su carrera y su vida como profesional.

Se realizarán tres tipos de evaluación, a saber:

Autoevaluación: evaluación que realiza el estudiante para valorar su propio proceso de aprendizaje. Tiene estricto carácter cualitativo y formativo.

Coevaluación: se realiza a través de los grupos colaborativos, y pretende la socialización de los resultados del trabajo personal. Tiene estricto carácter cualitativo y formativo.

Heteroevaluación: Es la valoración que realiza el tutor y es la única evaluación con fines de acreditación, certificación y promoción.

La evaluación unida con la autodirección deben servir para la identificación de los aspectos en los cuales tanto el estudiante individualmente como el grupo en general, han demostrado los dominios requeridos, así como aquellos en que se deberán realizar acciones específicas para lograr los propósitos de formación acordados. Básicamente los resultados serán sometidos a un diagnóstico orientado a evidenciar las principales necesidades o vacíos del estudiante y con base en ello elaborar un plan de acción que permita corregir, o por lo menos aclarar dudas con respecto al núcleo temático y proceso seguido. Para el desarrollo del curso es importante el papel que juegan los recursos tecnológicos como medio activo buscando la relación tutor-estudiante. Estos medios son:

Módulos y guías escritos para estudio temático y orientación pedagógica.

El computador como herramienta informática para estudio con CD ROM, conexión a Internet y editores de texto.

Sistemas y plataformas tecnológicas institucionales para favorecer la comunicación sincrónica, tales como; videoconferencia, Chat. Estas permiten encuentros presénciales directos o mediados, favoreciendo una interacción inmediata.




Y las comunicaciones asincrónicas tales como: Grupos de interés, páginas WEB, correo electrónico, grupos de noticias, servidores FTP. Estas permiten la comunicación en forma diferida favoreciendo la disposición del tiempo del estudiante para su proceso de aprendizaje. Para facilitar el autoaprendizaje es necesario consultar la bibliografía recomendada, utilizar la biblioteca virtual y el acceso a Internet, con esto se está también potenciando en los estudiantes la capacidad de investigación y de auto gestión para llegar al conocimiento según sean sus necesidades y/ó debilidades encontradas durante cada uno de los pasos del proceso a seguir, es decir el modelo pedagógico a desarrollar son las habilidades de pensamiento. El acceso a documentos adquiere una dimensión de suma importancia en tanto la información sobre el tema exige conocimientos y planteamientos preliminares, por tal razón es imprescindible el recurrir a diversas fuentes documentales y el acceso a diversos medios como son: bibliotecas electrónicas, hemerotecas digitales e impresas, sitios Web especializados. En la medida que usted adquiera el rol de estudiante, se interiorice y aplique los puntos abordados anteriormente, podrá obtener los logros propuestos en este curso, así como un aprestamiento en los enfoques de la ingeniería Electrónica mediante la estrategia de educación a distancia. En un ambiente de plena productividad académica se ve claramente que la mejor forma de aprender es "haciendo uno mismo". Se debe prestar atención a lo que se esté haciendo, capitalizando los puntos fuertes y trabajando con más ahínco sobre los débiles para así obtener los resultados deseados y llegar a la solución del problema que se trata de abordar.




JUSTIFICACIÓN La posibilidad de la memoria, este es el gran avance que ofrece el curso de sistemas digitales secuenciales como nueva etapa en el proceso de aprendizaje. Poder diseñar circuitos que "toman decisiones", saber qué estado debe continuar de acuerdo al estado actual. Memorizar posibilita la solución a nuevos problemas, como el simple hecho de contar, recordar en que número vamos para saber cuál número debe seguir. Un ascensor o un semáforo, por ejemplo, son entre otros algunos ejercicios de aplicación que estimularán la creatividad y motivación de nuestros estudiantes por el curso y el programa.

En el mundo tecnológico actual los sistemas digitales cobran una gran importancia puesto que la gran mayoría de diseños electrónicos se desarrollan en este campo y es importante que el estudiante de ingeniería y tecnología electrónica pueda adquirir sólidos conceptos en el campo de las máquinas de estados finitos.

Igualmente la formación que recibirá el estudiante en el uso de la programación en VHDL le permitirá programar dispositivos lógicos de gran escala de integración (FPGA) los cuales son la manera actual de realizar cualquier diseño digital.

El estudiante recibe dentro del curso una formación básica en los circuitos secuenciales. Con esto se pretende que el futuro profesional tenga la habilidad de disponer de esta herramienta del área de la electrónica y le permita crear un esquema global del mundo de los sistemas digitales al tiempo que estimula el desarrollo de habilidades en el diseño, aplicables a ésta y a otras áreas de su interés.

