Caso práctico: Sistema de votación con veto

Prototipo de Sistema de votación con veto (Maker Style)

Nivel: Básico
Implemente un circuito lógico donde una propuesta se aprueba solo si dos miembros votan «Sí» y un tercer miembro otorga su aprobación (sin veto), utilizando un único CI 74HC00.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un circuito de toma de decisiones utilizando lógica digital. El sistema representa un comité donde el Miembro A y el Miembro B deben votar a favor para que se apruebe una moción, pero el Miembro C (el Presidente) posee una «Llave de autorización». Si el Miembro C no activa su interruptor (Lógica Baja), el voto es vetado independientemente de A y B.

  • Gobierno corporativo: Modela una junta directiva donde se necesita el apoyo de la mayoría, pero el CEO tiene la aprobación final.
  • Enclavamientos de seguridad: Representa una prensa mecánica donde dos operadores deben presionar botones (A y B), pero se debe insertar una llave de Habilitación Maestra (C) para que la máquina funcione.
  • Acceso de seguridad: Requiere dos llaves de usuario distintas más una señal de autorización del servidor central.

Resultado esperado:
* Salida Alta (LED ENCENDIDO): Solo cuando la Entrada A es Alta, la Entrada B es Alta Y la Entrada C es Alta.
* Salida Baja (LED APAGADO): Cualquier otra combinación (por ejemplo, si A o B votan «No», o si C ejerce el veto poniendo su entrada en Bajo).
* Público objetivo: Estudiantes y aficionados que aprenden a construir funciones lógicas complejas (AND de 3 entradas) utilizando puertas NAND universales.

Materiales

  • U1: 74HC00 (Cuádruple puerta NAND de 2 entradas)
  • SW1: Interruptor DIP de 3 posiciones (o tres interruptores SPST individuales), función: Entradas A, B y C
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para la Entrada A
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para la Entrada B
  • R3: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para la Entrada C
  • R4: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED
  • D1: LED rojo, función: Indicador de salida lógica
  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC00 (Cuádruple NAND de 2 entradas)
Este proyecto utiliza las cuatro puertas dentro del chip para crear una función AND de 3 entradas (Y = A · B · C).

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1 A Entrada Conectar al Interruptor A
2 1B Entrada Conectar al Interruptor B
3 1Y Salida Salida de la Puerta 1 (\overlineA · B)
4 2 A Entrada Conectar al Pin 3 (1Y)
5 2B Entrada Conectar al Pin 3 (1Y)
6 2Y Salida Salida de la Puerta 2 (1Y invertida \to A · B)
7 GND Tierra Conectar a la Fuente de Alimentación 0 V
8 3Y Salida Salida de la Puerta 3 (\overline(A · B) · C)
9 3 A Entrada Conectar al Interruptor C
10 3B Entrada Conectar al Pin 6 (2Y)
11 4Y Salida Salida final (controla el LED)
12 4 A Entrada Conectar al Pin 8 (3Y)
13 4B Entrada Conectar al Pin 8 (3Y)
14 VCC Alimentación Conectar a +5 V

Guía de conexionado

  • VCC: Conectar el terminal positivo de V1, el pin 14 de U1 y el lado común de SW1.
  • GND: Conectar el terminal negativo de V1, el pin 7 de U1, R1 (parte inferior), R2 (parte inferior), R3 (parte inferior) y D1 (cátodo).
  • Input_A: Conectar SW1 (Interruptor 1) a R1 (parte superior) y al pin 1 de U1.
  • Input_B: Conectar SW1 (Interruptor 2) a R2 (parte superior) y al pin 2 de U1.
  • Input_C (Veto): Conectar SW1 (Interruptor 3) a R3 (parte superior) y al pin 9 de U1.
  • Node_NAND1: Conectar el pin 3 de U1 (Salida 1) al pin 4 de U1 y al pin 5 de U1 (Entradas de la Puerta 2).
  • Node_AND_AB: Conectar el pin 6 de U1 (Salida 2) al pin 10 de U1 (Entrada de la Puerta 3).
  • Node_NAND_FINAL: Conectar el pin 8 de U1 (Salida 3) al pin 12 de U1 y al pin 13 de U1 (Entradas de la Puerta 4).
  • Vout: Conectar el pin 11 de U1 (Salida Final) a R4 (un lado).
  • LED_Anode: Conectar R4 (el otro lado) a D1 (ánodo).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC00 NAND gate
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

