UNIDAD 1: Introducción a la electrónica

digital

1. ELECTRÓNICA ANALÓGICA Y ELECTRÓNICA DIGITAL La electrónica estudia el comportamiento de los electrones en los circuitos con el fin deconseguir que “los electrones hagan lo que nosotros queramos”.

La electrónica se puede dividir en dos grandes ramas: la analógica y la digital.

Aplicaciones: radio, televisión,ordenadores, robots, etc..

SEÑALES ANALÓGICAS

La electrónica analógica se fundamenta en el tratamiento y manejo de las señales eléctricas de tipo analógico. Los fenómenos físicos suelen variar de forma continua. Ejemplo: el sonido irá tomando diferentes valores de intensidad según transcurre el tiempo.

Mediante un micrófono es posible transformar dicha señal de audio en una pequeña señal eléctrica donde el nivel de tensión siga las mismas variaciones que el sonido. Esta señal eléctrica es análoga a la señal de audio original y se la conoce como señal analógica.

(mV)

(V)

Señal analógica: es aquella que varía de forma continua, tal como lo hacen las magnitudes físicas en la naturaleza, como las variaciones del sonido, luz, temperatura, etc.

SEÑALES DIGITALES

La electrónica digital se fundamenta en el tratamiento y manejo de las señales digitales, más simples que las analógicas, ya que la información se procesa en dos únicos estados. Estos dos estados se conocen como niveles lógicos y a cada uno se le asigna una cifra o dígito, el “1” y el “0”; lo que da lugar a las señales digitales o binarias.

En comparación con la señal analógica que varía de forma continua, la señal digital sólo toma dos valores (1 ó 0).

Las señales analógicas se pueden convertir en digitales mediante un conversor analógico digital (ADC). La información obtenida consiste en una secuencia enorme de unos y ceros y se puede guardar en un soporte de tipo digital (DVD, CD, disco duro, pendrive, etc.).

Si aplicásemos esta secuencia de unos directamente a un altavoz oiríamos un sonido parecido al que produce un fax.

Por tanto, si deseamos transferir el sonido en formato digital a un altavoz hay que convertir previamente las señales digitales en señales analógicas mediante el conversor digital analógico (DAC).

¿Cómo se convierte una señal analógica a digital?

Se mide el valor de la señal cada cierto intervalo de tiempo (muestreo). A cada muestra o medida se le asigna un código de bits.

Así para una digitalización de 8 bits se asigna a cada muestra un código de 8 bits en función del valor de la muestra, consiguiendo 256 permutaciones de unos y ceros que van desde el 00000000 al 11111111.

El resultado final es una señal digital con una enorme cantidad de secuencias de cifras binarias de 8 dígitos.

¿Cuál es la ventaja de los sistemas digitales frente a los analógicos?

Ejemplo:

La TV analógica es susceptible de recibir una imagen defectuosa debido a interferencias electromagnéticas (ej. tormentas).

Sin embargo, en la TV digital (TDT) se transmite en forma de unos y ceros y aunque se modifique algo el valor de la tensión que corresponde a un “1” o un “0”, la cifra no se ve modificada. Por decirlo de otra forma, si yo digo el “1” en voz alta, seguirá también siendo el “1” en voz baja, siempre y cuando se pueda oir.

La gran ventaja es que las señales digitales se pueden almacenar, procesar y transmitir en forma de dígitos o cifras. Esta información es mucho más difícil que se perturbe por interferencias.

Circuitos integrados:Los circuitos digitales que se utilizan de forma repetitiva se pueden integrar en un solo chip, aportando muchas funciones en un espacio muy reducido y a bajo coste.

Aplicaciones de la electrónica digital:• Cámaras fotográficas digitales.• Pendrives.• Polímetros digitales.•Teléfonos móviles.• PDAs• Tarjetas de memoria.• Escáner.• Etc…

¿Cuáles son las ventajas de la electrónica digital frente a la analógica?

