Electrónica Digital: Fundamentos y Aplicaciones en Ies Guadiana

Electrónica digital IES GUADIANA 4º ESO

Departamento de tecnología Electrónica digital IES GUADIANA 4º ESO Mª Cruces Romero Vallbona. Curso 2012-2013Electrónica digital IES GUADIANA 4º ESO

Electrónica digital 4º ESO

1. Señales y tipos. 2
2. Ventajas y desventajas de los sistemas digitales 3
3. Operaciones binarias .... 3

Transformación de binario a decimal

1. 1. Transformación de binario a decimal 4
2. 2. Transformación de decimal a binario. 4

......

1. Funciones lógicas y tabla de verdad. 4
2. Puertas lógicas. 5

Puerta AND (y)

1. 1. Puerta AND (y) 6
2. 2 . Puerta lógica OR (o). .... 6
3. 3 Puerta lógica NOT (NO) 7
4. 4. Puerta lógica NOR 8
5. 5 Puerta lógica NAND 8
6. 6. Puerta lógica XOR 9
7. Resolución de problemas 9
8. Ejercicios: 15

Mª Cruces Romero Vallbona 1Electrónica digital IES GUADIANA 4º ESO

Señales y Tipos en Electrónica

Como vimos en el tema anterior, la electrónica es la rama de la ciencia que se ocupa del estudio de los circuitos y de sus componentes que permiten modificar la corriente eléctrica amplificándola, atenuándola, rectificándola y filtrándola y que aplica la electricidad al tratamiento de la información. Por otro lado el término digital deriva de la forma en que las computadoras realizan las operaciones; i.e. contando dígitos o números.

Una señal es la variación de una magnitud que permite transmitir información. Las señales pueden ser de dos tipos:

Señales analógicas: aquellas donde la señal puede adquirir infinitos valores entre dos extremos cualesquiera. La variación de la señal forma una gráfica continua. La mayoría de las magnitudes en la naturaleza toman valores continuos, por ejemplo la temperatura. Para pasar de 20 a 25ºC, la temperatura irá tomando los infinitos valores entre 20 y 25ºC.

Señal max min tiempo (s) Fig 1: Ejemplo de señal analógica.

Señales digitales: las cuales pueden adquirir únicamente valores concretos; i.e. no varían de manera continua.

Señal I 0 tiempo (s) Fig 2: Ejemplo de señal digital.

Mª Cruces Romero Vallbona 2Electrónica digital IES GUADIANA 4º ESO

Para nosotros los sistemas digitales que tienen mayor interés, por ser los que se pueden implementar electrónicamente, son los sistemas binarios. Un sistema binario es aquel en el que las señales sólo pueden tomar dos valores, que representaremos de ahora en adelante con los símbolos 0 y 1. Por ejemplo , el estado de una bombilla sólo puede tener dos valores (0 apagada, 1 encendida). A cada valor de una señal digital se le llama bit y es la unidad mínima de información.

Ventajas y Desventajas de los Sistemas Digitales

El mejor argumento a favor de la mayor flexibilidad de los sistemas digitales se encuentra en los actuales ordenadores o computadoras digitales, basados íntegramente en diseños y circuitos digitales. Las principales ventajas de los sistemas digitales respecto a los analógicos son:

• Mayor facilidad de diseño, pues las técnicas están bien establecidas.
• El ruido (fluctuaciones de tensión no deseadas) afecta menos a los datos digitales que a los analógicos), ya que en sistemas digitales sólo hay que distinguir entre valor alto y valor bajo.
• Las operaciones digitales son mucho más precisas y la transmisión de señales es más fiable porque utilizan un conjunto discreto de valores, fácil de diferenciar entre sí, lo que reduce la probabilidad de cometer errores de interpretación.
• Almacenamiento de la información menos costoso

Los sistemas digitales presentan el inconveniente de que para transmitir una señal analógica debemos hacer un muestreo de la señal, codificarla y posteriormente transmitirla en formato digital y repetir el proceso inverso. Para conseguir obtener la señal analógica original todos estos pasos deben hacerse muy rápidamente (aunque los sistemas electrónicos digitales actuales trabajan a velocidades lo suficientemente altas como para realizarlo y obtener resultados satisfactorios).