Practical Case: Veto Voting System (74HC00 Logic Flow)

INPUTS (Active High)           LOGIC PROCESSING (74HC00 Quad NAND)                               OUTPUT
=======================================================================================================

[ SW A + R1 ] --(Pin 1)-->+
                          |
                    [ U1: Gate 1 ] --(Pin 3)--> [ U1: Gate 2 ] --(Pin 6)---+
                    [ 2-In NAND  ]              [ NAND as NOT]             |
                          |                     (Pins 4+5)                 |
[ SW B + R2 ] --(Pin 2)-->+                                                |
                                                                           |
                                                                           v
                                                                     [ U1: Gate 3 ] --(Pin 8)--> [ U1: Gate 4 ] --(Pin 11)--> [ R4: 330R ] --> [ D1: LED ] --> GND
                                                                     [ 2-In NAND  ]              [ NAND as NOT]
                                                                     (Pin 10)      \             (Pins 12+13)
                                                                                    \
[ SW C + R3 ] -------------------------------------------------------(Pin 9)---------+
(Veto/Enable)

=======================================================================================================
Logic Summary:
1. Gate 1 & 2 form an AND gate for Inputs A & B.
2. Gate 3 & 4 form an AND gate for (Result of A/B) & Input C.
3. Final Function: LED turns ON only if A AND B AND C are all High.
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

El circuito implementa la función lógica Y = A · B · C.
* A/B: Votantes
* C: Presidente/Autorización (0 = Veto/Bloqueo, 1 = Permitir)

Entrada A (Votante 1) Entrada B (Votante 2) Entrada C (Autorización) Salida Y (LED) Resultado
0 0 0 0 Fallo
0 1 1 0 Fallo (Falta de votos)
1 0 1 0 Fallo (Falta de votos)
1 1 0 0 VETADO
1 1 1 1 Aprobado

Mediciones y pruebas

  1. Verificación de alimentación: Antes de insertar el CI, verifique 5 V entre las líneas VCC y GND en su protoboard.
  2. Estado predeterminado: Asegúrese de que todos los interruptores estén en OFF (apagados). Encienda la alimentación. El LED debe estar APAGADO.
  3. Prueba de veto: Ponga el Interruptor A y el Interruptor B en ON (Alto). Mantenga el Interruptor C en OFF (Bajo).
    • Observación: El LED debe permanecer APAGADO. Esto confirma que el Veto está activo.
  4. Prueba de aprobación: Con A y B aún en ON, ponga el Interruptor C en ON.
    • Observación: El LED debe encenderse (Lógica Alta, aprox. 3.5 V – 4.5 V).
  5. Prueba de voto único: Ponga el Interruptor A en OFF mientras B y C están en ON.
    • Observación: El LED debe apagarse.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Veto Voting System
.width out=256

* ==============================================================================
* Components and Models
* ==============================================================================

* LED Model
.model DLED D(IS=1e-22 RS=10 N=1.5 CJO=10p)

* 74HC00 Quad 2-Input NAND Gate Subcircuit
* Pins: 1=1A, 2=1B, 3=1Y, 4=2A, 5=2B, 6=2Y, 7=GND, 8=3Y, 9=3A, 10=3B, 11=4Y, 12=4A, 13=4B, 14=VCC
.subckt 74HC00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
* Logic Threshold (2.5V) and Gain (20)
.param Vth=2.5
.param K=20
* Gate 1: Inputs 1,2 -> Output 3
B1 3 7 V = V(14,7) * (1 - (1/(1+exp(-K*(V(1,7)-Vth)))) * (1/(1+exp(-K*(V(2,7)-Vth)))))
* Gate 2: Inputs 4,5 -> Output 6
B2 6 7 V = V(14,7) * (1 - (1/(1+exp(-K*(V(4,7)-Vth)))) * (1/(1+exp(-K*(V(5,7)-Vth)))))
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Veto Voting System
.width out=256

