Post on 19-Feb-2016
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CIRCUITOS DIGITALES
Iván A. Calle Flores1
Conceptos DigitalesCAPÍTULO 01
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CONTENIDO
1. Cantidades analógicas y digitales
2. Dígitos binarios, niveles lógicos, y formas de onda digitales
3. Operaciones lógicas básicas
4. Funciones lógicas básicas
5. Circuitos integrados
6. Aplicación de un sistema digital
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1. CANTIDADES ANALÓGICAS Y
DIGITALES
Los circuitos electrónicos pueden
dividirse en dos categorías: digitales
y analógicos.
Los circuitos digitales involucran el
manejo de cantidades digitales.
Las cantidades digitales presentan
una serie de ventajas sobre las
analógicas.
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La mayor parte de cantidades naturales son analógicas.
Cantidades Analógicas
1
100
A .M.
95
90
85
80
75
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
P.M.
Temperature
(°F)
70
Time of day
Una cantidad analógica es aquella que tiene valores continuos
Sonido
Presión
Ejemplos:
5
Ejemplo de un sistema electrónico analógico
Sistema de amplificación de voz - Altavoz
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Cantidades Digitales
Las cantidades son del tipo discretas y están y pueden ser
representadas por símbolos llamados dígitos.
A diferencia de las variables continuas, no hay ambigüedad a la
hora de leer una variable digital.
7
Ejemplo de un sistema electrónico digital
Smartphone
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Ventajas de las técnicas digitales
Los sistemas digitales son mas fáciles de diseñar.
El almacenamiento de información es mas fácil.
La precisión es mas fácil de mantener a través del sistema.
Permite la programación de operaciones.
Son menos afectados por el problema del ruido.
Permite mas cantidad de circuitería en los circuitos integrados.
La mayor cantidad de aplicaciones electrónicas hoy en día están basadas principalmente en técnicas digitales
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Sistemas analógicos y digitales
Muchas señales del mundo real son del tipo analógicas por lo
que muchos sistemas usan una mezcla de electrónica analógica
y digital.
Reproductor de CD
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Conversión de una señal analógica a digital
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2. DIGITOS BINARIOS, NIVELES
LOGICOS, Y SEÑALES DIGITALES
Los electrónica digital involucra
señales en las que solo hay dos
estados.
En los sistemas digitales las
combinaciones de estas señales
se usan para representan
números, símbolos, etc.
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Dígitos Binarios
El sistema binario ofrece una manera
de representar cualquier tipo de
cantidad.
Cada uno de los dos dígitos del sistema
binario se llama ‘bit’.
La gran ventaja de este sistema es que se puede ‘implementar’ usando dos niveles de voltaje.
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Niveles lógicos
Los voltajes usados para
representar el 0 y 1 son
llamados niveles lógicos.
HIGH
LOW
VH(max)
VH(min)
VL(max)
VL(min)
Invalid
En la practica se usan rangos
de voltaje definidos para
especificar los niveles lógicos.
Ejemplo. En la familia CMOS el nivel alto va de 2V a 3.3V, y el nivel mínimo va de 0V a 0.8V.
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Señal digital
Consiste de una señal de
voltaje que cambian entre los
niveles HIGH y LOW
conforme el paso del tiempo.
Falling orleading edge
(b) Negative–going pulse
HIGH
Rising ortrailing edge
LOW
(a) Positive–going pulse
HIGH
Rising orleading edge
Falling ortrailing edge
LOWt0
t1
t0
t1
Una señal digital esta compuesta de una serie de pulsos.
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Características de un pulso
Los pulsos reales están dados por un tiempo de subida, tiempo
de bajada, sobre impulso, y otras características.
90%
50%
10%
Base line
Pulse width
Rise time Fall time
Amplitude tW
tr tf
Undershoot
Ringing
Overshoot
Ringing
Droop
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Características de una señal digital
Una señal periódica es aquella que se repite en un intervalo de
tiempo fijo.
La mayor cantidad de formas de onda digitales pueden ser
clasificadas como periódicas y no periódicas.
La frecuencia de una señal periódica es la
inversa del periodo.
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Ejemplo. Determine el periodo, la frecuencia y el ciclo de trabajo de la siguiente señal
Nota. Ciclo de trabajo
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Información en una señal digital
La información que es manejada
por los sistemas digitales
aparecen como formas de onda.
Diagrama de tiempo
En los sistemas digitales, las
señales están sincronizadas
por una señal de ‘reloj’.
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Transferencia de datos
La data frecuentemente debe ser transmitida de un circuito a
otro, o de un sistema a otro con el fin de lograr cierto propósito.
Transmisión serial
Transmisión paralela
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3. OPERACIONES LÓGICAS
BASICAS
La lógica trata sobre el proceso de
razonamiento del ser humano.
Permite sacar conclusiones (hacer
inferencias) a partir de proposiciones
verdaderas o falsas.
Representa la ‘matemática’ de los
circuitos digitales.
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Lógica
Teoría matemática que permite hacer inferencia “reasoning” en
base a proposiciones que son verdaderas o falsas.
P1. Sócrates es un hombre
P2. Todos los hombres son mortales
Sócrates es mortal
Las operaciones lógicas
pueden implementarse
“fácilmente” usando
electrónica digital.
