ELECTRÓNICA DIGITAL. Sistemas analógicos y digitales.

Transcripción

1 ELECTRÓNICA DIGITAL El tratamiento de la información en electrónica se puede realizar de dos formas, mediante técnicas analógicas o mediante técnicas digitales. El analógico requiere un análisis detallado de las señales, ya que éstas pueden tener un gran cantidad de valores, mientras que, el concepto digital de las señales las limita a niveles o valores (el cero y el uno lógicos). La electrónica digital analiza y estudia los criterios para procesar estos niveles de forma que permitan el diseño de sistemas electrónicos que sustituyan o complementen a los analógicos. Estos dispositivos generalmente se encontrarán en forma de circuitos integrados. Sistemas analógicos y digitales. Existen una gran cantidad de sistemas para interaccionar con el medio. Estos sistemas generalmente perciben magnitudes físicas, tales como temperatura, humedad, posición, intensidad de luz, tiempo, etc. y generan un cambio en ellas. Muchos de estos sistemas emplean circuitos electrónicos porque resulta muy sencillo representar magnitudes físicas mediante señales eléctricas y, además, estas señales eléctricas son fáciles de procesar mediante circuitos electrónicos. Los sistemas electrónicos se clasifican en analógicos y digitales: Los primeros trabajan con señales analógicas, que son señales continuas. Los sistemas digitales trabajan con señales digitales, que son señales discretas. Señales continuas son aquellas que pueden tomar un número infinito de valores y cambian interrumpidamente sin escalonamientos ni discontinuidades. La mayoría de magnitudes físicas de la naturaleza varían de forma continua. Por ejemplo, la temperatura no varía de 10ºC a 15ºC de forma instantánea, sino que alcanza los infinitos valores que hay en ese rango. Señales discretas son aquellas que no cambian de forma uniforme, presentan discontinuidades (varían bruscamente de un instante a otro) y sólo pueden adquirir un número finito de valores. En algunos casos interesa representar las magnitudes analógicas de forma digital. Si simplemente medimos la temperatura cada hora, obtenemos muestras que representan la temperatura a lo largo de intervalos de tiempo (cada hora). De esta forma, se ha convertido la magnitud continua en una magnitud discreta, que se puede digitalizar, representando cada valor muestreado mediante un código digital. La electrónica digital emplea sistemas binarios, en los que sólo existen dos estados posibles, un nivel de tensión alto, llamado 1 (5 Volts ) y un nivel de tensión bajo, llamado 0 (a veces 0 Volt) En los sistemas digitales la combinación de estos dos estados se denomina código y se utiliza para representar números e información en general. Un dígito se denomina bit. La información binaria que manejan los sistemas digitales aparece en forma de señales que representan secuencias de bits. Códigos de numeración. La necesidad de establecer cantidades para poder ponderar magnitudes, contar y operar con ellas, hace que se establezcan unos sistemas de numeración a través de códigos perfectamente estructurados que facilitarán dichas tareas. Sistemas Numéricos Posicionales

2 En el sistema de números decimales se dice que la base o raíz es 10 debido a que usa 10 dígitos, y los coeficientes se multiplican por potencias de 10. El sistema binario unicamente posee dos valores posibles que son 0 y 1. Por lo tanto tenemos que un número en un sistema de base(r) tiene coeficientes multiplicados por potencias de (r) y quedaría representado de la siguiente manera : a n *r n + a n *r n a 2 *r 2 + a 1 *r 1 + a 0 *r 0 + a -1 *r a -m *r -m Sistema decimal. El sistema de numeración más utilizado es el sistema numérico decimal, que presenta las siguientes características: Tiene base 10. Usa 10 símbolos para representar los valores numéricos, que son los dígitos del 0 al 9. Es un sistema dependiente del orden, el valor numérico se obtiene sumando los productos de cada dígito por la base (10) elevada a la posición que ocupa ese dígito. El valor del número decimal 7438 se calcula como: 7 x x x x 10 0 Sistema binario. Los sistemas lógicos binarios basan su funcionamiento en dos estados ( 0 y 1 ), por ello es necesario construir un código basado en dos dígitos que permita ponderar magnitudes y operar con ellas. Al código binario más empleado se le denomina binario natural y posee las siguientes características: Tiene base o raíz 2. Usa solamente dos dígitos, 0 y 1. Se incluye con el número el subíndice 2, para diferenciar las formas binarias de las decimales. A los dígitos binarios se les llama bits (del inglés binary digit). Al igual que en los números decimales, el valor depende de la posición de sus bits, y es igual a la suma de los productos de cada dígito por dos elevado a la posición relativa del bit. El bit más a la derecha es el menos significativo, es decir, el de menor peso. El bit más a la izquierda es el más significativo, es decir, el de mayor peso. Se puede establecer una regla para pasar siempre de cualquier código al decimal: Se multiplica cada número por la base elevada a la posición que ocupa y posteriormente se suma todo. De igual forma existe una regla que permite pasar de un código en sistema decimal a cualquier otro sistema: Se dividirá sucesivamente el código decimal por la base del nuevo sistema, hasta que el cociente ya no sea divisible. Entonces se tomará como dígito mayor el último cociente y los siguientes dígitos lo formarán los restos obtenidos hasta el primero. Tamaño de los números binarios. A los números binarios se les llama palabras binarias, por ejemplo el número 1012 es una palabra binaria de tres bits. A las palabras binarias de 8 bits se les llama byte y a las de 4, nibble. La mayoría de equipos digitales utilizan tamaños de palabra múltiplos de 8 bits. Con un número binario de n bits se pueden representar 2 n valores distintos. Para: n = 8, tenemos 2 8 = 256 valores. n = 16, tenemos 2 16 = valores.

