Curso Completo de Electrónica Digital

7/28/2019 Curso Completo de Electrnica Digital

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CURSO

Curso Completo de Electrnica Digital

Este curso de larga duracin tiene la intencin de introducir a los lectores ms joveneso con poca experiencia a la Electrnica Digital, base para otras ramas de laelectrnica, como pueden ser los microcontroladores o los programadores lgicosProgramables (PLC).Sugerimos al lector no perderse la oportunidad de coleccionarlos!!

Departamento de Electronica y ComunicacionesUniversidad Pontifica de Salamanca en MadridProf. Juan Gonzlez Gmez

ndice general

1. Introduccin1.1. Electrnica1.2. Tipos de electrnica1.2.1. Electrnica Analgica1.2.2. Electrnica digital1.3. Circuitos y sistemas digitales1.4. Organizacin de los apuntes

2. Sistemas de representacin2.1. Introduccin2.2. Conceptos2.3. Algunos sistemas de representacin2.3.1. Sistema octal (Base 8)2.3.2. Sistema binario (Base 2)2.3.3. Sistema hexadecimal (Base 16)


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2.4. Generalizacin2.5. Tabla de conversin para los sistemas decimal- binario- hexadecimal2.6. Circuitos digitales y el Sistema binario2.7. Sistema binario y sistema hexadecimal2.8. Bits y electrnica

2.9. Otros sistemas de representacin2.10. Terminologa2.11. Ejercicios resueltos2.12. Ejercicios

3. Algebra de Boole

3.1. Introduccin3.2. Las operaciones del lgrebra de Boole3.2.1. La operacin +3.2.2. La operacin (-)_3.2.3. La negacin3.3. Las propiedades del lgebra de Boole3.4. Teoremas importantes3.5. Funciones booleanas3.5.1. Funciones reales y funciones booleanas3.5.2. Funciones booleanas y tablas de verdad3.6. Formas cannicas3.6.1. Primera forma cannica3.6.2. Segunda forma cannica3.7. Simplificacin de funciones booleanas3.7.1. Introduccin3.7.2. Mtodo analtico de simplificacin de funciones3.7.3. Mtodo de Karnaugh3.8. La operacin Xor3.9. Resumen3.10. Ejercicios

4. Circuitos Combinacionales

4.1. Introduccin4.2. Puertas lgicas4.2.1. Puertas bsicas4.2.2. Otras puertas4.2.3. Circuitos integrados4.2.4. Otras tecnologas4.3. Diseo de circuitos combinacionales4.3.1. El proceso de diseo4.3.2. Implementacin de funciones con cualquier tipo de puertas4.3.3. Implementacin de funciones con puertas NAND4.3.4. Implementacin de funciones con puertas NOR


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4.4. Aplicacin: Diseo de un controlador para un robot seguidor de lnea4.4.1. Introduccin4.4.2. Especificaciones4.4.3. Diagrama de bloques4.4.4. Tabla de verdad

4.4.5. Ecuaciones booleanas del circuito4.4.6. Implementacin del circuito4.5. Anlisis de circuitos combinacionales4.6. Resumen4.7. Ejercicios

5. Circuitos MSI: Multiplexores y demultiplexores

5.1. Introduccin5.2. Multiplexores5.2.1. Conceptos5.2.2. Multiplexores y bits5.2.3. Multiplexores de 1 bit y sus expresiones booleanas5.3. Demultiplexores5.3.1. Conceptos5.3.2. Juntando multiplexores y demultiplexores5.3.3. Demultiplexores y bits5.3.4. Demultiplexores de 1 bit y sus expresiones booleanas5.4. Multiplexores con entrada de validacin (ENABLE)5.4.1. Entrada de validacin activa a nivel alto5.4.2. Entrada de validacin activa a nivel bajo5.5. Extensin de multiplexores5.5.1. Aumento del nmero de entradas5.5.2. Aumento del nmero de bits por canal5.6. Implementacin de funciones con MXs5.6.1. Mtodo basado en el Algebra de Boole5.6.2. Mtodo basado en la tabla de verdad5.6.3. Implementacin de funciones con multiplexores con entrada de validacin5.7. Resumen5.8. Ejercicios

6. Codificadores, decodificadores y comparadores

6.1. Introduccin6.2. Codificadores6.2.1. Conceptos6.2.2. Ecuaciones6.3. Decodificadores6.3.1. Conceptos6.3.2. Tablas de verdad y Ecuaciones6.3.3. Entradas de validacin6.3.4. Tipos de decodificadores segn sus salidas


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6.4. Aplicaciones de los decodificadores6.4.1. Como Demultiplexor6.4.2. Implementacin de funciones6.5. Resumen de implementacin de funciones6.6. Comparadores

6.6.1. Conceptos6.6.2. Comparador de dos bits6.6.3. Comparador de nmeros de 4 bits6.6.4. Extensin de comparadores6.7. Resumen6.8. Ejercicios

