ELECTRÓNICA DIGITAL

1. Compuertas lógicas y sistemas combinacionales.

1.1. Función Buffer.

1.1.1. Se puede decir que la función buffer o igualdad es un tipo de razonamiento que contiene una sola premisa y una sola conclusión. Si la premisa existe, la conclusión también. Si la premisa no existe, la conclusión tampoco. Su ecuación es y = a. La salida s es 1 si y solo si la variable a toma el valor 1. El circuito función buffer más sencillo que se puede realizar es la conexión en serie de un interruptor S1 y de una lámpara L, a una fuente de tensión continua de valor Ub.

1.2. Generalidades.

1.2.1. Se denominan circuitos combinacionales aquellos circuitos en los que el estado lógico de la salida depende únicamente del estado de sus entradas sin intervenir el tiempo. Por ello este tipo de circuitos, basados en la utilización de puertas lógicas, se resuelven mediante tablas de verdad. En estas tablas se recogen todas las combinaciones posibles de señal de entrada, determinando lógicamente la respuesta del circuito para cada caso. El empleo de estas unidades lógicas está muy extendido y su aplicación toca campos tan diferentes como son la electrónica de cálculo y la electrónica industrial. Estos circuitos se pueden agrupar en dos grandes familias. Por un lado tendríamos los circuitos de puertas lógicas puras y el resto de circuitos integrados que obedecen a una tabla de verdad, que en algunos casos están integrados por puertas interconectadas para conseguir algún tipo de codificación especial. En esta familia se integran los codificadores, decodificadores y sumadores. Para analizar estos elementos, se describen a continuación los diferentes dispositivos (puertas) que existen en el mercado y se comparan con circuitos eléctricos cuyo comportamiento sería muy similar.

2. Tablas de verdad de Compuertas lógicas.

2.1. Las compuertas lógicas son uno de los dispositivos más comunes dentro de la electrónica digital, A pesar de que cada una de estas es capaz de realizar operaciones lógicas básicas. Ya sea, multiplicar, negar, afirmar, sumar, incluir o excluir, se caracterizan principalmente por representar un valor verdadero o falso en su salida. Cada una de las compuertas lógicas puede ser representada mediante un símbolo gráfico.

2.1.1. Como funcionan: Dentro de la electronica digital existen dos estados lógicos el “1” es cuando el voltaje esta por encima del umbral y el estado “0” es cuando esta por debajo. Cada una de las compuertas se encarga de verificar el estado lógico de sus entradas(1 o 0), para poder compararlas y poder mostrarte el resultado. Hoy en día podemos saber el estado de su salida gracias a una tabla de verdad que nos proporciona todos los estados posibles de cada una de las compuertas.

2.2. Una tabla de verdad representa todos los estados y combinaciones posibles que puede tener en sus entradas y el valor que toma la salida en cada caso.

3. Codificadores, Multiplexores, Decodificadores y Demultiplexores.

3.1. Codificador

3.1.1. Un codificador es un circuito combinacional con 2N entradas y N salidas, cuya misión es presentar en la salida el código binario correspondiente a la entrada activada. Existen dos tipos fundamentales de codificadores: codificadores sin prioridad y codificadores con prioridad. En el caso de codificadores sin prioridad, puede darse el caso de salidas cuya entrada no pueda ser conocida: por ejemplo, la salida 0 podría indicar que no hay ninguna entrada activada o que se ha activado la entrada número 0. Además, ciertas entradas pueden hacer que en la salida se presente la suma lógica de dichas entradas, ocasionando mayor confusión. Por ello, este tipo de codificadores es usado únicamente cuando el rango de datos de entrada está correctamente acotado y su funcionamiento garantizado.

3.2. Decodificador

3.2.1. Un decodificador o descodificador es un circuito combinacional, cuya función es inversa a la del codificador, esto es, convierte un código binario de entrada (natural, BCD, etc.) de N bits de entrada y M líneas de salida (N puede ser cualquier entero y M es un entero menor o igual a 2N), tales que cada línea de salida será activada para una sola de las combinaciones posibles de entrada. Estos circuitos, normalmente, se suelen encontrar como decodificador / demultiplexor. Esto es debido a que un demultiplexor puede comportarse como un decodificador. Si por ejemplo tenemos un decodificador de 2 entradas con 22=4 salidas, en el que las entradas, su funcionamiento sería el que se indica en la siguiente tabla, donde se ha considerado que las salidas se activen con un "uno" lógico:

3.3. Multiplexores

3.3.1. Los multiplexores son circuitos combinacionales con varias entradas y una única salida de datos, están dotados de entradas de control capaces de seleccionar una, y sólo una, de las entradas de datos para permitir su transmisión desde la entrada seleccionada hacia dicha salida. En el campo de la electrónica el multiplexor se utiliza como dispositivo que puede recibir varias entradas y transmitirlas por un medio de transmisión compartido. Para ello lo que hace es dividir el medio de transmisión en múltiples canales, para que varios nodos puedan comunicarse al mismo tiempo. Ejemplo de un Multiplexor multiplexor comercial TTL 74150 que tiene las siguientes características: Consta de 16 entradas de datos. Tiene una única salida invertida w (pin 10). Posee cuatro entradas selectoras de datos de A a D (pin 15 al 11). Tiene una entrada de habilitación denominada STROBE que se considera como un conmutador ON-OFF.