Operaciones Binarias en Electrónica Digital

Los ordenadores y en general todos los sistemas que utilizan electrónica digital utilizan el sistema binario. En la electrónica digital sólo existen dos estados posibles (1 o 0) por lo que interesa utilizar un sistema de numeración en base 2, el sistema binario. Dicho sistema emplea únicamente dos caracteres, 0 y 1. Estos valores reciben el nombre de bits (dígitos binarios). Así, podemos decir que la cantidad 10011 está formada por 5 bits.

Al igual que en el sistema decimal, la información transportada en un mensaje binario depende de la posición de las cifras. Por ejemplo, en la notación decimal, sabemos que Mª Cruces Romero Vallbona 3Electrónica digital IES GUADIANA 4º ESO hay una gran diferencia entre los números 126 y 621. ¿ Cómo sabemos esto? Porque los dígitos (es decir, el 6, el 2 y el 1) se encuentran en posiciones diferentes.

Los grupos de bits (combinaciones de ceros y unos) se llaman códigos y se emplean para representar números, letras, instrucciones, símbolos. Cada bit dentro de una secuencia ocupa un intervalo de tiempo definido llamado periodo del bit. En los sistemas digitales todas las señales han de estar sincronizadas con una señal básica periódica llamada reloj .

Transformación de Binario a Decimal

Para pasar de binario a decimal se multiplica cada una de las cifras del número en binario en potencias sucesivas de 2.

1101012 1x25 + 1x24 + 0x23 + 1x22 + 0x21 + 1x2º 1 32 + 16 + 0 + 4 + 0 + 1 = 53 1101012 = 5310

Transformación de Decimal a Binario

El convertir un número decimal al sistema binario es muy sencillo: basta con realizar divisiones sucesivas por 2 hasta que el último cociente sea inferior a 2 y escribir los restos obtenidos en cada división en orden inverso al que han sido obtenidos.

100 2 0 50 2 100 % = 11001002 0 25 2 1 12 2 0 6 2 0 3 1 2 1

Funciones Lógicas y Tabla de Verdad

Dentro de los sistemas digitales nos centraremos en el estudio de los llamados sistemas digitales combinacionales, que se definen, como aquel los sistemas en el que las salidas son solamente función de las entradas actuales, es decir, dependen Mª Cruces Romero Vallbona 4Electrónica digital IES GUADIANA 4º ESO únicamente de las combinaciones de las entradas, de ahí su nombre. Estos sistemas se pueden representar a través de una función digital del tipo F(X) = Y, donde X representa todas las entradas posibles e Y el conjunto de todas las salidas posibles.

Un ejemplo sencillo de sistema combinacional es un portaminas. En este sistema sólo son posibles dos acciones o entradas (pulsar o no pulsar), y sólo son posibles dos salidas (salir la mina o no hacer nada). El sistema es combinacional porque, siempre que se aplique una entrada, la respuesta del sistema sólo depende de esa entrada.

Las relaciones entre variables de entrada y salida se pueden representar en una tabla de verdad. Una tabla de verdad es una tabla que indica que salida va a presentar un circuito para cada una de las posibles combinaciones de sus entradas. (El número total de combinaciones es 2", siendo n el número de las entradas).

También se pueden ver estos ejemplos utilizando interruptores.

