Tema 1 ELECTRÓNICA DIGITAL.

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1 Tema 1 ELECTRÓNICA DIGITAL

2 1.1.- SISTEMAS DE NUMERACIÓN.
ELECTRÓNICA ANALÓGICA Y DIGITAL. La electrónica estudia el comportamiento de los electrones en los circuitos con el fin de conseguir que los electrones hagan lo que nosotros queramos Mediante componentes y circuitos, podemos manejar el movimiento del electrón. Componentes: Diodos. Resistencias. Amplificadores. Osciladores. Circuitos Integrados. Microprocesadores. Memorias. Etc. Aplicaciones: La radio. Televisión. Equipos de sonido. Ordenadores. Robots. Automatización industrial. Sistemas de control y gestión del automovil. Equipos de medida.

3 SEÑALES ANALÓGICAS. Varía de forma continua, tal como lo hacen las magnitudes físicas. Reproduce de forma fiel la magnitud física de la que proviene.

4 SEÑALES DIGITALES. La información se procesa en dos únicos estados, conocidos como niveles lógicos:   "1"  y  "0". Esto da lugar a señales digitales o binarias.

5 Se puede digitalizar una señal tomando su valor cada cierto tiempo.
A cada valor se le asigna una cifra digital en formato binario (cifras con 1 y 0). Esto se realiza con un conversor analógico-digital (ADC). Ahora la información se puede guardar en un soporte de tipo digital.

6 La electrónica digital opera con números. 
La información está contenida en los números y no en la forma de la señal eléctrica.  Una señal eléctrica siempre se puede convertir a números y, una vez procesada, recuperarse posteriormente.

7 La señal digital se puede almacenar, procesar y transmitir en forma de dígitos o cifras.
En digital es mucho más difícil que se perturbe las señal mediante interferencia.

8 Los circuitos digitales se pueden integrar en un solo componente o chip.
Estos aportarán muchas funciones en un espacio muy reducido y a un bajo coste. Los sistemas digitales pueden ser programables.

9 Aplicaciones de los circuitos integrados:
Calculadoras. Ordenadores. Escáner. Automatización industrial y doméstica. Electrónica del automóvil Telefonía móvil Audio (MP3, CD, MINI DISC, etc.). Televisión digital Fotografía digital. Telecomunicaciones. Internet. Instrumentos de medida.

10 Ventajas reales de la electrónica digital frente a la analógica

11 SISTEMAS DE NUMERACIÓN.
SISTEMA NUMÉRICO:   Es el conjunto ordenado de símbolos o dígitos y las reglas con que se combinan para representar cantidades numéricas. DÍGITO: Es un símbolo que no es combinación de otros y que representa un entero positivo. BIT: Es un dígito binario, es decir 0 ó 1. La BASE: La Base de un sistema numérico es el número de dígitos diferentes usados en ese sistema.

12 Sistemas de numeración.

13 Tiene en su base diez dígitos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.
SISTEMA DECIMAL. Tiene en su base diez dígitos:    0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.  La base del sistema decimal es 10. El lugar que ocupa cada dígito en una determinada cifra indica su valor. 95610 =  = 9 · · · 1 En forma polinómica sería: 95610 =  9 · · · 100 La cifra se descompone multiplicando cada dígito por su base elevada al número que representa la posición que ocupa.  N10= an ··· a2 a1 a0 = an · 10n + ··· + a2 ·102 + a1 · a0 · 100 Los términos an ··· a2, a1, a0 son los dígitos del número (del 0 al 9 en el sistema decimal).

14 SISTEMA BINARIO. Tiene su base en dos dígitos: 0 y 1.
N2 = an ··· a2 a1 a0 = an · 2n + ··· + a2 · 22 + a1 · 21 + a0 · 20 Los términos  an ··· a2 a1 a0  son los dígitos del número (del 0 al 1 en el sistema binario). Para convertir un numero decimal a binario se realiza la división continuada por 2 hasta que el cociente sea cero. Los restos obtenidos en los diferentes pasos nos darán el número binario. Se toman los dígitos obtenidos en los restos desde el último hasta el primero.

