Apuntes electrónica digital

ELECTRÓNICA DIGITAL
Introducción
Hemos visto hasta ahora algunos componentes muy utilizados en los circuitos de
electrónica analógica. Esta tecnología se caracteriza porque las señales físicas (temperatura,
sonido, imagen, etc...) se convierte en una señal eléctrica con la misma forma de onda que la señal
física.
Veamos un ejemplo.
En un aparato de sonido “analógico” (ejemplo un
cassette) el sonido se convierte en señal eléctrica, esta
señal la podemos modificar, grabar, etc. A la salida de los
altavoces la señal eléctrica se convierte en una señal de
sonido.
La señal analógica es una onda que puede tomar
cualquier valor de voltaje a lo largo del tiempo.
Si utilizamos un sistema digital (ejemplo un CD ) el sonido se codifica con dos únicos
valores ( 0 ó 1) a estos valores se les denomina valores binarios, este sistema de manejar la
información es la base de toda la electrónica digital.
En los circuitos digitales una señal de
voltaje (por ejemplo 5 V) equivale a un 1 lógico y
una señal de “no voltaje” (0 voltios) equivale a un
0 lógico.
Codificación decimal/binario
Veamos cómo codificar con dos valores (1 y 0) los números en formato decimal.
Para codificar los números en el sistema decimal (el que usas habitualmente) se emplean
10 cifras (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9).
Cuando escribimos un número, ejemplo 153, la cantidad total resulta de multiplicar cada
cifra por su base correspondiente:
153 = 1x100 + 5x10 + 3x1
En el sistema binario sólo tenemos dos dígitos para representar un número. Si en el
sistema decimal las bases son (1, 10, 100, etc.) en el sistema binario las bases son (1, 2, 4, 8, 16,
32, 64, 128, etc.).
Conversión binario a decimal:
Veamos qué número decimal es el binario 10101001:
1
Para averiguarlo se procede de igual forma que con el número decimal anterior, pero con
las bases del sistema binario.
10101001 = 1x128 + 0x64 + 1x32 + 0x16 + 1x8 + 0x4+ 0x2 + 1x1 + = 169
Convierte en decimal los siguientes números binarios:
128
10011
01101
01011
00010
64
32
16
8
4
2
1
Para convertir un número de decimal a binario, existen distintas formas que darán el
mismo resultado, veamos una forma muy sencilla.
256
128
64
32
16
8
4
2
1
153
Convierte en binario los siguientes números decimales.
234
123
62
15
Operaciones, funciones o puertas lógicas
Acabamos de ver cómo se puede codificar la información con señales binarias (1 y 0), con
estos elementos se realizan algunas operaciones que pueden parecer demasiado sencillas pero
son la base de otras más complicadas con las cuales se construyen todos los circuitos
electrónicos digitales que actualmente empleamos, informática, telefonía, etc.
Estas operaciones o funciones lógicas se pueden realizar con circuitos eléctricos,
neumáticos o mecánicos aunque hoy día su uso principal se hace con electrónica.
Para realizar circuitos electrónicos que realicen estas operaciones, los fabricantes de
componentes electrónicos construyen
circuitos
integrados, estos circuitos incorporan en su interior
transistores conectados de tal forma que realizan las
operaciones lógicas.
Cada CI tiene un código que identifica las
funciones que incorpora.
La base de los microprocesadores son estas
operaciones básicas que combinadas permiten
ejecutar operaciones mucho más complejas.
2
Las distintas puertas van a tener unas “entradas lógicas” serán los valores binarios que
puede tener la entrada. Y un valor de “salida” cuyo resultado será 0 ó 1.
A las entradas las designaremos con las letras a, b, c, d, etc... y a la salida con la letra s.
Igualmente la salida sólo puede tomas dos valores 0 ó 1.
a
b
s
Puerta
lógica
Las puertas lógicas se representan gráficamente o mediante su “operación lógica”. La
“tabla de la verdad” de una función, representa la salida que de obtiene para las distintas
combinaciones de entradas.
Las puertas lógicas básicas
Completa la siguiente tabla con el símbolo normalizado, y la “tabla de la verdad” de cada
función.
Puerta
AND (Y lógico)
Operación
Símbolo IEC
Símbolo
normalizado
Tabla de
verdad
la
S = a.b
OR (o lógico)
S=a+b
NO (inversor)
NAND (Y negada)
NOR (o negada)
S=a
S = a.b
S=a+b
XOR
S =a + b
Mediante la combinación de distintas puertas lógicas, se crean funciones más complejas.
1.- Determinar la función resultante y la tabla de la verdad de estas dos funciones.