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Los circuitos lógicos forman los cimientos sobre los que se
pueden construir sistemas mas complejos(computadoras, etc.)
True only if all input conditions are true.
True only if one or more input conditions are true.
complement or opposite
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4. FUNCIONES LÓGICAS BASICAS
Representan elementos que realizan
tareas muy útiles (comparación,
conversión de códigos, etc.).
Estos elementos se usan para construir
sistemas digitales completos tales
como las computadoras.
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El comparador
Twobinarynumbers
Outputs
A
BA < B
A = B
A > B
Comparator
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Funciones aritméticas básicas:
Suma
Resta
Multiplicación
División
Adder
Twobinarynumbers
Carry out
A
BCout
CinCarry in
SumΣ
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Codificadores
Convierte información (numero decimal, carácter numérico,
etc.) en una forma codificada.
Encoder9
8 9
4 5 6
1 2 3
0 . +/–
7
Calculator keypad
876543210
HIGH
Binary codefor 9 used for
storage and/or
computation
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Decodificadores
Convierte información codificada en una forma no codificada.
Decoder
Binary input
7-segment display
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Funciones de selección de data
Los multiplexores se usan cuando varias fuentes deben
transmitirse sobre una línea.
Los de-multiplexores se usan cuando una fuente puede
transmitirse por diferentes líneas.
MultiplexerA
Switchingsequence
control input
B
C
∆t2
∆t3
∆t1
∆t2
∆t3
∆t1
DemultiplexerD
E
F
Data from A to D
Data fromB to E
Data fromC to F
Data fromA to D
∆t1 ∆t2 ∆t3 ∆t1
Switchingsequence
control input
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Contadores
Permiten el conteo de eventos, los cuales están representados
por pulsos.
Input pulses
1
Counter 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.
2 3 4 5
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Funciones de Almacenamiento
Su propósito es la retención de data por cierto periodo de
tiempo.
Los dispositivos de
almacenamiento mas
comunes son los flip-
flops, registros, discos
magnéticos, etc.
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5. CIRCUITOS INTEGRADOS
Todos los elementos lógicos por lo
general están disponibles en la forma
de circuitos integrados.
Los sistemas digitales constan de
estos circuitos debido a su tamaño
pequeño, confiabilidad, bajo costo, y
bajo consumo de potencia.
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Es un circuito electrónico
construido en un pequeño
chip de silicio, el cual
implementa alguna función
u operación lógica.
Plasticcase
Pins
Chip
Mediante los pines, el chip
se puede comunicar con el
mundo externo.
Circuito Integrado (IC)
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Empaquetaduras
Una manera de clasificar los IC es por el tipo de pines.
Superficiales(surface-mounted technology - SMT)
A través del orificio(through-hole)
Pin 1
Dual in-line package(DIP)Small outline IC (SOIC)
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Tipos comunes de circuitos superficiales (SMT).
End viewEnd viewEnd view
SOIC PLCC LCCC
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Numeración de los pines
Todos los I.C
tienen un formato
estándar para la
numeración de sus
pines.
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Clasificación respecto a la complejidad
Small-scale integration (SSI).
Circuitos Integrados con hasta 10 compuertas
(compuertas básicas y flip-flops)
Medium-scale integration (MSI).
Circuitos Integrados desde 10 hasta 100
compuertas (codificadores, contadores, etc.)
Large-scale integration (LSI).
Circuitos Integrados desde 100 hasta 10,000
compuertas (microcontroladores, etc.)
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Very large-scale integration (VLSI).
Circuitos Integrados desde 10,000 hasta 100,000
compuertas (microprocesadores, etc.)
Ultra large-scale integration (ULSI).
Circuitos Integrados con mas 100,000
compuertas
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Clasificación respecto al tipo de tecnología
Los circuitos integrados que
están basados en transistores
del tipo MOSFET reciben el
nombre de CMOS.
Los circuitos integrados que
están basados en transistores
del unión bipolar reciben el
nombre de TTL.
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6. APLICACIÓN DE UN SISTEMA
DIGITAL
Muestra como las funciones
lógicas se pueden combinar para
desarrollar sistemas digitales
complejos.
En las aplicaciones industriales,
se prefiere el uso de dispositivos
‘controladores’ programables.
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Diseñe un sistema industrial
para el control del
empaquetado de tabletas
Se requiere un control sobre el
numero de tabletas en cada botella.
Se requiere un indicador sobre el
numero de tabletas empaquetadas.
Utilizar solo funciones lógicas
básicas.
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Posible solución
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RESUMEN
Una cantidad analógica tiene valores continuos, y una cantidad digital tiene
valores discretos.
Un digito binario es llamado bit.
Las señales digitales están compuestas de pulsos, y representan información.
La frecuencia de la señal periódica es la inversa del periodo.
Las tres operaciones básicas son NOT, AND
y OR, y forman los elementos básicos en los
sistemas digitales.
La funciones lógicas básicas (comparadores, multiplexor, etc.) hacen
operaciones útiles, y forman los elementos básicos para construir sistemas
digitales mas complejos.
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REFERENCIAS
"Digital Fundamentals, 9Ed" T. L. Floyd, 2006.
"Digital System, Principles and Applications,10Ed"
R. J. Tocci, N. S. Widmer, 2007.