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EIE 446 - SISTEMAS DIGITALES
Tema 1: Introducción a los Conceptos Digitales
Nombre del curso: “Sistemas Digitales”
Nombre del docente: Héctor Vargas
Fecha: 1er semestre de 2011
METODOLOGÍA
1
2
Libro base: “Fundamentos de Sistemas Digitales”. Autor: Tomas L. Floyd.
Libro complemento: “Principios de Diseño Digital”. Autor: Daniel D. Gaski.
Seguiremos el programa de la asignatura basándonos en los capítulos del
libro base. Adicionalmente, se puede utilizar cualquier bibliografía
complementaria que tenga relación con los temas del programa.
3
Las transparencias de las clases corresponden a las realizadas por el propio
autor del libro base.
4
Habrán 3 evaluaciones a lo largo del semestre. Las fechas se fijaron en la
primera clase. Abril 14 - Mayo 19 – Junio 23.
INTRODUCCIÓN
● El término digital se deriva de la forma en que las computadoras realizan las
operaciones contando dígitos. Durante muchos años, las aplicaciones de la
electrónica digital se limitaron a los sistemas informáticos.
● Hoy en día, la tecnología digital tiene aplicaciones en un amplio rango de
áreas además de la informática. Aplicaciones como la televisión, los sistemas
de comunicaciones, de radar, sistemas de navegación y guiado, sistemas
militares, instrumentación médica, control de procesos industriales y
electrónica de consumo. Todos ellos usan técnicas digitales.
● A lo largo de los años, la tecnología digital ha progresado desde los circuitos
de válvulas de vacío hasta los transistores discretos y los circuitos
integrados, conteniendo algunos de ellos millones de transistores.
● Esta unidad presenta la electrónica digital y proporciona una introducción a
muchos conceptos, componentes y herramientas muy importantes.
MAGNITUDES ANALÓGICAS
● La mayoría de las cosas que se pueden medir son analógicas y varían
continuamente. Los sistemas analógicos pueden generalmente manejar
niveles de potencia superior a los sistemas digitales.
Temperature
(°F)
100
95
90
85
80
75
70
Time of day
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
A .M .
P.M .
● Los sistemas digitales pueden procesar, almacenar, y transmitir datos más
eficientemente, pero sólo se pueden asignar valores discretos a cada punto.
SISTEMAS ANALÓGICOS Y DIGITALES
● Muchos sistemas usan una mezcla de electrónica digital y analógica para
aprovechar las ventajas de cada tecnología. Un ejemplo típico es un
reproductor de CD que acepta datos digitales desde una unidad de CD y
luego los convierte a una señal analógica para su amplificación.
CD drive
10110011101
Digital data
Digital-to-analog
converter
Linear amplifier
Analog
reproduction
of music audio
signal
Speaker
Sound
waves
DÍGITOS BINARIOS Y NIVELES LÓGICOS
● La electrónica digital utiliza circuitos que tienen dos estados, los cuales se
representan por niveles de voltaje diferentes llamados ALTO y BAJO. Los
voltajes representan números en el sistema binario.
● En binario, un único número se denomina bit
(binary digit). Un bit puede tener un valor 0 o 1,
dependiendo de si el voltaje es ALTO o BAJO.
VH(max)
ALTO
VH(min)
Inválido
VL(max)
BAJO
VL(min)
FORMAS DE ONDAS DIGITALES
● Las formas de ondas digitales cambian entre los niveles BAJO y ALTO. Un
impulso (también llamado “pulso”) positivo es aquel que va desde su nivel
normalmente BAJO, hasta su nivel ALTO, y luego otra vez retorna al nivel
BAJO. Una señal digital está compuesta por una serie de impulsos.
HIGH
HIGH
Rising or
leading edge
LOW
Falling or
trailing edge
t0
(a) Positive–going pulse
t1
Falling or
leading edge
LOW
Rising or
trailing edge
t0
(b) Negative–going pulse
t1
DEFINICIONES DE IMPULSO
● En la realidad los impulsos no son ideales. Un impulso no ideal es
caracterizado por algunos parámetros: tiempo de subida (rise time), tiempo
de bajada (fall time), amplitud (amplitude), anchura del impulso (pulse
width) y otras características.