INTENCIONALIDADES FORMATIVAS PROPÓSITOS

Lograr una visión de las posibilidades de los sistemas digitales secuenciales en la solución de problemas de muy diversa índole.

Mostrar las diferentes posibilidades de solución a los problemas que se plantean en el mundo de la ingeniería y la tecnología que puedan ser resueltos mediante el uso de técnicas adecuadas del diseño de sistemas digitales, con identificación de las mejores soluciones de acuerdo a las necesidades y requerimientos planteados.

Identificar algunos de los diferentes campos de aplicación de los sistemas digitales secuenciales y relacionarlos con su interés en la vida profesional.

Estimular el desarrollo de la investigación y el diseño mediante la elaboración de proyectos presentados por los mismos estudiantes con el fin de potenciar habilidades indispensables en el ejercicio de su vida como profesional.

Dar a conocer algunos de los elementos básicos de la Electrónica y su ubicación dentro de las diferentes disciplinas de la ingeniería para facilitar su correlación y uso durante el transcurso de su formación.




OBJETIVOS

Brindar al estudiante la posibilidad de estudiar los conceptos básicos de unidades de almacenamiento y procesamiento de información para que pueda comprender los temas más avanzados del área.

Dar al estudiante las herramientas adecuadas para que tome las decisiones acertadas entorno al diseño de sistemas secuenciales que le permitan desarrollar soluciones apropiadas.

Posibilitar al estudiante el desarrollo de la capacidad de interpretación y análisis del diseño de circuitos secuenciales.

Lograr que el estudiante maneje los lenguajes de alto nivel que le permitan desarrollar mejores diseños y manejar dispositivos lógicos secuenciales programables.

Mostrar al estudiante los alcances y pertinencia de los sistemas digitales secuenciales en el mundo de la ingeniería, el diseño y la ciencia.

Presentar al estudiante algunas aplicaciones prácticas de los sistemas digitales secuenciales.

METAS

El estudiante presentará una evaluación final nacional como manifestación de la aprehensión, el conocimiento, comprensión, análisis y desarrollo de habilidades de implementación y diseño de Sistemas Digitales Secuenciales.

El estudiante presentará y sustentará en grupo un trabajo práctico en donde se describa, analice y plantee la mejor solución, en su concepto, a un problema seleccionado de su entorno relacionado con los sistemas digitales secuenciales.

El estudiante podrá decidir con mayor claridad sobre el área de los sistemas digitales en el momento de optar por un Curso Electivo.

El estudiante podrá proyectar su trabajo y sus líneas de profundización de acuerdo a los conocimientos que valla adquiriendo, de esta área y de las otras.

COMPETENCIAS

El estudiante estará en capacidad de realizar diseños básicos usando temporizadores y comprenderá las secuencias y protocolos para el almacenamiento y lectura en memoria

El estudiante tendrá la capacidad de manejar de manera adecuada los lenguajes de alto nivel que le permiten diseñar dispositivos lógicos secuenciales programables.

El estudiante estará en capacidad de conocer las diferentes aplicaciones que tiene y puede llegar a tener los sistemas digitales secuenciales.

El estudiante identificará de manera clara los problemas que pueden ser resueltos utilizando las técnicas digitales propias de los sistemas secuenciales.

El estudiante sustentará la aplicación de los sistemas digitales secuenciales a partir de la solución a problemas aplicando las herramientas de diseño propias del curso.




UNIDADES DIDACTICAS

Primera unidad Capítulos Lecciones

INTRODUCCIÓN A LAS UNIDADES DIGITALES

BÁSICAS DE ALMACENAMIENTO.

Conceptos previos

Variables Lógicas

Funciones Lógicas

Algebra Booleana

Formas estándares de las funciones lógicas

Introducción a VHDL

Almacenamiento en Registros

Cerrojo Básico

Cerrojo Set – Reset

Cerrojo SR con NAND

Flip – Flops

Tipos de Flip-Flops

Aplicaciones al diseño de Multivibradores

Multivibradores

Multivibrador Astable

Circuito Integrado C555

Frecuencia y Período del C555

Multivibrador Monoastable

Segunda Unidad Capítulos Lecciones

FLIP-FLOPS Y DISEÑO DE MÁQUINAS DE ESTADO

Flip – Flops

Introducción máquinas de Estado

Generalidades de Flancos

Sistemas síncronos en VHDL

Flip-Flops Data

Flip-Flops en VHDL

Aplicaciones de los Flip Flops

Aplicaciones de los Flip-Flops

Contadores

Contadores en VHDL

Contadores con Reset en VHDL

Los Sistemas Digitales

Modelos de Circuitos Secuenciales

Diseño sistemas Digitales I

Diseño sistemas Digitales II

Circuitos y sistemas Moore

Circuitos y sistemas Mealy

Memorias.




