Los circuitos sumadores de 4 bits son ampliamente utilizados en aplicaciones digitales para realizar operaciones aritméticas. Por ello, en este tutorial, aprenderás a construir un sumador de 4 bits con displays de 7 segmentos utilizando el software Proteus. 

Para tu facilidad, explicaremos paso a paso cómo implementar este circuito y te guiaremos en la simulación utilizando los componentes 7408, 7432 y 7404.

Primeramente, ¿Qué es un Sumador de 4 Bits?

Un sumador de 4 bits es un circuito combinacional que suma dos números binarios de 4 bits, produciendo una salida también en formato binario. Esta salida puede incluir hasta 5 bits si consideramos el bit de acarreo. Este tipo de circuito es fundamental para entender la lógica digital, y al agregarle displays de 7 segmentos, podemos visualizar los resultados de manera más sencilla y clara.

También, se puede definir un sumador o un contador como un circuito lógico que calcula la operación suma. De hecho, en los computadores modernos se encuentra en lo que se denomina Unidad aritmética lógica (ALU). 

Generalmente, realizan las operaciones aritméticas en código binario decimal o BCD exceso 3, por regla general los sumadores emplean el sistema binario. Pero, en los casos en los que se esté empleando un complemento a dos para representar números negativos, el sumador se convertirá en un sumador- substractor (Adder-subtracter).

Tipos de Sumadores:

Existen varios tipos de sumadores que se utilizan en la lógica digital, cada uno con características específicas dependiendo de la complejidad y eficiencia que se requiera en un circuito. A continuación, se explican los principales tipos de sumadores utilizados en electrónica:

Half-Adder (Sumador Medio)

El Half-Adder es el tipo de sumador más simple y realiza la suma de dos bits de entrada, generando una suma y un acarreo. Sin embargo, este tipo de sumador no tiene en cuenta el acarreo de una posición anterior, por lo que solo es útil en la suma del primer bit de dos números binarios.

• Entradas: A (primer bit), B (segundo bit)
• Salidas: Suma (S) y Acarreo (C)
• Ecuaciones:
  • S = A ⊕ B (suma usando XOR)
  • C = A ∧ B (acarreo usando AND)

Este sumador es ideal para operaciones sencillas, pero no se puede usar solo para sumar números con más de un bit.

Full-Adder (Sumador Completo)

El Full-Adder es una mejora del Half-Adder, ya que suma tres bits en lugar de dos. Es decir, que además de los dos bits que se suman, el Full-Adder toma en cuenta un acarreo de la posición anterior, lo que lo hace útil en sumas de varios bits.

• Entradas: A (primer bit), B (segundo bit), Cin (acarreo de la posición anterior)
• Salidas: Suma (S) y Acarreo (Cout)
• Ecuaciones:
  • S = A ⊕ B ⊕ Cin
  • Cout = (A ∧ B) ∨ (Cin ∧ (A ⊕ B))

El Full-Adder es el bloque básico para construir sumadores de varios bits, como el sumador de 4 bits, y para sumar números binarios más largos, se conectan varios Full-Adders en cascada.

Método Ripple Carry Adder (Sumador de Arrastre en Cascada)

El Ripple Carry Adder es una estructura que conecta varios Full-Adders en serie para sumar números de más de 1 bit, como un sumador de 4 bits o de mayor tamaño. De esta forma, el acarreo generado por cada Full-Adder se pasa al siguiente en la cadena, de ahí el término “ripple” (arrastre).

• Funcionamiento: La suma empieza en el bit menos significativo y el acarreo se propaga hacia los bits más significativos, como una ola. Este método es simple, pero tiene una desventaja: el tiempo de retraso. A medida que el acarreo se propaga de un Full-Adder al siguiente, el circuito se ralentiza, especialmente en sumadores con muchos bits.
• Ventaja: Fácil de implementar.
• Desventaja: Tiempo de propagación del acarreo, que incrementa a medida que se suman más bits.

Carry-Look-Ahead Adder (Sumador de Acarreo Adelantado)

El Carry-Look-Ahead Adder es una mejora del Ripple Carry Adder en términos de velocidad. Esto es debido a que en lugar de esperar a que el acarreo se propague bit a bit, este sumador calcula los acarreos de cada posición de manera simultánea, usando una lógica más compleja, lo que permite que el circuito sea mucho más rápido.