15 ¿Cuál es el valor decimal del número binario 110012?
Actividades. ¿Cuál es el valor decimal del número binario ? ¿Cuál es el valor binario del número decimal 2510? Convierte los siguientes números decimales a binarios: 48; 375; 4356. Convierte los siguientes números binarios a decimales: ; ;

16 SISTEMA OCTAL Y HEXADECIMAL.
Los sistemas octal (base 8) y hexadecimal (base 16) se consideran como binario abreviado. SISTEMA OCTAL. Para convertir un número octal a binario se sustituye cada dígito octal por la cadena equivalente de tres bits binarios. Para pasar de binario a octal, se agrupan los bits de tres en tres comenzando por la derecha.  Si no es múltiplo de tres se añaden a la izquierda ceros hasta completar el grupo de tres.

17 Actividades. Convertir en número binario el siguiente número octal: Convertir en número octal el siguiente número binario:

18 Posee una base 16 y consta de 10 dígitos numéricos y 5 alfanuméricos.
SISTEMA HEXADECIMAL. Posee una base 16 y consta de 10 dígitos numéricos y 5 alfanuméricos. Para pasar de binario a hexadecimal, se agrupan los bits de cuatro en cuatro comenzando por la derecha.  Si no es múltiplo de cuatro añaden a la izquierda ceros hasta completar el grupo de cuatro.

19 ¿Cuál es el número binario del número hexadecimal 28D16?
Actividades. ¿Cuál es el número binario del número hexadecimal 28D16? ¿Cual es el número hexadecimal del número binario ? Convertir los siguientes números en código binario: ; 23810; 3458; 2368; 45B16; 675D16; 485C16; A16. Convertir los siguientes números binarios en código decimal, octal y hexadecimal: ;

20 CÓDIGOS. Representan la información de todo tipo a codificar, utilizando combinaciones de unos y ceros. CÓDIGO BCD NATURAL. Consiste en representar cada uno de los dígitos decimales por su binario equivalente expresado con 4 bits.

21 Convertir el número decimal 92810 en BCD.
Actividades. Convertir el número decimal en BCD. Convertir el número BCD BCD en decimal.

22 Es el código más utilizado por los teclados de los ordenadores.
Código ASCII Utiliza 7 bit para codificar números, letras, símbolos especiales e instrucciones de control para periféricos. Es el código más utilizado por los teclados de los ordenadores. Otros códigos: ASCII extendido de 8 bits. Gray. BCD Aiken 241. BCD Aiken 541. Johnson. Hamming.

23 1.2.- PUERTAS LÓGICAS. NIVELES LÓGICOS DE LAS SEÑALES DIGITALES.
La electrónica digital solo contempla dos estados: 1 y 0. A cada estado se le asigna una cierta tensión eléctrica y por lo tanto se pueden asignar dos tipos de lógica. Lógica positiva: El "1" equivale a una tensión de nivel alto (High) y el "0" a una tensión de nivel bajo (Low). Lógica negativa: El "1" equivale a una tensión de nivel bajo (Low) y el "0" a una tensión de nivel alto (High).

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25 Representación de los dos niveles de lógica.
En la práctica se utilizará la lógica que mejor se adapte al diseño. Nosotros habitualmente utilizaremos la lógica positiva.

26 Se usaron por primera vez en las centrales telefónicas.
PUERTAS LÓGICAS. Los circuitos lógicos comienzan con la necesidad de construir automatismos y es anterior a la electrónica digital. Se usaron por primera vez en las centrales telefónicas. Son los componentes básicos de la electrónica digital y constan de diferentes entradas y de una salida. Circuitos COMBINACIONALES: Las salidas dependen directamente del valor de las entradas. Circuitos SECUENCIALES: Son capaces de "recordar" números que han recibido anteriormente.

27 PUERTA O (OR). La salida es de nivel alto si cualquier entrada o ambas están a nivel alto. Tabla de la verdad: Representa las combinaciones de las entradas posibles y el nivel de las salidas. La salida S será verdadera cuando cualquiera de las entradas A o B lo sea

28 Simulación de la puerta lógica OR

29 Actividad Dibuja el símbolo de una puerta OR con tres entradas y escribe su tabla de la verdad.

30 PUERTA Y (AND) La salida es de nivel alto si todas las entradas están a nivel alto. Simulación con interruptores.

31 Actividad. Dibuja el símbolo de una puerta AND con cuatro entradas y escribe su tabla de la verdad.

32 La salida es la inversa de la entrada
PUERTA INVERSORA NOT Posee solo una entrada. La salida es la inversa de la entrada

