cap iv electronica digital

UNIDAD III :

ELECTRONICA DIGITAL

ELECTRICIDAD - ELECTRONICA

Semestre 2015-1

INGENIERIA INDUSTRIAL

ING. LUIS MENDOZA QUISPE

ELECTRNICA DIGITAL

Se denomina seal a la informacin que representa una determinada magnitud fsica

(temperatura, presin, velocidad, etc. ) y su evolucin en el tiempo.

Tipos de seales:

Seales analgicas: aquellas en las que la variable estudiada es una funcin continua en el tiempo.

Seales digitales: aquellas en la que la variable estudiada slo toma valores discretos.

Sistema Analgico

Sistema Digital

Analgico y Digital

MOTOR

SENSOR T

MIC

PROCESADO DIGITAL

solo dos estados

binario 1 y 0

Interface

Interface

Interface

Interface

Interface

1 abierto 0 cerrado

1 arrancado 0 parado

1 alarma 0 correcto

Conversor A/D

Conversor D/A

Digitalizar

Reproducir

0

1

00

01

10

11

000

001

010

011

100

101 110

111

1 bit 2 nmeros 50% 50 C

2 bits 4 nmeros 25% 25 C

3 bits 8 nmeros 12,25 % 12,25 C

n bits 2n nmeros 100/2n % 100/2n C

T [C]

0 C

100 C

DIGITALIZACIN: CONCEPTOS PREVIOS

CONVERSIN A/D y D/A f(t)

t t

fs(t)

SEAL ANALGICA SEAL DIGITALIZADA

DOS PREGUNTAS CLAVES: 1.- Cuantos bits necesito para digitalizar la seal? 2.- Cada cuanto muestreo?

El nmero de bits (n) utilizados nos define el error:

error( )%100

2n

2 4 6 8 10 12 0

10

20

30

40

50

n

error (%) El ancho de banda (B) de la seal f(t) nos define la frecuencia de muestreo. Fmuestreo 2 B

(Tma de NYQUIST)

EJEMPLO: Musica en fichero .WAV La msica se muestrea 44.100 veces en un segundo (44.1 KHz) y se emplean 16 bits. Se toman muestras separadas en el canal izquierdo y en el derecho (estereo).

012 105103107735

012 212021101

Numero decimal (Base 10)

Numero binario (Base 2)

Peso 100

Peso 4

Dgitos: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Dgitos: 0 1

DECIMAL VERSUS BINARIO

NOTA: Se utilizan tambin otras bases (p.e. Hexadecimal para simplificar las notaciones)

Sistema Binario - Decimal

El nmero 11010,11 en base 2 es:

Conversin de Binario a Decimal:

1x24 +1x23 + 0x22 + 1x21 + 0x20 + 1x2-1 + 1x2-2 = 16 + 8 + 0 + 2 + 0 + 0,5 + 0,25 =

26,75 El nmero 26,75 en base

decimal

Conversin de Decimal a Binario:

El nmero 37 en base decimal es:

37 en base 10 = 100101 en base binaria

NOMENCLATURA y CODIGOS INTERESANTES PARA SIMPLIFICAR LAS NOTACIONES

Binario: 10111011110111 LSB (menos significativo)

MSB (mas significativo)

Binario: 10111011110111

Octal: 27367

Binario: 10111011110111

Hexadecimal: 2EF7

El cdigo Hexadecimal est muy extendido en el mundo de los MPU y MCU

MAS NOMENCLATURAS

BIT = 1 NIBBLE = 4 bits = 1101 BYTE = 8 BITs = 11011110 WORD (Palabra) = 16 bits = 1001 1001 1110 0011 = 99E3 "El hexadecimal es muy til) LONG WORD (Palabra larga) = 32 bits , 64 bits y 128 bits (Se suele emplear tambin palabra de 32 bits y palabra de 64 bits) (en ingles 32-bit-word 64-bit-word) Obviamente el hexadecimal es tambin muy til para trabajar con tiras de bits tan largas.