MAPA CONCEPTUAL

CONTEXTO TEÓRICO

Los sistemas digitales secuenciales introducen el componente adicional de la memoria como herramienta en la solución de nuevos problemas, a los sistemas digitales combinacionales. La posibilidad de recordar el estado actual y "tomar una decisión" para entregar luego una salida abre el abanico de las posibilidades en el diseño de dispositivos digitales electrónicos, tanto en el control de procesas industriales como en la electrónica de consumo.

El área del conocimiento que corresponde este curso académico es ciencias básicas e ingeniería, específicamente el campo de formación profesional específico, adquiriendo importancia pues es el encargado de fundamentar el estudio de los sistemas digitales que conservan "memoria" de sus estados anteriores, condición que permite el diseño de circuitos que pueden establecer secuencias.

Tiene como propósito que el estudiante domine los conceptos básicos sobre almacenamiento y procesamiento de información digital; así, el estudiante estará en capacidad de realizar diseños básicos usando temporizadores, comprenderá las secuencias y protocolos para el almacenamiento y lectura en memoria, diseñará contadores y estará en capacidad de seguir un proceso adecuado en el diseño de circuitos secuenciales. Algunos aspectos esenciales, que resalta el curso son:




Aplicar las etapas del diseño de circuitos digitales secuenciales para la solución de problemas propios del campo de aplicación de la Electrónica Digital a nivel de Ingeniería y de Tecnología.

Conocer las diferentes herramientas del diseño que sirven como componentes básicos para el desarrollo de dispositivos electrónicos digitales.

Mediante el desarrollo de las unidades didácticas se pretende ubicar al estudiante en un ambiente ideal para la apropiación de conceptos y destrezas indispensables para la comprensión y diseño de sistemas digitales secuenciales y sus aplicaciones en la solución de problemas prácticos. Este desarrollo de habilidades y competencias propias del área digital tendrá aplicables en otros campos de su formación que permitirán proyectar el curso como herramienta vital en el campo de la investigación.

El curso establece una relación entre sus unidades teniendo en cuenta que las unidades básicas de memoria sirven para construir los sistemas de cerrojos y flip-flops y estos a su vez sirven para construir las máquinas de estados finitos.

Adicionalmente el uso de programación en VHDL hace que el curso sea mucho más productivo en la práctica al construir sistemas completamente funcionales.

METODOLOGÍA

Con el propósito de dar cumplimiento a las intencionalidades formativas del curso, es importante que se planifique de manera responsable el proceso de aprendizaje teniendo en cuenta las características de la metodología de educación a distancia.

Es así, que teniendo en cuenta los créditos académicos asignados a este curso (2), 96 horas de trabajo total, se establece la siguiente distribución de tiempo para la dedicación del trabajo académico del estudiante en función de su aprendizaje y del acompañamiento tutorial que se le brindará:

Acompañamiento y seguimiento tutorial Horas

Estudio independiente Horas

TOTAL Horas

26 70 96

El estudio independiente contempla actividades como trabajo personal y trabajo en pequeños grupos colaborativos de aprendizaje, y el acompañamiento y seguimiento tutorial contempla actividades como tutoría individual, tutoría en pequeños grupos colaborativos y tutoría en grupo de curso, dando una distribución de tiempo a cada una de la siguiente forma:




COMPONENTE DEL TRABAJO ACADÉMICO

Actividad Número de horas

Estudio independiente 70

Trabajo personal 56

Trabajo en pequeños

grupos colaborativos de aprendizaje

14

Acompañamiento y seguimiento tutorial

26

Tutoría individual 8

Tutoría a pequeños grupos colaborativos

6

Tutoría en grupo de curso 12

El proceso tiene la siguiente estructura:

> Actividades previas: en las cuales se identifican los propósitos del curso, sus intencionalidades y se presenta el desarrollo del curso. Puede desarrollarse de manera individual a través del estudio del protocolo del curso o a través de actividades grupales desarrolladas por el tutor.

> Actividades de ejecución: son las orientadas a alcanzar los propósitos de formación. Se dan a través de estudio, estudio del material sugerido por la UNAD, consulta de fuentes documentales (bibliografía de documentos impresos en papel: libros y revistas; bibliografía de documentos situados en Internet; direcciones de sitios Web de información especializada, bibliotecas y hemerotecas virtuales)

> Trabajo en grupo: desarrolladas por estudiantes a través de pequeños grupos colaborativos, con el propósito de crear espacios de estudio o discusión, para preparar consultas, trabajos y sustentaciones estructuradas al tutor.

> Consultas al tutor: teniendo en cuenta las inquietudes del estudiante, el tutor estará dispuesto a resolver las consultas. Se puede realizar a través de:

Tutoría: Sesiones formativas cuya finalidad es asesorar a los estudiantes en los puntos críticos del curso.