33 PUERTA NO O (NOR). Formada por una puerta OR y una puerta NOT. Es el inverso de una puerta OR.

34 PUERTA NO Y (NAND) Formada por una puerta AND y una puerta NOT. Su funcionamiento es el inverso de una puerta AND.

35 PUERTA O EXCLUSIVA (XOR)
La salida es de valor alto sólo cuando lo sea exclusivamente alguna de sus entradas.

36 PUERTA NO XOR (XNOR). Formada por una puerta XOR y una puerta NOT. Su funcionamiento es el inverso de la puerta XOR.

37 1.3. CIRCUITOS COMBINACIONALES
DISEÑO DE CIRCUITOS COMBINACIONALES CON PUERTAS LÓGICAS. Lo primero es establecer la Tabla de la Verdad: Definir el número de entradas y establecer las asociaciones de las entradas con las salidas. Con esto se obtiene la función que se corresponde con la salida. Ya se puede realizar el circuito o diagrama lógico formado por la interconexión de las puertas lógicas.

38 Ejemplo En una nave industrial se dispone de tres motores de las siguientes potencias: 10 kW, 20 kW y 30 kW, para lo que se dispone de dos generadores de 30 kW cada uno. Dado que los tres motores no funcionan a la vez, se desea diseñar un sistema automático que ponga en funcionamiento el segundo generador cuando la potencia de los motores supere los 30 kW suministrados por el primer generador.

39 Como las entradas son El número de combinaciones posibles será:  23 = 8     La tabla de la verdad será:

40 Por lo tanto la función del circuito lógico combinacional sera:
Ahora se construye el circuito con puertas lógicas. Comprueba el funcionamiento  aquí

41 Actividades. Obtener la función y la tabla de la verdad del siguiente diagrama lógico. Comprueba el funcionamiento  aquí

42 CONSTRUCCIÓN DE PUERTAS LÓGICAS CON CIRCUITOS INTEGRADOS.
En la fabricación de puertas lógicas se usan los Circuitos Integrados (CI). Formados por componentes electrónicos integrados en una sola pieza en el interior de un encapsulado. Los circuitos integrados se clasifican en función de su escala de integración.

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44 Existen diferentes tipos de encapsulados dependiendo de la forma de conexión al circuito según sus terminales o patillas.

45 Los CI pueden ir en zócalos de conexión y estos a su vez conectados a las placas de circuitos.
Cada terminal del CI va numerado. El número 1 se sitúa en un pequeño agujero que se incluye en un extremo.

46 1.4.-  FAMILIAS LÓGICAS. Una Familia Lógica es el conjunto de todos los componentes lógicos fabricados con la misma tecnología.  Cada Familia lógica tiene unas determinadas características.    Las dos familias lógicas más utilizadas en la actualidad son la TTL basada en los transistores bipolares y MOSFET basada en los transistores unipolares de efecto de campo.

47 CARACTERÍSTICAS DE UNA FAMILIA LÓGICA.
TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN (Vcc). Los CI se conectan a una fuente de alimentación con una Vcc determinada. El positivo se conecta a la patilla Vcc. El negativo se conecta a la patilla GND

48 NIVELES DE TENSIÓN DE ENTRADA Y SALIDA.
Niveles de tensión de entrada, indica la tensión a aplicar a la entrada para que esta lo acepte como  "1" ó "0". VIL(max) = máxima tensión de entrada para que sea un "0". VIH(min) = mínima tensión de entrada para que sea un "1". Es importante conocer la tensión que suministra una puerta lógica a su salida si queremos conectarlas a otras puertas. VOL(max) = máxima tensión en la salida cuando sea un "0". VOH(min) = mínima tensión en la salida cuando sea un "1".

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50 El margen de ruido en voltios (VN) será:
INMUNIDAD AL RUIDO El ruido son las variaciones indeseables en la tensión de las puertas lógicas. El ruido es debido a fluctuaciones en la tensión de red, interferencias por campos magnéticos, etc. La inmunidad al ruido indica la capacidad para tolerar el ruido sin que se vean afectados los valores lógicos de salida. El margen de ruido en voltios (VN) será: Margen de ruido para el nivel alto: VNH = VOH(min) - VIH(min)  Margen de ruido para nivel bajo: VNL = VIL(max) - VOL(max)

51 Actividad. Analiza los niveles de tensión de entrada y salida de la serie TTL estándar y de la serie CMOS 74HC y averigua su margen de ruido. Indica cual de las dos familias posee una mayor inmunidad al ruido.