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Lógica secuencial (Biestables)
A los circuitos vistos hasta ahora se les estudia dentro de la llamada “lógica
combinacional”, en todos ellos, dependiendo de los valores de las variables de entrada se
obtiene una única salida.
Vamos a ver un tipo de componente en el que el valor de la salida depende de cómo han
evolucionado las variables de entrada en el tiempo.
Biestable R-S
Se obtiene de la combinación de las puertas anteriormente estudiadas, veamos el
siguiente circuito.
Para representar un Biestable se emplea un
rectánguro con dos entradas (R, S) y dos
salidas (Q, Q).
En el circuito tenemos dos entradas S (Set) y R (Reset), el valor Q (t) en la tabla es el
valor que tiene la salida antes de aplicar un nuevo valor de entrada, el valor de la salida Q(t+1) es
el valor que toma la salida dependiendo de los tres valores de entrada.
0 0 0
0
• Las entradas a cero no producen variación del valor de
salida.
0 0 1
1
• Si la entrada S es uno, el valor de la salida pasa a uno.
1 0 0
1
• Si la entrada R es uno, el valor de la salida pasa a cero.
0 1 0
0
1 0 1
1
• Las dos entradas a uno (no se utilizan) dan una salida
indeterminada.
0 1 1
0
1 1 0
X
1 1 1
X
S R Q(t) Q(t+1)
Existen otros biestables que no vamos a estudiar, junto con las puertas lógicas son la
base de toda la electrónica digital, contadores, registros, memorias, microcontroladores y
microprocesadores.
4
2.- Realiza la tabla de la verdad y el circuito electrónico de las siguientes funciones.
S1=a.b+a.c
S2=a+(b.c)
S3=a + b
S4=(a+b).(b+c)
3.- Determina la función resultante y la tabla de la verdad de estos circuitos.
1
2
3
4
4.- A partir de las tablas de la verdad siguientes determina la función y dibuja el
esquema de puertas.
a
0
0
0
0
1
1
1
1
b
0
0
1
1
0
0
1
1
c
0
1
0
1
0
1
0
1
S1
0
0
1
0
0
0
0
0
a
0
0
0
0
1
1
1
1
b
0
0
1
1
0
0
1
1
c
0
1
0
1
0
1
0
1
S2
1
0
0
0
0
0
0
0
a
0
0
0
0
1
1
1
1
b
0
0
1
1
0
0
1
1
c
0
1
0
1
0
1
0
1
S3
0
1
0
0
0
1
0
0
5.- Para controlar el sistema de alarma de una casa se ha pensado utilizar las siguientes
variables lógicas.
a.- Alarma activada.
b.- Señal de humo
c.- Presencia de persona
Se desea que haya dos salidas o funciones, determina las dos funciones y los esquemas.
•
Función 1, antiincendios, se activa si está activada la alarma, está activada la
señal de humo y no está activada la señal de presencia de persona.
•
Función 2, intruso en casa, se activa si está activada la alarma y la señal de
presencia humana.
5
6.- Se desea controlar la puerta de un garaje. Queremos que siempre que llegue alguien
la puerta se abra y se cierre cuando no hay “presencia de persona”. Las salidas son S1 (abrir
puerta), S2 (cerrar puerta). Realizar las funciones para abrir y cerrar la puerta y representar el
esquema de puertas.
Las entradas utilizadas son;
a.- Presencia de persona.
b.- Puerta abierta.
c.- puerta cerrada.
7.- Modificar el circuito anterior con un biestable R-S para que cuando se detecta una
persona la puerta se abra del todo y si se detecta ausencia de persona y la puerta está abierta
la puerta se cierre.
8.- Para abrir una puerta tenemos que diseñar una llave electrónica.
El sistema tendrá 6 pulsadores (6 variables digitales). Cuando la salida digital de una
función devuelva un 1 la puerta se abrirá.
Diseñar la función lógica y un circuito digital para que al pulsar de esta manera los
pulsadores se abra la puerta. En cualquier otra combinación de pulsaciones la puerta no se abre.
Pulsador A pulsado (1)
Pulsador B no pulsado (0)
Pulsador C pulsado (1)
Pulsador D no pulsado (0)
Pulsador E pulsado (1)
Pulsador F no pulsado (0)
9.- Deseamos controlar la subida y bajada de un puente, se utilizan las siguientes
variables.
a.- Puente abajo.
b.- Puente arriba.
c.- Subir puente.
d.- Bajar puente.
La salida S1 hace que suba el puente.
La salida S2 hace que baje el puente.
Escribir las funciones y los circuitos con puertas lógicas de dos salidas.
10.- Modificar el circuito anterior con biestables R-S para que con activar las entradas c
y d al inicio el puente funcione.
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