NOMBRE DE LA FUNCIÓN TABLA DE VERDAD ESQUEMA ELÉCTRICO Caro F=0 AF-0 DO 1 0 Identidad F=1 A F=1 0 1 1 1 A A F 0 D 1 1 A Negación F - A A F OTO 0 1 1 D A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 B F AD 0 0 D 0 1 0 1 0 D 1 1 1

Puertas Lógicas

Una puerta lógica no es ni más ni menos que un circuito electrónico especializado en realizar operaciones lógicas, es decir, que en función de las variables de entrada Mª Cruces Romero Vallbona 5 AID Suma o Unión F = A + B D Producto o Intersección F = A.B A Igualdad F = AElectrónica digital IES GUADIANA 4º ESO obtenemos un valor de salida.Las puertas lógicas fundamentales son tres AND, OR y NOR): Combinando algunas de las puertas anteriores podemos obtener otras nuevas (NAND, NOR, XOR, XNOR ..... ).

Puerta AND (Y)

Aquella en la que la señal de salida (S) será un 1 solamente en el caso de que todas (dos o más) señales de entrada sean 1. Las demás combinaciones posibles de entrada daran una señal de salida de 0. Dicho de otra manera, realiza la función lógica de multiplicación.

SÍMBOLO SÍMBOLO NORMALIZADO a a S S & b b TABLA DE VERDAD FUNCIÓN 2 entradas = 22 = 4 combinaciones de las entradas S = a . b CIRCUITO EQUIVALENTE 0 0 0 a b 0 1 0 + 1 0 0 1 1 1 b S

Puerta Lógica OR (O)

Realiza la función lógica de la suma lógica.Por consiguiente, la señal de salida será un 1 siempre que alguna de las señales de entrada sea un 1.

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SÍMBOLO SÍMBOLO NORMALIZADO a a S b TABLA VERDAD FUNCIÓN 2 entradas = 22 = 4 combinaciones de las entradas S = a + b CIRCUITO EQUIVALENTE a b S 0 0 0 o- a 0 1 1 b 1 0 1 1 1 1

Puerta Lógica NOT (NO)

Realiza la operación lógica de inversión o complementacióni.e. cambia un nivel lógico al nivel opuesto. En este caso la puerta sólo tiene una entrada.

SÍMBOLO SÍMBOLO NORMALIZADO a V a 1 TABLA DE VERDAD FUNCIÓN 1 entrada = 21= 2 combinaciones de entradas S= a CIRCUITO EQUIVALENTE a S 0 1 + a 1 0 ≥1 S b

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Puerta Lógica NOR

La función toma valor lógico 1 cuando las entradas valen 0. Es la negación de la OR, de modo que combinando una puerta OR y una NOT obtendríamos la nueva puerta NOR.

SÍMBOLO SÍMBOLO NORMALIZADO a a >0-S ≥1 PS b b TABLA DE VERDAD FUNCIÓN 2 entradas = 22 = 4 combinaciones de las entradas S = a+ b = a . b a b S 0 0 1 0 1 0 b 1 0 0 1 1 0

Puerta Lógica NAND

La función toma valor lógico 1 cuando las entradas valen 0. Es la negación de la AND, de manera que combinando una puerta AND y una NOT obtendríamos la nueva puerta NAND.

Mª Cruces Romero Vallbona 8 TElectrónica digital IES GUADIANA 4º ESO

SÍMBOLO SÍMBOLO NORMALIZADO a & bs b b TABLA VERDAD FUNCIÓN 2 entradas = 22 = 4 combinaciones de las entradas S = a · b = a + b a b S a b 0 0 1 0 1 1 1 0 1 + 1 1 0

Puerta Lógica XOR

La puerta XOR, compuerta XOR o OR exclusiva es una puerta logica digital que se comporta de acuerdo a la tabla de verdad mostrada a la derecha. Cuando todas sus entradas son distintas entre sí para dos entradas A y B, o cuando el número de 1 (unos) da una cantidad impar para el caso de tres o más entradas, su salida está en 1.

XOR a b XOR 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 00

Resolución de Problemas

Para llevar a buen término la resolución de problemas deberemos seguir un orden Mª Cruces Romero Vallbona 9 a -- S