52 DISIPACIÓN DE POTENCIA.
Los circuitos lógicos consumen potencia y esto hace que se calienten por efecto Joule, pudiendo dañar los dispositivos. En las hojas de características se indica la disipación de potencia en mW por cada una de las puertas lógica incluidas en el CI. Actividad. Busca en internet la potencia de disipación de la familia TTL 74 y de la familia CMOS 74HC

53 CAPACIDAD DE CARGA (fant-out)
La corriente que puede suministrar la salida de una puerta es limitada. Esto limita el número de puertas que se pueden conectar a esta salida. FANT-OUT: indica el número máximo de puertas que pueden conectarse a la salida de otra puerta de la misma familia. La familia TTL 74 posee un fan-out de 10 puertas. La familia CMOS 74HC posee un fan-out de 100 puertas.

54 RETARDO DE PROPAGACIÓN.
Es el tiempo que tarda una puerta en cambiar su estado su estado lógico. Esto limita el funcionamiento de la puerta lógica. Se mide en nanosegundos (10-9 segundos).

55 COMPARATIVA ENTRE LAS FAMILIAS LÓGICAS.
Siempre será mejor: Una gran densidad de integración. Un mayor rango de la tensión de alimentación. Un mayor margen de ruido o inmunidad al ruido. Un menor consumo o disipación de potencia. Una mayor capacidad de carga o fan-out. Un menor tiempo de propagación. Compatibilidad con otras familias lógicas. Menor coste económico.

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57 TTL (Transistor-Transistor-Logic).
FAMILIA LÓGICA TTL TTL (Transistor-Transistor-Logic). Está constituido por resistencias, diodos y transistores bipolares. Son analógicos pero operan sol en dos estados. Son de bajo coste y poseen gran variedad de circuitos. Se usan en la construcción de CI de pequeña y mediana escala (SSI y MSI).

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59 Para identificar las puertas lógicas se le añaden un par de dígitos a la denominación de la serie.

60 Diagramas de conexión de las puertas de dos circuitos integrados (Cis) de la familia TTL 74

61 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor).
FAMILIA LÓGICA   CMOS. CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Con transistores unipolares MOSFET de canal N y de canal P.  Características: Mayor inmunidad al ruido. Tensión de alimentación más flexible. Menor consumo. Mayor densidad de integración.

62 El tiempo de propagación es mayor que en los TTL.
Son muy sensibles a la electricidad estática. Los CMOS han ido desplazando a la TTL en CI de pequeña y mediana escala e implantándose en las escalas más altas. La series se denominan por orden de aparición. La tensión de alimentación es de 5 V, excepto en la serie 4000 que se alimenta entre 3 y 15 V. La serie 4000 no posee los terminales en el mismo orden que los TTL.

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64 PRECAUCIONES CON LOS CIRCUITOS CMOS.
Los CMOS son muy sensibles a las descargas electrostáticas. Precauciones a tomar al trabajar con CI CMOS: Almacenarlos con los terminales en contacto con espuma conductora. Nunca deben tocarse con los dedos. Se deben insertar en el circuito con los terminales en contacto con una superficie conductora a masa. No insertar CMOS en los zócalos de conexión con la tensión de alimentación conectada. Las herramientas y bancos de trabajo se deben conectar a tierra. Nunca se debe dejar ninguna entrada de una puerta lógica sin conectar. Las entradas sin conectar son sensibles a las interfernecias y una carga estática podría desestabilizar el funcionamiento correcto de la puerta.

65 Conectar todas las entradas que no se utilicen a la tensión de alimentación Vcc o masa (GND) dependiendo del tipo de puerta lógica. Para las puertas AND y NAND se conectan las entradas a Vcc a través de una resistencia de 1kΩ para llevarlas al nivel lógico "1". Para las puertas OR y NOR se conectan las entradas a masa para fijarlas al nivel lógico "0".

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67 ACTIVIDADES DE LABORATORIO.
Ejercicios de Autoevaluación.