2. SISTEMAS DE NUMERACIÓN

Sistema de numeración: es un conjunto ordenado de símbolos o dígitos y las reglas que se utilizan para formar cantidades numéricas. Estudiaremos los sistemas de numeración decimal (el que utilizamos habitualmente), binario (para codificación de las señales digitales), octal y hexadecimal.

2.1 Sistema decimalTiene 10 dígitos (de 0 a 9), por tanto su base es 10.El lugar que ocupa cada dígito en una cifra nos indica su valor. Ejemplo: 96510 = 900 + 50 + 6 = 9∙100 + 5∙10 + 6∙1 = 9∙102+5∙101+6∙100

Conclusión: la cifra se descompone multiplicando cada dígito por la base elevada al numero que representa la posición que ocupa.

•Dígito: es un símbolo que no es combinación de otros y representa un entero positivo. Bit: es un dígito binario (0 o 1).

•Base: número de dígitos diferentes usados en un sistema.

2.2. Sistema binarioTiene sólo dos dígitos (0 y 1), por tanto su base es 2.

Pasar de DEC→BIPasar de BIN→DEC

2.3. Sistema octalLa conversión de un númerooctal en un número binario serealiza sustituyendo cada dígitooctal por su equivalente de tresbits que se indica en la tabla deequivalencias:

2.4. Sistema hexadecimalTiene base 16 (10 dígitos numéricosy 6 alfabéticos). En la tabla semuestra las equivalencias entredecimal, hexadecimal y binario.

3. CÓDIGOS

Son formas de representar (codificar) lainformación que procesan los sistemasdigitales, utilizando combinaciones deunos y ceros.3.1. Código BCD natural: representa cadadígito decimal por su equivalente enbinario, según tabla siguiente. 3.2. Código ASCII: es el código utilizado en los

teclados del ordenador. Utiliza 7 bits para codificar números, letras, símbolos, etc.Ejemplo: la palabra “Hola” se representa en ASCII así:

Busca el código ASCII en Internet y realiza la siguiente actividad:

ACTIVIDADES PROPUESTAS

4. NIVELES LÓGICOS DE LAS SEÑALES DIGITALESLa electrónica digital trabaja sólo con dos estados posibles (0 y 1). A cada uno de estos estados se le asigna una tensión. En adelante el “1” equivale a una tensión de nivel alto (5 V) y el “0” a una tensión de nivel bajo (0 V). Esto se llama lógica positiva y al contrario lógica negativa.

5. PUERTAS LÓGICASSon los componentes básicos que se utilizan en electrónica digital para realizar circuitos. Las puertas lógicas se encuentran en los circuitos integrados y constan de varias entradas y una salida.5.1. Puerta OR

Esta puerta realiza la función SUMAPara que S=1 tiene que ser 1 al menos una de sus entradas.

Para entender mejor esta puerta OR podemos realizar su simulación con interruptores.• Un interruptor abierto se corresponde con un “0” y un interruptor cerrado con un “1”.• La lámpara se enciende (S=1) si se cierra uno o ambos interruptores.

5.2. Puerta ANDEsta puerta realiza la funciónPRODUCTO. La salida S=1 sólosi ambas entradas están a 1.

A la izquierda se muestra la simulación de una puerta AND mediante interruptores. La lámpara sólo se enciende (S=1) si se cierra ambos interruptores a la vez.

5.3. Puerta NOT

5.4. Puerta NOR

5.5. Puerta NAND

La salida es el inverso de la entrada.La función que realiza la puerta NOT es:

Su funcionamiento es el inverso de la puerta OR.La función que realiza la puerta NOR es:

Su funcionamiento es el inverso de la puerta AND.La función que realiza la puerta NAND es:

5.6. Puerta XOR (Or-Exclusiva)

5.7. Puerta XNOR

S=1 si el número de unos en las entradas es impar.

La función que realiza la puerta XOR es:

Su funcionamiento es el inverso de la XOR.