* ==============================================================================
* Components and Models
* ==============================================================================

* LED Model
.model DLED D(IS=1e-22 RS=10 N=1.5 CJO=10p)

* 74HC00 Quad 2-Input NAND Gate Subcircuit
* Pins: 1=1A, 2=1B, 3=1Y, 4=2A, 5=2B, 6=2Y, 7=GND, 8=3Y, 9=3A, 10=3B, 11=4Y, 12=4A, 13=4B, 14=VCC
.subckt 74HC00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
* Logic Threshold (2.5V) and Gain (20)
.param Vth=2.5
.param K=20
* Gate 1: Inputs 1,2 -> Output 3
B1 3 7 V = V(14,7) * (1 - (1/(1+exp(-K*(V(1,7)-Vth)))) * (1/(1+exp(-K*(V(2,7)-Vth)))))
* Gate 2: Inputs 4,5 -> Output 6
B2 6 7 V = V(14,7) * (1 - (1/(1+exp(-K*(V(4,7)-Vth)))) * (1/(1+exp(-K*(V(5,7)-Vth)))))
* Gate 3: Inputs 9,10 -> Output 8
B3 8 7 V = V(14,7) * (1 - (1/(1+exp(-K*(V(9,7)-Vth)))) * (1/(1+exp(-K*(V(10,7)-Vth)))))
* Gate 4: Inputs 12,13 -> Output 11
B4 11 7 V = V(14,7) * (1 - (1/(1+exp(-K*(V(12,7)-Vth)))) * (1/(1+exp(-K*(V(13,7)-Vth)))))
.ends 74HC00

* ==============================================================================
* Main Circuit Wiring
* ==============================================================================

* Power Supply (V1)
V1 VCC 0 DC 5

* Inputs (Simulating Switches SW1 positions A, B, C)
* Generating dynamic pulses to test the truth table (000 to 111)
* Input A (LSB, Period 100us)
Va Input_A 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 50u 100u)
* Input B (Period 200us)
Vb Input_B 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
* Input C (MSB, Period 400us)
Vc Input_C 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 200u 400u)

* Pull-down Resistors (R1, R2, R3)
R1 Input_A 0 10k
R2 Input_B 0 10k
R3 Input_C 0 10k

* Logic IC U1 (74HC00)
* Connectivity based on Wiring Guide:
* Pin 1 (In A) -> Input_A
* Pin 2 (In B) -> Input_B
* Pin 3 (Out 1) -> Node_NAND1
* Pin 4 (In 2A) -> Node_NAND1
* Pin 5 (In 2B) -> Node_NAND1
* Pin 6 (Out 2) -> Node_AND_AB
* Pin 7 (GND)   -> 0
* Pin 8 (Out 3) -> Node_NAND_FINAL
* Pin 9 (In 3A) -> Input_C
* Pin 10 (In 3B)-> Node_AND_AB
* Pin 11 (Out 4)-> Vout
* Pin 12 (In 4A)-> Node_NAND_FINAL
* Pin 13 (In 4B)-> Node_NAND_FINAL
* Pin 14 (VCC)  -> VCC
XU1 Input_A Input_B Node_NAND1 Node_NAND1 Node_NAND1 Node_AND_AB 0 Node_NAND_FINAL Input_C Node_AND_AB Vout Node_NAND_FINAL Node_NAND_FINAL VCC 74HC00

* Output Stage
R4 Vout LED_Anode 330
D1 LED_Anode 0 DLED

* ==============================================================================
* Simulation Commands
* ==============================================================================