7. Circuitos Aritmticos

7.1. Introduccin7.2. Circuitos sumadores7.2.1. Sumadores de nmeros de 1 bit7.2.2. Sumadores de nmeros de ms de 1 bit7.3. Circuitos restadores7.3.1. Restador en ca17.3.2. Restador en ca27.4. Sumador/restador7.4.1. En ca17.4.2. En ca27.5. Aplicacin de los sumadores: transcodificadores7.6. Resumen7.7. Ejercicios

8. Biestables

9. Registros

10. Contadores

11. Autmatas Finitos

12. Solucin a los ejercicios propuestos

12.1. Sistemas de representacin12.2. Algebra de Boole


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Introduccin

Antes de entrar en los detalles de esta asignatura, es interesante tener una perspectivamayor, para entender el contexto de esta asignatura, en qu fundamentos se basa y cmo serelaciona con el resto de las asignaturas.

1.1. Electrnica

Esta asignatura trata sobre Electrnica. La Elecrnica estudia el comportamiento de loselectrones en diversos medios, y se aplican estos conocimientos para conseguir que loselectrones hagan lo que nosotros queramos. As por ejemplo, si construimos un circuitoelectrnico constituido por una pequea bombilla, una pila y un interruptor (figura 1.1) y loconectamos, lograremos que los electrones circulen por todo el circuito y que al atravesar labombilla parte de ellos se conviertan en luz. Hemos conseguido que los electrones nosobedezcan!!

Para dominar a los electrones, es necesario crearcircuitos electrnicos, formados pormateriales conductores (cables) que unen todos los componentes del circuito, de la mismamanera que hay tuberas de agua que recorren nuestras casas, uniendo diferentes elementos:grifos, llaves de paso, el contador del agua...

El objetivo de la electrnica aplicada es construir circuitos electrnicos para que loselectrones se comporten de la manera que a nosotros nos interese.


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1.2. Tipos de electrnica

1.2.1. Electrnica Analgica

Uno de los grandes retos del hombre es el de manipular, almacenar, recuperarytransportarla informacin que tenemos del mundo en el que vivimos, lo que nos permiteir progresando poco a poco, cada vez con ms avances tecnolgicos que facilitan nuestravida y que nos permiten encontrar respuestas a preguntas que antes no se podan responder.Ahora estamos viviendo un momento en el que esa capacidad de manipulacin,almacenamiento, recuperacin y transporte de la informacin est creciendoexponencialmente, lo que nos convierte en lo que los socilogos llaman la Sociedad de lainformacin, y que tendr (dehecho ya tiene) grandes implicaciones sociales.Con la aparicin de la electrnica las posibilidades para desarrollar esas capacidadesaumentaron considerablemente. Para comprender los principios de la electrnicaanalgica, nos centraremos en un ejemplo concreto: la manipulacin, almacenamiento,

recuperacin y transporte de una voz humana.Cuando hablamos, nuestras cuerdas vocales vibran de una determinada manera, lo queoriginan que las molculas del aire tambin lo hagan, chocando unas con otras ypropagando esta vibracin. Si no existiesen esas molculas, como en el espacio, el sonidono se podra propagar.

Si medimos la vibracin de una de estas molculas, durante un intervalo corto de tiempo, yla pintamos, podra tener una pinta como la que se muestra en la figura 1.2. A estavibracin la llamaremos seal acstica.Cuando esta seal acstica incide sobre un micrfono, aparece una seal elctrica quetiene una forma anloga a la de la seal acstica. Las vibraciones de las molculas se hanconvertido en variaciones del voltaje, que al final se traducen en vibraciones de loselectrones.


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Es decir, que con los micrfonos lo que conseguimos es que los electrones vibren de unamanera anloga a cmo lo hacen las molculas del aire (ver figura 1.3).Esta nueva seal elctrica que aparece, se denomina seal analgica, puesto que esanloga a la seal acstica original. De esta manera, con seales elctricas conseguimos

imitar las seales del mundo real. Y lo que es ms interesante, conseguimos que lainformacin que se encuentra en la vibracin de las molculas del aire, pase a loselectrones. Cuanto mejor sea el micrfono, ms se parecer la seal elctrica a la acstica, yla informacin se habr copiado con ms fidelidad.

La electrnica analgica trata con este tipo de seales, anlogas a las que hay en elmundo real, modificando sus caractersticas (ej. amplificndola, atenundola,filtrndola...).

Fijmonos en el esquema de la figura 1.4. La persona que habla emite una seal acsticaque es convertida en una seal electrnica analgicapor el micrfono. Estas dos sealesson muy parecidas, pero la que sale del micrfono es ms pequea. Por ello se introduce enun circuito electrnico, llamado amplificador, que la agranda (la ha manipulado).A continuacin esta seal se puede registraren una cinta magntica de audio. Lo que segraba es una copia de la seal, pero ahora convertida a seal magntica. En cualquiermomento la seal se puede volver a recuperar, convirtindose de seal magnticanuevamente a seal elctrica. Una parte del sistema se ha llamado sistema de transmisin-recepcin indicndose con esto que la seal elctrica se puede transportar(Por ejemplo elsistema telefnico). Finalmente se introduce por un altavoz que relaliza la conversininversa: pasar de una seal elctrica a una acstica que se puede escuchar.