3 n = 32, tenemos 2 32 = valores. El mayor número decimal que podemos representar con n bits es 2 n 1 (restamos uno por empezar en cero). En el ejemplo anterior, para n = 3 podemos representar 8 números decimales distintos (del 0 al 7). Para 8 bits el valor máximo sería = 2552 ( ). Un número binario x puede convertirse en decimal efectuando la suma de las potencias cuyo valor es uno. Ejemplo : (1010) 2 = 1*2 3 +0*2 2 +1*2 1 +0*2 0 = = 10 Para los números expresados en base r podríamos efectuar su conversión a decimal multiplicando cada coeficiente por la potencia correspondiente de r y sumando. Ejemplo : (630) 8 = 6*8 2 +3*8 1 +0*8 0 = = 408 Código hexadecimal. Cualquier entero se puede usar como base de un sistema numérico. Entre los sistemas de numeración más comunes, además del código binario, se encuentra el código hexadecimal. Los números hexadecimales requieren de 16 símbolos, empleando 0,1,...,9, A,B,C,D,E y F. Para convertir un número hexadecimal en decimal empleamos la regla genérica expuesta con anterioridad, es decir, multiplicaremos cada cifra por potencias de 16. Por ejemplo 123 h = 1x x x16 0 = 1x x = 291. Para realizar la transformación inversa también aplicamos la regla general, dividimos sucesivamente por 16. Para obtener el equivalente hexadecimal de un número expresado en forma binaria agruparemos los bits de cuatro en cuatro comenzando por el bit de menor peso (más a la derecha) y codificaremos cada grupo. Por ejemplo = (1101)(0001) 2 = D1 h Dado que esta transformación es muy sencilla, para convertir un número decimal a hexadecimal lo expresaremos primero en binario y a partir de este último en hexadecimal. En el proceso inverso (hexadecimal a binario) sustituiremos cada dígito hexadecimal por el código binario de cuatro bits correspondiente. Las conversiones entre código binario, octal y hexadecimal es muy importante en las comparaciones digitales, ya que cada dígito octal corresponde a tres dígitos binarios y a cada dígito hexadecimal corresponde cuatro dígitos binarios. ( ) 2 -> (26153) 8 Cuando deseamos convertir un número binario a hexadecimal, el proceso es similar excepto que el número binario se divide en grupos de 4. ( ) 2 -> (2C6B) 16

4 La conversión a hexadecimal en binario se realiza con un procedimiento inverso al anterior esto es ; cada dígito octal se convierte en su equivalente binario de tres dígitos y cada dígito hexadecimal se convierte en su equivalente binario de cuatro dígitos. Los números binarios son difíciles de manejar ya que se requiere dos o cuatro veces mas dígitos que su equivalente decimal. Ejemplo : ( ) 2 -> (4095) 10 Una forma de reducir esta deficiencia es emplear la relación entre el sistema de números binarios con el sistema octal o hexadecimal. El número binario ( ) 2 tiene 12 dígitos y los podemos expresar en octal (7777) 8 (cuatro dígitos) o en hexadecimal como (FFF) 16 (tres dígitos), la representación octal o hexadecimal es mas deseable ya que se representa en forma mas compacta, como un tercio o un cuarto del número de dígitos requeridos por el número binario equivalente. Ventajas e inconvenientes de las técnicas digitales frente a las analógicas. Existe una creciente dependencia de las técnicas digitales más que de las analógicas debido a que presentan: 1) Facilidad para transmitir, procesar y almacenar información, y de forma más fiable y eficiente. 2) Mayor exactitud y precisión. La representación de una magnitud analógica que puede tomar un número infinito de valores, mediante una digital que puede tomar sólo un número finito, supone siempre una aproximación. Sin embargo el proceso de medición siempre representa una aproximación, por lo que si se realiza la aproximación digital con la definición suficiente (empleando un número alto de dígitos de precisión), las señales digitales obtenidas no deben reducir la precisión de la medición. En los sistemas analógicos la precisión está limitada, a tres o cuatro dígitos, ya que los valores de los voltajes y corrientes dependen de los componentes del circuito. 3) Los sistemas digitales son más fáciles de diseñar. Esto se debe a que los circuitos empleados son circuitos de conmutación, donde no son importantes los valores exactos de corriente y voltaje, sino el rango donde se encuentran (ALTO o BAJO). 4) Mayor estabilidad. Se ven menos afectados por ruidos, mientras que los sistemas analógicos varían con la temperatura, por la tolerancia de los componentes, etc. 5) Flexibilidad. El comportamiento de un circuito digital se puede reprogramar fácilmente. Como inconveniente cabe destacar, que dado que las variables reales (temperatura, presión, humedad, etc.) son de carácter continuo y por tanto analógico, para realizar el procesamiento digital es necesario incorporar al sistema convertidores analógicos-digitales (A/D) y/o digitalesanalógicos (D/A) que encarecen el coste del sistema. Clasificación de los circuitos digitales. Los circuitos digitales según su funcionamiento los podemos dividir en combinacionales y secuenciales 1. Los sistemas combinacionales son aquellos en los cuales la salida sólo depende de la combinación de las entradas. 2. En los sistemas secuenciales la salida depende no sólo de la combinación de las entradas sino también del estado anterior. Son sistemas con memoria. Texto Extractado de IT&T