La función que realiza la puerta XNOR es:

6. DISEÑO DE CIRCUITOS COMBINACIONALES CON PUERTAS LÓGICASCon la combinación de diferentes puertas se pueden construir circuitos que resuelven una determinada aplicación práctica. Veamos un ejemplo:

1º TABLA DE VERDAD A=10 KW; B=20 KW; C=30 KW

2º FUNCIÓN LÓGICA

3º DIAGRAMA LÓGICO

Solución: Observando el circuito, se deduce que la funcióny la tabla de verdad:

ACTIVIDADES PROPUESTAS

7. CONSTRUCCIÓN DE PUERTAS LÓGICAS CON CIRCUITOS INTEGRADOS Las puertas lógicas se encuentran dentro de los circuitos integrados (Cis). La siguiente tabla muestra una clasificación de los CIs según su escala de integración.

Cada uno de los terminales del CI va numerado, correspondiendo el 1 a un agujero que se sitúa en el extremo inferior izquierdo.

8. FAMILIAS LÓGICASUna familia lógica es el conjunto de todos los componentes lógicos fabricados con la misma tecnología. Las dos familias lógicas más utilizadas en la actualidad son la TTL basada en transistores bipolares y la CMOS basada en transistores unipolares de efecto campo.

8.1. Características de una familia lógica

a) Tensión de alimentación: para que un CI funcione es necesario conectarlo a una fuente de alimentación. El positivo a Vcc y el negativo a GND.

b) Niveles de tensión de entrada y salidaLos niveles de tensión de entrada indican la tensión que hay que aplicar a entrada de una puerta para que ésta lo acepte como un estado lógico “1” o “0”. Vienen indicados en las hojas de características de los fabricantes.Dado que las puertas se interconectan entre sí es importante conocer el nivel de tensión de salida que suministra para así asegurarnos del nivel lógico que proporciona.

c) Inmunidad al ruidoIndica la capacidad de una puerta para tolerar las fluctuaciones de tensión no deseadas sin que se vean afectados los niveles lógicos de salida.

d) Disipación de potenciaLos circuitos lógicos consumen una cierta potencia cuando entran en funcionamiento. Esta potencia se transforma en calor por efecto Joule, lo que provoca una elevación de temperatura que podría dañarlos si no se diseñan adecuadamente.

e) Capacidad de carga (fan-out)Indica el máximo número de puertas que se pueden conectar a la salida de otra puerta de la misma familia.

f) Retardo de propagaciónEs el tiempo que transcurre desde que aplicamos una señal de entrada a una puerta lógica y ésta cambia de estado en su salida.

8.2. Comparativa entre las familias lógicas

Al elegir una familia lógica (TTL o CMOS) en un diseño hay que ver qué características son las que mejor se adaptan, teniendo en cuenta que siempre será mejor :

8.3. Familia lógica TTL (Transistor-Transistor-Logic)Etá constituida por resistencias, diodos y transistores bipolares. En la figura se muestra el circuito interno de una puerta NAND de dos entradas.

La familia TTL ha sido predominante en el mercado durante más de 20 años debido a su bajo coste y gran variedad de circuitos. En la actualidad están siendo desplazadas por las CMOS.

Para identificar las puertas que van en cada CI se le añade un par de dígitos a la denominación de la serie. Así p.e. el 7404 corresponde con un CI TTL de 6 puertas NOT.

A continuación se muestra los diagramas de conexión del 7404 y 7408 de la familia TTL.

8.4. Familia lógica CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)Construye sus puertas con transistores MOSFET. Ejemplo:

Comparando la familia CMOS con TTL se observa que los CMOS tienen:Ventajas:• Mayor inmunidad al ruido.•Tensión de alimentación más flexible.• Menor consumo.• Mayor densidad de integración.

Desventajas:• El tiempo de propagación de CMOS es mayor que TTL.•Son más sensibles a la electricidad estática.

CUESTIONARIO

13. Define los siguientes conceptos: señal analógica, señal digital, proceso de muestreo, digitalización, sistema numérico, dígito, bit y base.

14. Realiza una tabla que contenga todas las puertas lógicas, su símbolo y tabla de verdad.

15. ¿Qué es un código? Escribe el código BCD natural

16. ¿Qué es una familia lógica?

17. Explica las características: inmunidad al ruido y fan-out.

18. Compara las familias TTL y CMOS.