• Funcionamiento: Utiliza ecuaciones booleanas para predecir si se generará o propagará un acarreo en cada bit. Esto reduce considerablemente el tiempo de espera, permitiendo realizar la suma en paralelo en lugar de secuencialmente.
• Ventaja: Es mucho más rápido que el Ripple Carry Adder, especialmente en sumadores con muchos bits.
• Desventaja: Tiene mayor complejidad en su implementación, debido al mayor número de puertas lógicas necesarias.

Carry-Select Adder (Sumador de Selección de Acarreo)

El Carry-Select Adder es otra técnica que mejora la velocidad de la suma, pues este sumador divide el número de bits en grupos más pequeños y realiza dos sumas en paralelo para cada grupo: una suponiendo que el acarreo de la posición anterior es 0 y otra suponiendo que es 1. Una vez que se conoce el acarreo real, el circuito selecciona el resultado correcto.

• Funcionamiento: Se realizan dos sumas en paralelo por grupo de bits, y se selecciona el resultado final en función del acarreo de la posición anterior.
• Ventaja: Es más rápido que el Ripple Carry Adder, ya que reduce el tiempo de espera para que el acarreo se propague.
• Desventaja: Requiere más hardware (puertas lógicas) porque realiza dos sumas por cada grupo de bits.

Archivos a usar para construir un sumador de 4 Bits

Puedes descargar los archivos a utilizar para construir el sumador de 4 Bits a través del siguiente enlace a Google Drive.

Materiales necesarios para construir un sumador de 4 Bits

Para este proyecto, necesitarás usar los siguientes componentes:

• 4 x 7490
• 13 x LEDs y resistencias de 220/330Ω
• 4 x 7447/7448
• 4 x Displays de 7 segmentos (ánodo común o cátodo común)
• 1 x 7408 (AND)
• Botones pulsadores y resistencias de 10kΩ

Guía paso a paso para la Construcción del Sumador de 4 Bits

Una vez que hayas reunido los materiales necesarios y los archivos, será el momento de iniciar con el proceso de construcción del Sumador de 4 Bits siguiendo los siguientes pasos:

1. Configuración del Contador:

Utiliza los circuitos integrados 7490 para configurar tu contador que contará desde 0 hasta 15. Luego, conecta cada IC de manera que cada uno represente un bit en tu sumador.

2. Conexión de los Displays de 7 Segmentos:

Utiliza los decodificadores 7447 para conectar los displays de 7 segmentos. Estos decodificadores convertirán las señales binarias en señales que puedan interpretar los displays, permitiendo la visualización de los números.

3. Uso de Compuertas Lógicas:

Conecta las compuertas AND (7408), OR (7432), y NOT (7404) según el diseño del sumador. Estas compuertas te ayudarán a manejar las operaciones lógicas necesarias para sumar los bits correctamente.

4. Interacción Manual con Botones Pulsadores:

Reemplaza los estados lógicos con botones pulsadores y resistencias de 10kΩ para una interacción más dinámica y manual, proporcionando una comprensión más profunda de cómo funcionan las operaciones lógicas en tu sumador.

5. Depuración y Simulación

Este es el momento de la depuración en Proteus, y, para ello, usa las herramientas de simulación de Proteus para verificar que tu circuito esté funcionando correctamente. Luego, prueba cada bit y observa cómo los resultados se muestran en los displays de 7 segmentos.

Consejos adicionales para una correcta Construcción del Sumador de 4 Bits

• Verifica las conexiones de cada componente.
• Asegúrate de que las compuertas lógicas estén conectadas correctamente según la tabla de verdad del sumador.
• Utiliza las herramientas de monitoreo en Proteus para rastrear señales y detectar posibles errores.

Guía paso a paso para la Construcción del Sumador de 4 Bits en YouTube

Resultado Final

Si has seguido todos los pasos correctamente para construir el Sumador de 4 Bits, al final, te debería quedar un resultado como el siguiente:

Con este tutorial deberías poder contar desde 0 hasta 15 en los displays de 7 segmentos. Además, cada número se visualizará correctamente gracias a la configuración de los decodificadores 7447, garantizando una transición suave y precisa entre los dígitos.