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Los problemas de los sitemas analgicos son:

1. La informacin est ligada a la forma de la onda. Si esta se degrada, se pierdeinformacin

2. Cada tipo de seal analgica necesita de unos circuitos electrnicos particulares(No es lo mismo un sistema electrnico para audio que para vdeo, puesto que lasseales tienen caractersticas completamente diferentes).

En las seales analgicas, la informacin se encuentra en la forma de la onda.

1.2.2. Electrnica digital

Existe otra manera de modificar, almacenar, recuperary transportarlas seales,solucionando los problemas anteriores. Es un enfoque completamente diferente, que se basaen convertir las seales en nmeros.Existe un teorema matemtico (teorema de muestreo de Nyquist) que nos garantiza quecualquier seal se puede representar mediante nmeros, y que con estos nmeros sepuede reconstruirla seal original.De esta manera, una seal digital, es una seal que est descrita por nmeros. Es unconjunto de nmeros. Y la electrnica digital es la que trabaja con seales digitales, o sea,

con nmeros.Son los nmeros los que se manipulan, almacenan, recuperan y transportan.Reflexionemos un poco. Estamos acostumbrados a escuchar el trmino televisin digital, oradio digital. Qu significa esto? Significa que lo que nos estn enviando sonnmeros!!!!!


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Que la informacin que nos envan est en los propios nmeros y no en la forma que tengala seal que recibidos. Y qu es un sistema digital?, un sistema que trabaja con nmeros.Y un circuito digital? Un circuito electrnico que trabaja con nmeros. Y slo connmeros!!Si nos fijamos, con un ordenador, que es un sistema digital, podemos escuchar msica o ver

pelculas. La informacin que est almacenada en el disco duro son nmeros.En la figura 1.5 se muestra un sistema digital. La seal acstica se convierte en una sealelctrica, y a travs de un conversor analgico-digital se transforma en nmeros, que sonprocesados por un circuito digital y finalmente convertidos de nuevo en una sealelectrnica, a travs de un conversor digital-analgico, que al atravesar el altavoz seconvierte en una sealacstica.El utilizar circuitos y sistemas que trabajen slo con nmeros tiene una ventaja muyimportante: se pueden realizar manipulaciones con independencia de la seal que se estintroduciendo: datos, voz, vdeo... Un ejemplo muy claro es internet. Internet es una reddigital, especializada en la transmisin de nmeros. Y esos nmeros pueden ser datos,canciones, vdeos, programas, etc... La red no sabe qu tipo de seal transporta, slo venmeros.

La electrnica digital trabaja con nmeros. La informacin est en los nmeros y noen la forma de seal. Cualquier seal siempre se puede convertir a nmeros yrecuperarse posteriormente.

1.3. Circuitos y sistemas digitales

Ya podemos entender de lo que trata esta asignatura. En ella estudiaremos y disearemoscircuitos digitales, que manipulan nmeros. Existen unos nmeros en la entrada ynuestro circuitos generar otros nmeros de salida (figura 1.6). Algunos nmeros seconsiderarn como datos y otros se usarn para el control del propio circuito.


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No nos preocuparemos de dnde vienen estos nmeros, pero ya sabemos que o bienvendrn de otro sistema digital, o bien de unaseal analgica que se ha convertido anmeros (se ha digitalizado).

Un circuito digital realiza manipulaciones sobre los nmeros de entrada y genera unosnmeros de salida.

1.4. Organizacin de los apuntes

En la introduccin hemos visto la importancia que tienen los nmeros en lossistemasdigitales.En el captulo 2 veremos las diferentes formas de representar un nmero y en concreto noscentraremos en el sistema binario. Para poder disear circuitos digitales, que manipulennmeros en binario, primero habr que manejar las matemticas que hay detrs: el algebrade boole, que se ver en el captulo 3. Describiremos un tipo de circuitos, los circuitos

combinacionales, mediantefunciones booleanas y en el captulo 4 veremos cmo sepueden implementar mediante puertas lgicas. En el captulo 5 describiremos otroscircuitos combinacionales ms complejos, constituidos a partir de puertas lgicas, pero quese pueden considerar como componentes electrnicos: multiplexores, demultiplexores,codificadores, decodificadores, comparadores... y en el captulo 7 cmo es posible realizaroperaciones aritmticas. A partir del captulo 8 se empiezan a vercirucitos secuenciales,que se caracterizan porque pueden recordar o almacenar nmeros.Los biestables nos permiten almacenar 1 bit de informacin y agrupndolos en registros(captulo 9) almacenamos ms informacin. Finalmente estudiaremos los contadores(captulo 10) y los autnomas finitos (captulo 11).

Continuar ........

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