Overshoot
Ringing
Droop
90%
Amplitude
tW
50%
Pulse width
10%
Ringing
Base line
Undershoot
tr
tf
Rise time
Fall time
TREN DE IMPULSOS PERIÓDICO
● Un tren de impulsos periódico está compuesto de pulsos que se repiten a un
intervalo de tiempo fijo llamado Periodo. La frecuencia es la tasa a la que se
repiten los impulsos y se mide en Hertz.
1
T
f
f 
1
T
● En los sistemas digitales, todas las señales se sincronizan con una señal de
temporización básica denominada reloj (clock en inglés). El reloj es un
ejemplo de señal periódica.
¿Cuál es el periodo de una onda repetitiva si f = 3.2 GHz ?
T
1
1

 313 ps
f 3.2 GHz
TREN DE IMPULSOS PERIÓDICO
● Además de la frecuencia y el periodo, las señales periódicas se describen por
su amplitud (A), anchura de impulso (tw) y ciclo de trabajo. El ciclo de
trabajo es el ratio (en %) entre tw y T.
t 
Ciclo de trabajo   w  100%
T 
Volts
Amplitude (A)
Pulse
width
(tW)
Time
Period, T
DIAGRAMAS DE TIEMPO (CRONOGRAMAS)
● Un diagrama de tiempo se utiliza para mostrar la relación temporal real
entre dos o más señales, y cómo varía cada señal en relación con las demás.
Clock
A
B
C
Un diagrama como este se puede
observar directamente sobre un
analizador lógico.
TRANSFERENCIA DE DATOS (SERIE Y PARALELO)
● Los datos se transfieren de dos formas: SERIE y PARALELO.
1
t0
0
t1
1
t2
1
t3
0
t 4 t5
0
1
t6
0
t7
Computer
Modem
1
Computer
Printer
0
1
1
0
0
1
0
t0
t1
OPERACIONES LÓGICAS BÁSICAS
Salida “Verdadera” sólo si todas
las entradas son verdaderas.
Salida “Verdadera” sólo si una o
más entradas son verdaderas.
Salida opuesta a la entrada.
FUNCIONES LÓGICAS BÁSICAS
● Los operadores and, or, y not se pueden combinar para formar funciones
lógicas más complejas. Algunos ejemplos son:
Función de comparación
A
Comparator
A> B
Two
binary
numbers
A= B
B
Outputs
A< B
Adder
A
Funciones aritméticas básicas
Two
binary
numbers
B
Carry in
Cin
Σ
Cout
Sum
Carry out
FUNCIONES LÓGICAS BÁSICAS
HIGH
Función de codificación
7
4
8
5
9
6
1
2
3
0
.
+/–
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Encoder
Binary code
for 9 used for
storage and/or
computation
Calculator keypad
Decoder
Función de decodificación
Binary input
7-segment display
FUNCIONES DE SISTEMAS BÁSICOS
Función de selección de datos
Multiplexer
A
∆t1
B
Demultiplexer
Data from
A to D
Data from
B to E
Data from
C to F
Data from
A to D
∆ t1
∆ t2
∆ t3
∆t 1
D
∆t1
E
∆t2
C
∆t2
∆t3
∆t3
Switching
sequence
control input
Switching
sequence
control input
F
FUNCIONES DE SISTEMAS BÁSICOS
Función de conteo o “contador”
Counter
1
2
3
4
Input pulses
5
Parallel
output lines
Binary
code
for 1
Binary
code
for 2
Binary
code
for 3
Binary
code
for 4
Binary
code
for 5
Sequence of binary codes that represent
the number of input pulses counted.
… y otras funciones tal como conversión de
código y almacenamiento.
FUNCIONES DE SISTEMAS BÁSICOS
● Un tipo de función de almacenamiento es el registro de desplazamiento o
(shift register), que mueve y almacena datos a cada señal de reloj.
Serial bits
on input line
0101
010
01
0
0 0 0 0
1 0 0 0
0 1 0 0
1 0 1 0
0 1 0 1
Initially, the register contains onlyinvalid
data or all zeros as shown here.