5 CIRCUITOS LÓGICOS Un ejemplo es el hecho de que la música actualmente se graba en discos compactos (CD's), que es convertida a formato digital de su formato original que es analógico. El equipo creado para reproducir la música grabada de esta manera está llena de circuitos lógicos digitales. Un circuito lógico es aquel que maneja la información en forma de "1" y "0", dos niveles de voltaje fijos. "1" nivel alto y "0" nivel bajo. Estos circuitos están compuestos por elementos digitales como las compuertas: AND (Y), OR (O), NOT (NO) y combinaciones poco o muy complejas de estos. Estas combinaciones dan lugar a otros tipos de elementos digitales como: - 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 - etc. En un circuito digital se transmite información binaria (ceros y unos), y se consigue un circuito complejo con la combinación de bloques de circuitos simples. La información binaria se representa en la forma de "0" y "1", un interruptor "abierto" o "cerrado", "On" y "Off", "falso" o "verdadero", en donde "0" representa falso y "1" verdadero. Los circuitos lógicos se pueden representar de muchas maneras. Una lámpara puede estar encendida o apagada ("on" o "off"), dependiendo de la posición del interruptor. (apagado o encendido) Los posibles estados del interruptor o interruptores que afectan un circuito se pueden representar en una tabla de verdad. Las tablas de verdad pueden tener muchas columnas, pero todas las tablas funcionan de igual forma. Hay siempre una columna de salida que representa el resultado de todas las posibles combinaciones de las entradas. Tabla de verdad Columna(s) de entrada Columna de salida Entrada (interruptor) Salida (lámpara) Abierto Apagado Cerrado Encendido El Número de columnas en una tabla de verdad depende de cuantas entradas hay + 1 (la columna de la salida), el número de filas representa la cantidad de combinaciones en las entradas Número de combinaciones = 2 n, donde n es el número de columnas de la tabla de verdad (menos la columna de salida) Ejemplo: en la siguiente tabla hay 3 columnas de entrada, entonces habrá: 2 3 = 8 combinaciones (8 filas)

6 Un circuito con 3 interruptores de entrada uno a continuación del otro (en serie, con estados binarios "0" o "1"), tendrá 8 posibles combinaciones. Siendo el resultado (la columna salida) determinado por el estado de los interruptores de entrada. Si están en serie, la salida será uno, sólo cuando los 3 interruptores están cerrados. (estado 1) Tabla de verdad LLave 1 LLave 2 LLave 3 Salida 0 0 0? ? ? ? ? ? ? ? 1 Los circuitos lógicos son básicamente un arreglo de interruptores, conocidos como "compuertas lógicas" (compuertas AND, NAND, OR, NOR, NOT, etc) Cada compuerta lógica tiene su tabla de verdad. Y, si pudiéramos ver en mas detalle la construcción de éstas, veríamos que es un circuito comprendido por transistores, resistencias, diodos, etc. conectados de manera que se obtienen salidas específicas para entradas específicas. Construya la tabla de verdad de las compuertas OR, AND, e inversor. La utilización extendida de las compuertas lógicas, simplifica el diseño y análisis de circuitos complejos. La tecnología moderna actual permite la construcción de circuitos integrados (IC s) que se componen de miles (o millones) de compuertas lógicas. - Propiedades del álgebra de Boole. 1) Conmutativa: a + b = b + a ab = ba 2) Distributiva: a + ( b c ) = ( a + b ) (a + c ) a ( b + c ) = ab + ac 3) Asociativa: a + ( b + c ) = a + b + c a ( b c ) = a b c 4) Idempotente: a + a = a a a = a 5) Complemento: a + a = 1 a. a = 0 6) 1 + a = 1 0 a = 0 a.1= a 7) Involución: a = a 8) Absorción: a + ab = a a (a + b) = a Leyes de De Morgan: A+B= A. B A.B =A+B y luego A+A.B=A+B A.(A+B)=A.B