Decimal Binario 0 0000

1 0001

2 0010

3 0011

4 0100

5 0101

6 0110

7 0111

8 1000

9 1001

10 1010

11 1011

12 1100

13 1101

14 1110

15 1111

Interpretacin digital de las seales elctricas/electrnicas

Tensin: 1 Hay tensin 0 No hay tensin Corriente: 1 Hay corriente 0 No hay corriente Interruptores (Transistores) 1 Interruptor cerrado (Transistor saturado) 0 Interruptor Abierto (Transistor cortado)

NOTA: El componente electrnico fundamental en Electrnica Digital es el transistor MOSFET (Tecnologa CMOS). Normalmente los "unos" y los "ceros" se interpretan en tensin: p.e.: "1" = +5 V "0" = 0 V

Formas de onda digital: Tensin en un punto del circuito

T

Nivel Alto (1)

Nivel Bajo (0)

Flanco de

subida

Flanco de

bajada

T = periodo f = 1/T = frecuencia

La filosofa de la Electrnica Digital es muy simple. Utilizando transistores (MOSFET) se realizan los bloques LSI bsicos (puertas lgicas). Utilizando puertas se hacen bloques mas MSI complejos (Codificadores, ALU, Biestables). Utilizando Bloques intermedios (MSI) se hacen bloque de mayor complejidad (LSI). Micros, etc La complejidad aumenta en los bloques VLSI. DSP, Microcontroladores, etc.

El mercado de las familias lgicas

RTL DTL TTL ECL I2L

Bipolar

pMOS nMOS CMOS

MOSFET

Tipo de transistor

Circuitos combinacionales

Clasificacin

SSI: 1 a 12 puertas

MSI: 13 a 99 puertas

LSI: 100 transistores/mm2

VLSI: 1000 transistores/mm2

Existen funciones que se repiten de forma habitual: CIRCUITOS SSI y MSI

Tecnologa TTL

74 LS 00 Nmero de funcin implementada (ver catlogo)

nada Serie estndar (10 mW/puerta y 10 nS) L Serie Bajo consumo (1 mW/puerta y 38 nS) H Serie Alta velocidad (22 mW/puerta y 6 nS) S Serie Schottky (20 mW/puerta y 6 nS) LS Serie bajo consumo Schottky (2 mW/puerta y 10 nS) AS Serie Schottky avanzada ALS Serie Schottky avanzada de bajo consumo HC Serie CMOS compatible TTL

74 Aplicaciones comerciales ( 0C hasta 75 C) 54 Aplicaciones militares (-55C hasta 125 C)

NOTA: Conviene mirar siempre la hoja de caractersticas ("Datasheet")

Tecnologa TTL

7400 7413 7430

7402 7436 7407 (colector abierto)

BLOQUES DIGITALES BASICOS

BAJA ESCALA DE INTEGRACION (SSI)

Puertas lgicas (OR, AND, NO, NOR, NAND, ORx, NORx)

MEDIA ESCALA DE INTEGRACION (MSI)

Bloques combinacionales bsicos (Decodificador, codificador, multiplexador, demultiplexador, conversores de cdigo, sumadores binarios)

Bloques elementales secuenciales asncronos y sncronos: BIESTABLES

Bloques secuenciales bsicos (Contadores, divisores de frecuencia, registros de deplazamiento)

ALTA Y MUY ESCALA DE INTEGRACION (LSI y VLSI)

Microprocesadores (MPU), microcontroladores (MCU), procesadors digital de seal (DSP), autmatas programables, Computadores

Operaciones lgicas bsicas

Smbolos

Suma (OR):

S = a + b

Funciones Tabla de verdad

Multiplicacin

(AND):

S = a b

Negacin ():

S =

b a S = a+b

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

b a S = ab

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

a S =

0 1

1 0

Smbolos

antiguos

PUERTAS LOGICAS

COMPUERTA AND (y)

COMPUERTA OR (o)

COMPUERTA NOT (No)

COMPUERTA NAND

COMPUERTA NOR

COMPUERTA XOR

CIRCUITOS INTEGRADOS COMERCIALES

ALGEBRA DE BOOLE

Propiedades del lgebra de Boole

1 ) Conmutativa

a+b = b+a ab = ba

2 ) Asociativa

a+b+c = a+(b+c) abc = a(bc)

3 ) Distributiva

a(b+c) = ab + a.c a+(bc) = (a+b)(a+c) ojo!