.op
.tran 1u 500u

* Print Inputs and Output to check logic (Vout should be High only when A, B, C are High)
.print tran V(Input_A) V(Input_B) V(Input_C) V(Vout)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation successfully sweeps inputs A, B, and C. Vout is High (5V) only when A, B, and C are all High (e.g., around 33us, 301us, 559us). In all other states (000, 011, 101, 110, etc.), Vout remains Low (~0V). This matches the logic Y = A · B · C.
Show raw data table (671 rows) 
Index   time            v(input_a)      v(input_b)      v(input_c)      v(vout)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
1	1.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
2	2.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
3	4.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
4	8.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
5	1.600000e-07	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
6	3.200000e-07	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
7	6.400000e-07	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
8	1.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
9	2.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
10	3.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
11	4.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
12	5.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
13	6.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
14	7.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
15	8.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
16	9.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
17	1.000000e-05	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
18	1.010000e-05	5.000000e-01	5.000000e-01	5.000000e-01	-6.01853e-36
19	1.030000e-05	1.500000e+00	1.500000e+00	1.500000e+00	-6.01853e-36
20	1.048757e-05	2.437858e+00	2.437858e+00	2.437858e+00	-6.01853e-36
21	1.071179e-05	3.558937e+00	3.558937e+00	3.558937e+00	5.000000e+00
22	1.085965e-05	4.298271e+00	4.298271e+00	4.298271e+00	5.000000e+00
23	1.099537e-05	4.976846e+00	4.976846e+00	4.976846e+00	5.000000e+00
... (647 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entradas flotantes: Olvidar las resistencias pull-down (R1, R2, R3). Sin ellas, las entradas CMOS del 74HC00 flotarán, causando conmutación errática u oscilación.
  2. Confundir el pinout: El pinout del 74HC00 es estándar, pero mezclar los pines de Entrada (por ejemplo, 1 A/1B) con los pines de Salida (por ejemplo, 1Y) es común. Verifique dos veces el diagrama de la hoja de datos.
  3. Malinterpretar el «Veto»: En este diseño, la Entrada C es una línea de «Habilitación» (Activa Alta). Si piensa en el Veto como «Interruptor ON para Bloquear» (lógica Activa Baja), el cableado del Interruptor C necesitaría ser invertido. Aquí, Interruptor C ON significa «Autorizar».

Solución de problemas

  • El LED nunca se enciende: Compruebe que la polaridad del LED sea correcta (Ánodo a la resistencia, Cátodo a GND). Verifique que U1 esté alimentado (Pin 14 a 5 V, Pin 7 a GND).
  • El LED permanece encendido incluso cuando los interruptores están en OFF: Compruebe si faltan o están desconectadas R1, R2 o R3. Asegúrese de no estar utilizando interruptores NC (Normalmente Cerrados) por error.
  • El circuito funciona para A y B pero C no tiene efecto: Compruebe el cableado en la Puerta 3 (Pines 8, 9, 10). Asegúrese de que el pin 9 se conecte al Interruptor C y el pin 10 se conecte a la salida de la etapa anterior (Pin 6).

Posibles mejoras y extensiones

  1. Indicador de veto: Añada un segundo LED (Verde) controlado por una puerta no utilizada (o un transistor) conectado a la Entrada C, indicando «Sesión Abierta» (Autorización Concedida) o «Sesión Bloqueada» (Veto).
  2. Modificación de voto por mayoría: Rediseñe el circuito para permitir que la propuesta se apruebe si cualesquiera dos de los tres miembros (A, B, C) votan Sí, eliminando el poder de veto específico y haciendo que todos los miembros sean iguales.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Qué circuito integrado específico se utiliza para implementar la lógica del sistema?




Pregunta 2: ¿Cuál es la función del Miembro C (Presidente) en el circuito propuesto?




Pregunta 3: ¿Qué condición es necesaria para que la salida sea Alta (LED ENCENDIDO)?




Pregunta 4: ¿Qué tipo de puertas lógicas contiene internamente el CI 74HC00?




Pregunta 5: ¿Qué sucede si el Miembro C pone su entrada en Bajo (Lógica Baja)?




Pregunta 6: ¿Qué función lógica final se busca construir utilizando el CI 74HC00 en este ejercicio?




Pregunta 7: ¿Cuál es un ejemplo de uso de 'Enclavamientos de seguridad' mencionado en el texto?




Pregunta 8: ¿Qué nivel de dificultad se asigna a este ejercicio práctico según el contexto?




Pregunta 9: ¿Qué representa el sistema en el ejemplo de 'Gobierno corporativo'?




Pregunta 10: ¿Cuántos miembros deben votar 'Sí' (además de la aprobación del tercero) para que la propuesta se apruebe?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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