First bit (1) is shifted serially into the
register.
Second bit (0) is shifted serially into
register and first bit is shifted right.
Third bit (1) is shifted into register and
the first and second bits are shifted right.
Fourth bit (0) is shifted into register and
the first, second, and third bits are shifted
right. The register now stores all four bits
and is full.
CIRCUITOS INTEGRADOS
● Sección de un encapsulado DIP (Dual-In-line Pins):
Chip
Plastic
case
Pins
La serie TTL, disponible como DIPs son muy
populares en laboratorios de lógica digital.
CIRCUITOS INTEGRADOS
● La figura muestra un ejemplo de prototipado en el laboratorio. El circuito
contiene encapsulados DIPs y puede ser testeado desde el propio dispositivo
de pruebas.
DIP chips
● En este caso, el test
también se puede hacer
mediante un computador
conectado al sistema.
CIRCUITOS INTEGRADOS
● Encapsulados DIP y de montaje superficial.
Pin 1
Dual in-line package
Small outline IC (SOIC)
CIRCUITOS INTEGRADOS
● Otros encapsulados de montaje superficial.
End view
SOIC
End view
PLCC
End view
LCCC
INSTRUMENTOS PARA PRUEBAS Y BÚSQUEDA DE AVERÍAS
● El panel de control frontal de un osciloscopio de propósito general se puede
dividir en cuatro grupos.
VERTICAL
CH 1
CH 2
HORIZONTAL
TRIGGER
BOTH
SLOPE
Ð
POSITION
POSITION
VOLTS/DIV
VOLTS/DIV
+
LEVEL
POSITION
SEC/DIV
SOURCE
CH 1
CH 2
5V
2 mV
5V
2 mV
5s
5 ns
EXT
LINE
COUPLING
COUPLING
AC-DC-GND
AC-DC-GND
TRIG COUP
DC
DISPLAY
PROBE COMP
5V
INTENSITY
CH 1
CH 2
EXT TRIG
AC
INSTRUMENTOS PARA PRUEBAS Y BÚSQUEDA DE AVERÍAS
● Un analizador lógico puede desplegar múltiples canales de información
digital o mostrar datos de forma tabulada.
INSTRUMENTOS PARA PRUEBAS Y BÚSQUEDA DE AVERÍAS
● Un multímetro digital o (DMM) puede
realizar tres mediciones eléctricas
básicas.
0.01 V
OFF
V
Hz
V
mV
Voltaje
Resistencia
A
Range
Autorange
Touc h/Hold
● En trabajo digital, DMMs son útiles para comprobar el
voltaje suministrado por los dispositivos de potencia,
verificar resistores, comprobar continuidad, etc.
1s
V
40 m A
COM
Fused
Corriente
1s
10 A
PALABRAS CLAVES
Analógico
Representa valores continuos.
Digital
Relacionado a dígitos o cantidades discretas; son un
conjunto de valores discretos.
Binario
Que tiene dos valores o estados; describe un sistema de
numeración de base 2 y utiliza 1 y 0 como sus dígitos.
Bit
Impulso
Un dígito binario, que puede ser un 1 o un 0.
Un cambio repentino desde un nivel (o estado) a otro,
seguido después de un tiempo (llamado anchura de pulso),
por un cambio repentino al nivel original.
PALABRAS CLAVES
Reloj Una señal de temporización básica en un sistema digital; una
forma de onda periódica utilizada para sincronizar acciones.
Puerta Un circuito lógico que realiza una operación lógica básica tal
como AND o OR.
NOT Una función lógica básica que realiza una inversión.
AND Una operación lógica básica en la que una salida verdadera (ALTO)
ocurre solamente cuando todas las entradas son verdaderas (ALTAS).
OR Una operación lógica básica en la que una salida verdadera (ALTO)
ocurre cuando una o más entradas son verdaderas (ALTO).
BIBLIOGRAFÍA
Libro base: “Fundamentos de Sistemas Digitales”. Autor: Tomas L. Floyd.
Libro complemento: “Principios de Diseño Digital”. Autor: Daniel D. Gaski.