EIE 446 - SISTEMAS DIGITALES Tema 1: Introducción a los Conceptos Digitales Nombre del curso: Sistemas Digitales Nombre del docente: Héctor Vargas Fecha: 1 er semestre de 2011
METODOLOGÍA 1 2 3 4 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. Las transparencias de las clases corresponden a las realizadas por el propio autor del libro base. 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 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. Time of day 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 Analog reproduction of music audio signal Linear amplifier 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. V H(max) V H(min) ALTO Inválido V L(max) BAJO V L(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 Falling or trailing edge Falling or leading edge Rising or trailing edge LOW LOW t 0 t 1 t 0 t 1 (a) Positive going pulse (b) Negative going pulse
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. 90% Overshoot Ringing Droop Amplitude 50% t W Pulse width 10% Ringing Base line t r t f Undershoot 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. T 1 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 f 1 3.2 GHz 313 ps
TREN DE IMPULSOS PERIÓDICO Además de la frecuencia y el periodo, las señales periódicas se describen por su amplitud (A), anchura de impulso (t w ) y ciclo de trabajo. El ciclo de trabajo es el ratio (en %) entre t w y T. Volts Ciclo de trabajo T t w 100% Amplitude (A) Pulse width (t W ) Period, T Time
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. Computer 1 0 1 1 0 0 1 0 t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 Modem 1 Computer 0 Printer 1 1 0 0 1 0 t 0 t 1
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 Two binary numbers A B Comparator A > B A = B A < B Outputs Adder Funciones aritméticas básicas Two binary numbers Carry in A B C in Σ C out Sum Carry out
FUNCIONES LÓGICAS BÁSICAS Función de codificación HIGH 7 8 9 4 5 6 1 2 3 0. +/ Calculator keypad 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Encoder Binary code for 9 used for storage and/or computation Decoder Función de decodificación Binary input 7-segment display
FUNCIONES DE SISTEMAS BÁSICOS Función de selección de datos A B Multiplexer t 1 Data from A to D Data from B to E Data from C to F Data from A to D t 1 t 2 t 3 t 1 Demultiplexer t 1 D E t 2 t 2 C t 3 t 3 F Switching sequence control input Switching sequence control input
FUNCIONES DE SISTEMAS BÁSICOS Función de conteo o contador 1 2 3 4 5 Counter Parallel output lines Binary code for 1 Binary code for 2 Binary code for 3 Binary code for 4 Binary code for 5 Input pulses 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 only invalid 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 End view End view SOIC PLCC 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 BOTH HORIZONTAL TRIGGER SLOPE Ð + POSITION POSITION POSITION LEVEL VOLTS/DIV VOLTS/DIV SEC/DIV SOURCE CH 1 CH 2 5 V 2 mv COUPLING AC-DC-GND 5 V 2 mv COUPLING AC-DC-GND 5 s 5 ns EXT LINE TRIG COUP DC AC DISPLAY PROBE COMP 5 V CH 1 CH 2 EXT TRIG INTENSITY
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. OFF 0.01 V V Hz V Voltaje Resistencia 10 A A 40 m A mv Range Autorange Touch/Hold 1 s 1 s V COM Corriente Fused En trabajo digital, DMMs son útiles para comprobar el voltaje suministrado por los dispositivos de potencia, verificar resistores, comprobar continuidad, etc.
PALABRAS CLAVES Analógico Digital Binario Bit Impulso Representa valores continuos. Relacionado a dígitos o cantidades discretas; son un conjunto de valores discretos. Que tiene dos valores o estados; describe un sistema de numeración de base 2 y utiliza 1 y 0 como sus dígitos. 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 Puerta NOT AND OR Una señal de temporización básica en un sistema digital; una forma de onda periódica utilizada para sincronizar acciones. Un circuito lógico que realiza una operación lógica básica tal como AND o OR. Una función lógica básica que realiza una inversión. Una operación lógica básica en la que una salida verdadera (ALTO) ocurre solamente cuando todas las entradas son verdaderas (ALTAS). 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.