3.4. Demultiplexor

3.4.1. Es un circuito combinacional que tiene una entrada de información de datos d y n entradas de control que sirven para seleccionar una de las 2n salidas, por la que ha de salir el dato que presente en la entrada. Esto se consigue aplicando a las entradas de control la combinación binaria correspondiente a la salida que se desea seleccionar. Por ejemplo, si queremos que la información que tenemos en la entrada d, salga por la salida S4, en la entrada de control se ha de poner, de acuerdo con el peso de la mísma, el valor 100, que es el 4 en binario. En el campo de las telecomunicaciones el demultiplexor es un dispositivo que puede recibir a través de un medio de transmisión compartido una señal compleja multiplexada y separar las distintas señales integrantes de la misma encaminándolas a las salidas correspondientes.

4. Circuitos Aritméticos y Lógicos

4.1. Aritmeticos

4.1.1. Estos tienen como objetivo realizar operaciones aritméticas en formato binario o BCD, punto fijo o punto flotante. Dependiendo de la aplicación se utilizarán unos u otros. Son dispositivos MSI que pueden realizar operaciones aritméticas (suma, resta, multiplicación y división) con números binarios. De todos los dispositivos, nos centraremos en los comparadores de magnitud, detectores y generadores de paridad, sumadores y ALU’s; (El diseño MSI surgió gracias a los avances en la tecnología de integración. Estos avances abarataron los costes de producción, y permitieron el desarrollo de circuitos más generales.) Desde el punto de vista de cómo se procesan los datos tendremos que pueden ser del tipo “serie” o “paralelo”. En el primer caso los datos se van presentando al circuito de a un bit por vez, generalmente comenzando primero con el LSB (bit menos sgnificativo). En el segundo, los datos se presentan en formato paralelo, es decir, todos los bits simultáneamente.

4.2. Lógicos

4.2.1. Son aquellos que manejan la información en forma de “1” y “0”, dos niveles lógicos de voltaje fijos. “1” nivel alto o “high” y “0” nivel bajo o “low”. Los circuitos lógicos están compuestos por elementos digitales como la compuerta AND (Y), compuerta OR (O), compuerta NOT (NO) y combinaciones poco o muy complejas de los circuitosantes mencionados. Estas combinaciones dan lugar a otros tipos de elementos digitales como los compuertas, entre otros: – compuerta nand (No Y) – compuerta nor (No O) – compuerta or exclusiva (O exclusiva) – mutiplexores o multiplexadores – demultiplexores o demultiplexadores – decodificadores – codificadores – memorias – flip-flops – microprocesadores – microcontroladores – etc

4.2.1.1. La electrónica usa electrónica digital para realizar muchas funciones. Aunque los circuitos electronicos podrían parecer muy complejos, en realidad se construyen de un número muy grande de circuitos muy simples. En un circuito lógico digital se transmite información binaria (ceros y unos) entre estos circuitos y se consigue un circuito complejo con la combinación de bloques de circuitossimples. La información binaria se representa en la forma de: (ver gráficos) – “0” ó “1”, – “abierto” ó “cerrado” (interruptor), – “On” y “Off”, – “falso” o “verdadero”, etc.

5. Análisis de una microcomputadora elemental basado en la estructura física interna

5.1. Un microprocesador es en cierta medida un computador, por lo que gran parte de las dimensiones del cuadro 6 le son aplicables y al mismo tiempo sus valores concretos para estas dimensiones determinan directamente las mismas dimensiones del microcomputador an- fitrión. Utilizando este razonamiento hasta sus últimas consecuencias podemos particularizar el cuadro anterior a la clase específica de las microcomputadoras.

5.1.1. Aunque muchas veces "computadora personal" y "microcomputadora" pueden identificarse sin problemas como una misma cosa, lo más sensato es considerar a los computadores personales como-un subconjunto (de límites muy imprecisos, hay que decirlo) de la clase de microcomputadorás. Para fijar ideas, damos en el cuadro 4 un esquema de características de un computador personal medio, al que podríamos estimar como cota inferior de la categoría'de microcomputadores a los efectos de este texto. "Un computador personal es un computador autónomo de sobremesa, basado en un microprocesador ( es decir, es un microcomputador), de uso individual, interactivo y de precio inferior al de un automóvil medio" (Sáez Vacas, 1987).