4 ) Elemento neutro

a+0 = a a1 = a

5 ) Elemento absorbente

a+1 = 1 a0 = 0

6 ) Ley del complementario

a+ = 1 a = 0

7 ) Idempotente

a+a = a aa = a

8 ) Simplificativa

a+ab = a a(a+b) = a

9 ) Teoremas de Demorgan

baba

baba

FUNCION LOGICA

TABLAS DE VERDAD

Crear una Tabla de Verdad

TABLAS DE VERDAD

Funciones lgicas

cbacabaS )(

Funcin lgica

a b c S

0 0 0 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 1 1

1 0 0 1

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 1

Tabla de verdad

cbacbacbacbaS

Por Minterms

Se puede obtener de dos formas, como

suma de productos (Minterms) o como

producto de sumas (Maxterms).

Por Maxterms

)()()()( cbacbacbacbaS

Simplificacin por propiedades

cbacbacbacbaS Funcin lgica

)()( bbcaccbaS

11 cabaS

cabaS

Propiedad Distributiva, agrupamos trminos en parejas con el

mayor nmero posible de variables iguales.

Ley del complementario

Elemento neutro

Algebra de Boole

Mapas de Karnaugh

Dos variables Tres variables Cuatro variables

Simplificacin por Karnaugh

a b c S

0 0 0 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 1 1

1 0 0 1

1 0 1 0

1 1 0 0

1 1 1 1

1.-Tabla de verdad 2.- Mapa de tres variables de S

3.- Agrupamos unos

cbabacaS

4.- Funcin obtenida

5.- Funcin ms

simplificada

cbabcaS )(

Bloques MSI combinacionales

Codificadores (CODEC)

Decodificadores (DECO)

Multiplexadores (MUX)

Demultiplexadores (DEMUX)

Convertidores de cdigo

Aritmtica en binario

Decodificadores

Circuito con n entradas (pertenceintes a un cdigo. normalmente binario) y 2n salidas.

El DECO indica a la salida la presencia de uno de los trminos del cdigo

DECO ..

.

.

.

m0 m1

m2n-1

Aplicaciones: Seleccin de dispositivos, realizacin de circuitos combinacionales, utilizacin conjunta con codificadores...

Disponen de una entrada adicional: CS, que habilita/deshabilita el dispositivo

CS

ENTRADAS Y SALIDAS PUEDEN SER ACTIVAS EN ALTO O BAJO

(*** Poner y explicar la tabla de verdad del dispositivo ***)

A0

A1

m0

m1

m2

m3

DECODIFICADOR BINARIO DE 2 BITS

DECODEC EN

TR

AD

A

A1 A0 m3 m2 m1 m0

0 0 0 0 0 1

0 1 0 0 1 0

1 0 0 1 0 0

1 1 1 0 0 0

ENTRADA SALIDA

SA

LID

A

Con un Decodificador seleccionamos una salida del circuito mediante un cdigo a la entrada. En el ejemplo con cdigo binario seleccionados la salida adecuada. Con 0 seleccionamos la salida 0 (m0) Con 1 seleccionamos la salida 1 (m1) Con 2 seleccionamos la salida 2 (m2) Con 3 seleccionamos la salida 3 (m3)

Los decodificadores pueden ser de muchas entradas y salidas y trabajar con otros cdigos distintos al binario. Los decodificadores son bloques muy importantes para las memorias de los computadores.

Decodificadores

Los decodificadores son claves para la realizacin de memoria de ordenador y mapear los chips de memoria (MAPAS DE MEMORIA)

Hablaremos de ello en una leccin especfica

Memoria ROM con 8 datos

(tamao del dato 4 bits)

BUS DE

DIRECCIONES

BUS DE DATOS

m0 m1

m2n-1

Codificadores

Circuito con 2n entradas y n salidas

.

.

.

.

.

COD.

Sn

S0 S1

Funcin: En las salidas se muestra el cdigo (p.e. binario) de la entrada activada

Aplicaciones: Teclados, Deteccin de niveles, transmisin de datos (en conjuncin con decodificador),etc.

Que ocurre si hay mas de una entrada activada ?

Los codificadores suelen ser prioritarios

Que pasa si no hay ninguna?

Eliminando entradas o con lneas adicionales de control

A0

A1

m0

m1

m2

m3

CODIFICADOR BINARIO PRIORITARIO DE 2 BITS

CODEC

EN

TR

AD

A

SA

LID

A

m3 m2 m1 m0 A1 A0

0 0 0 x 0 0 0 0 1 x 0 1 0 1 x x 1 0 1 x x x 1 1

ENTRADA SALIDA

x = cualquier cosa (1 0)

Un Codificador convierte a un determinado cdigo la entrada seleccionada. Por ejemplo el codificador binario prioritario de 2 bits de la figura, codifica en binario la entrada activada de mayor valor. Los Codificadores permiten hacer pequeos teclado. Son elementos poco utilizados.