Medios tecnológicos: uso de herramientas como: correo electrónico, salas de conversación, foros, y software de diseño.

> Actividades de evaluación: permiten identificar el nivel de logro alcanzado de cada una de las unidades didácticas, establecer las dificultades en el aprendizaje y afianzar los conocimientos adquiridos. Se tendrán las siguientes:

Autoevaluación: la desarrolla el estudiante a través de ejercicios, talleres, problemas, estudios de caso, lecturas autorreguladas e investigaciones sobre temas especializados de manera individual.




Coevaluación: Se realiza a través de grupos colaborativos, utilizando el portafolio como estrategia. Este consiste en hacer una colección de producciones o trabajos (ensayos, análisis de lecturas, reflexiones personales, mapas conceptuales) y permite la reflexión conjunta sobre los productos incluidos y sobre los aprendizajes log rados.

Heteroevaluación: desarrollada por el tutor a través de exámenes, test y evaluación de portafolios.

> Activación cognitiva: Se realizarán varias actividades de activación cognitiva, en donde los estudiantes tendrán la posibilidad de evaluar, ellos mismos, sus saberes iniciales, su avance en el aprendizaje y el logro de los objetivos propuestos. Servirá como situación didáctica de transición previa a situaciones de profundización y transferencia.

SISTEMA DE EVALUACIÓN

AUTOEVALUACIÓN:

Es aquella que realiza el mismo estudiante, donde a medida que va estudiando se va planteando preguntas y él mismo las resuelve. De esta forma el estudiante hace su propio seguimiento, identificando avances y dificultades, lo que hace el proceso de autoaprendizaje muy dinámico y participativo. Este tipo de evaluación NO tiene ponderación para la aprobación del curso, solo es una forma de identificar fortalezas y debilidades en el proceso de aprendizaje.

COEVALUACIÓN:

Cuando el estudiante realiza estudio en pequeño grupo colaborativo, los compañeros pueden valorar los avances por medio de la Coevaluación, en ésta los compañeros se evalúan entre sí con el fin de identificar los avances y detectar debilidades en el desarrollo de los temas que se están estudiando. La Coevaluación es un espacio para desarrollar habilidades comunicativas y NO tiene ponderación para la aprobación del curso.

HETEROEVALUACIÓN:

Es aquella preparada por el Tutor o por el Docente Titular del Curso para hacer el seguimiento al rendimiento académico de los estudiantes, se puede realizar por medio de exámenes parciales, quices, revisión de informes, trabajos, portafolios, evaluación nacional y otros. Este estilo de evaluación es la utilizada por la UNAD para determinar la aprobación o no del curso académico.

La nota definitiva para que un Estudiante apruebe el curso académico de Sistemas Digitales Secuenciales está distribuida así:

Primer Caso: (60% - 40%):

El 60% es evaluado a través de las diferentes actividades del curso virtual.

El 40% es evaluado en una prueba general de carácter nacional. La prueba es aplicada y calificada por los tutores que orientan el curso en los CEAD.




Segundo caso: (100%): La evaluación nacional presentada al final del curso será la nota definitiva del estudiante.

NOTAS CURSO VIRTUAL

60% 40%

Seguimiento Académico Evaluación Nacional

Fase de reconocimiento:10% de la nota

Fase de profundización:20% de la nota

Fase de transferencia:30% de la nota

Prueba escrita presencial

Actividades

Quices, talleres, evaluaciones, exposiciones

Aplicada en todos los CEAD el mismo día a la misma hora




FUENTES DOCUMENTALES

Brown, S., & Vranesic, Z. (2006). Fundamentos de lógica digital con diseño VHDL. McGraw-Hill Interamericana.

Floyd, T. (2006). Fundamentos de sistemas digitales. Pearson education.

Taub, H. (1993). Circuitos digitales y microprocesadores. McGraw-Hill Interamericana.

Tocci, R., Widmer, N., & Moss, G. (2007). Sistemas Digitales: Principios y aplicaciones. Pearson education.

Echavarría Cifuuentes, Rubén Darío. Circuitos Digitales I. Universidad de Antoquia. Colombia 2000.

Gómez, Carlos. Gómez, Germán. Botero William. Matemática Digital. Mc Graw Hill. Bogotá 1998.

Tokheim, Roger. Electrónica Digital Principios y Aplicaciones. Mc Graw Hill Interamericana. Séptima Edición. México 2008.

Palmer, James E. Perlman, David E. Introducción a los Sistemas Digitales. Mc Graw Hill. México 1997.

Novo, Pío. Sánchez, Belisario R. Rodríguez, Amancio. Lógica Digital y Microprogramable. Marcombo, Ediciones Técnicas. Barcelona 2007.

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