5.1.1.1. Una gran parte de las funciones posibles en el microcomputador dependen del microprocesador y, también su potencia y su complejidad, aunque es justo resaltar que la tecnología y la estructura PMS del resto del sistema (es decir, de todo lo que no es microprocesador) juejpn un papel en la especialización de la máquina. En buena medida, las funciones se derivan del software y precisamente todo el software descansa sobre el I.S.P. (véase cuadro. 7), incluyendo de manera notable el software de base (sistema operativo, ensambladores, compiladores, etc....). Intentamos representar estas ideas por la figura 1, en la que el rótulo de "normalización" (o estandarización) nos señala que dos microcomputadoras (de entre los cientos de marcas diferentes en el mercado mundial) están obligadas a ser bastante parecidas si contienen el mismo microprocesador.

6. Elementos de memoria y sistemas secuenciales.

6.1. Sistemas secuenciales

6.1.1. A diferencia de los sistemas combinacionales, en los sistemas secuenciales, los valores de las salidas, en un momento dado, no dependen exclusivamente de los valores de las entradas en dicho momento, sino también dependen del estado anterior o estado interno.1​ El sistema secuencial más simple es el biestable, de los cuales, el de tipo D (o cerrojo) es el más utilizado actualmente. El sistema secuencial requiere de la utilización de un dispositivo de memoria que pueda almacenar la historia pasada de sus entradas (denominadas variables de estado) y le permita mantener su estado durante algún tiempo, estos dispositivos de memoria pueden ser sencillos como un simple retardador o celdas de memoria de tipo DRAM, SRAM2​ o multivibradores biestables también conocido como Flip-Flop1​ entre otros.

6.1.1.1. En este tipo de registro, la información es introducen en el registro en paralelo simultáneamente en todos los biestables, por el contrario, la salida de los bits se obtienen en serie, una vez transcurridos tantos ciclos de reloj como número de biestables compongan el registro.

7. Flip-Flops, Registros y contadores

7.1. El "Flip-flop" es el nombre común que se le da a los dispositivos de dos estados, que sirven como memoria básica para las operaciones de lógica secuencial. Los Flip-flops son ampliamente usados para el almacenamiento y transferencia de datos digitales y se usan normalmente en unidades llamadas "registros", para el almacenamiento de datos numéricos binarios.

8. Memoria de acceso aleatorio

8.1. La memoria de acceso aleatorio o RAM es el hardware físico dentro de un ordenador que almacena datos de manera temporal, sirviendo de memoria operativa del ordenador. La RAM permite adicionalmente a un ordenador trabajar con más información al mismo tiempo sin perjudicar el rendimiento del sistema. Entre los fabricantes de RAM más sobresalientes se encuentran Kingston, PNy, Crucial Technology y Crosair. Nota: la RAM también se conoce como memoria principal, memoria primaria, almacenamiento primario o memoria stick.

8.1.1. El propósito de la RAM es proporcionar un rápido acceso de lectura y escritura a un dispositivo de almacenamiento. El ordenador utiliza la RAM para cargar datos, ya que es mucho más rápido que ejecutar esos datos desde un disco duro. Una analogía clara para entender el uso que se le da a la RAM es pensar a esta memoria como un escritorio de oficina, en donde sobre él se encuentran todos los documentos importantes y las herramientas de escritura que se necesitarán en forma contínua. De no existir el escritorio, mantendríamos todos los documentos y otros elementos almacenados en cajones o archivos, lo que provocaría llevarnos más tiempo acceder a visualizar los documentos o hacer uso de otras herramientas de uso frecuente.

9. Convertidores A/D y D/A.

9.1. A/D

9.1.1. El tiempo de conversión es otro aspecto importante en un ADC. Como se puede observar, la conversión de una señal analógica en una palabra digital es un proceso que requiere un determinado tiempo. Se necesita un determinado tiempo para muestrear la señal analógica, digitalizarla. y presentar el resultado a la salida del convertidor. El tiempo de conversión es el período de tiempo requerido para completar el proceso. Puede ser desde microsegundos (para convertidores muy rápidos) a milisegundos (convertidores muy lentos). Puesto que una conversión A/D es un proceso sincronizado muy exacto, se necesita una señal de reloj en la mayoría de los casos.

9.2. -D/A

9.2.1. Los convertidores digitalanalógico (DAC: Digital te Analog Converter) traducen las palabras entregadas en binario por una computadora u otro circuito a niveles analógicos proporcionales al valor binario presentado. Uno de las utilizaciones más próximas a nosotros son los convertidores DAC de los compact disc”. Un DAC se utiliza para convertir los datos digitales grabados en un disco compacto en una señal de audio de alta fidelidad. La resolución de un DAC es el número de niveles analógicos que es capaz de generar a la salida y está directamente relacionado con el número de bits que componen la palabras binarias que admite a su entrada.