Codificadores

TTL comerciales

74148 Binario. 8 entradas y 3 salidas. Entradas y salidas a nivel bajo.

74147 Decimal a BCD. 10 entradas y 4 salidas. Entradas y salidas a nivel bajo.

Convertidores de Cdigo

DISPLAYS de siete segmentos

a b c d e f g

a b c d e f g Anodo Comn

Ctodo Comn

Convertidores de Cdigo

a

b

c d

e

f g

Aplicaciones: Como conmutador de lneas, en conjuncin con el DMUX, realizacin de funciones lgicas, etc

Multiplexores

.

.

MUX

E0 E1

E2n-1

n entradas de seleccin

..

S

Los CMOS pueden ser analgicos

CURIOSIDAD: Aunque son circuitos de muchas entradas son relativamente sencillos de implementar

Multiplexores

Demultiplexores

.

.

DEMU

X

S0 S1

S2n-1

n entradas de seleccin

..

E

Circuito con una entrada, 2n salidas, n entradas de seleccin.

El valor de la entrada se transmite a la salida seleccionada por las entradas de seleccin.

Aplicaciones: Como conmutador de lneas, en conjuncin con el MUX,etc

OPERACIONES ARITMTICAS : Comparadores

A = B

A > B

A < B

A

B

Comparador

Ejemplo Serie TTL 7485 Comparador de nmeros de 4 bits.

En el tema sobre MCU/PMU se comentar el uso de bits especiales (FLAGs, Palabra de estado, etc) que informan sobre resultados de operaciones aritmticas y que son importantes en la elaboracin de programas. Ejemplo Flag Z implica que el resultado de una operacin ha sido cero

OPERACIONES ARITMTICAS : Suma binaria

Sumador de 1 bit

Ci-1

Ai Bi

Ci

Si

Ai

Bi Ci-1

Si

Ci

ACARREO (CARRY)

OPERACIONES ARITMTICAS : Suma binaria

Sumador de 1 bit

C-1

A0 B0

C0

S0

Sumador de 1 bit

A1 B1

C1

S1

Sumador de 1 bit

A2 B2

C2

S2

B1 A1 A0 B0

S1 S0

7482

13 14 3 2

5

CE

11 1 12

4

10 CS

+Vcc B3 A2 A0 B2

S2 S0

7483

16 4 3 10

13

CE

12 9 2

5

14 CS

+Vcc 1

A3 A1 B1

7 8

B0

11

S3

15

S1

6

Circuitos Secuenciales

El circuito secuencial mas bsico es el biestable (Flip-Flop). Solo tiene un estado interno (Q) que coincide con la salida. Los biestables son las celdas bsicas de memoria para construir circuitos secuenciales de mayor entidad.

Biestables Dos entradas RS (puede ser sncrono o asncrono) JK (solo tiene sentido sncrono) Una entrada D o Latch (Solo tiene sentido sncrono) Ninguna entrada T (Solo tiene sentido sncrono)


Biestable RS

QT

QT+T R

S

Circuito Combinacional

R

S Q

R S QT QT+T 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 x 1 1 0 x 0 1 1 x tbd

Conserva pone a 1 pone a o sin definir (Borrado prioritario o insercin prioritaria

R S Q 0 0 Q 0 1 1 1 0 0 1 1 tbd

Forma simplificada


Biestable RS

Q S

R

Inscripcin prioritaria

Q

S

R

Borrado prioritaria

Circuitos Secunciales

Los biestables sncronos pueden tener entradas asncronas. Normalmente una puesta a cero ("Clear"), una puesta a uno ("Preset")

R

S Q

CLK

Preset Clear

R

S Q

CLK

P C


K

J Q

CLK

P C


D Q

CLK

P C Biestable D

D Q D D

Copia a la salida el valor de la entrada y la retiene.

Realmente es un bit de memoria. Solo tiene sentido sncrono

Cuando el reloj es activo por nivel, se le conoce como biestable LATCH

Circuitos Secunciales: Contadores

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