ELECTRÓNICA DIGITAL.
Introducción.
La electrónica digital es la parte de la electrónica que solo tiene en cuenta el nivel energético que tenga un dispositivo digital, siendo un nivel eléctrico de alimentación, por ejemplo. Supón que en el circuito siguiente presionamos o no el pulsador. En nuestra condición, si lo pulsamos, circulará corriente por el circuito que encenderá el diodo Led, mientras que si no lo pulsamos no circulará corriente.
Si conectamos un osciloscopio a la salida del circuito veremos que solo se muestran dos niveles de tensión eléctrica y que es cuando se pulsa el botón o cuando está sin pulsar. En la primera acción sobre el diodo se produce una caída de tensión que facilita una circulación de corriente. En la segunda acción, no se produce ninguna caída de tensión sobre el Led y no existe circulación de corriente.
Extrapolando puedes darte cuenta que cuando presionamos el botón, cae tensión en el diodo y cuando está libre el botón, no cae tensión. De ahí que al presionar el pulsador, la tensión cae a -1,8V y cuando se libera vuelve a 0V. Ese efecto es lo que se tiene en cuenta en la electrónica digital, no la variación de las magnitudes eléctricas, sino su valor: que sea alto o sea bajo.
Por eso se puede decir que la electrónica digital tiene una naturaleza binaria ya que solo importan sus dos estados de alimentación o no alimentación y que, curiosamente al estado alto o de alimentación del dispositivo se dice estado lógico 1, y al estado de reposo o sin alimentación se le dice estado lógico 0.
Dependiendo del tipo de componentes utilizados en para fabricar los elementos que forman la electrónica digital (puertas, biestables, contadores, sumadores, etc., etc.), podemos encontrar varias familias lógicas siendo las más usadas:
● Familia TTL: (Transistor Transistor Logic), que emplea transistores bipolares y resistencias.
● Familia CMOS: (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), que utiliza transistores CMOS.
Cada familia tiene sus propias características que pueden consultarse en la hoja de características de los fabricantes.
En la familia de los TTL, el estado lógico 0 presenta tensiones entre 0 y 0,8V, mientras que el estado lógico 1 representa tensiones entre 2 y 5V como máximo. Además en electrónica digital, los estados lógicos pueden ser intercambiados con la lógica negada pasando a ser estado alto el 0 y el estado bajo el 1.
La electrónica digital se clasifica en dos grandes grupos:
Los circuitos conbinacionales.Que son aquellos en los que la salida o salidas dependen unicamente del estado de las entradas, por lo que cada vez que se produzca una combinación en la entradas del dispositivo, cambiará la salida a otro nivel.
Los circuitos secuenciales.En estos la salida o salidas dependen del estado de las entradas y, además del estado interno del circuito. Para una misma configuración de entradas la salida no tiene porqué adoptar el nivel lógico esperado.
Además la electrónica digital también se puede clasificar en función de su uso. Existe la lógica cableada en la cual los elementos que forman el circuito se unen mediante conductores eléctricos por lo que para modificar la función de sus salidas hay que modificar las conexiones. La lógica programada es otra forma de clasificarla mediante la cual, existen componentes en donde se deposita un programa que indica la función del circuito y que, modificando el programa se modificará la salida sin tener que cambiar las conexiones físicas.
Para terminar, la mayoría de los componentes en circuitos digitales aparecen en forma de circuito integrado. Tomando como unidad mínima lógica la puerta lógica, podemos dividir también la electrónica digital en cuanto a la integración de puertas lógicas en cuatro niveles:
● SSI: (Small Scale Integration), en cuyos componentes existen entre 1 y 12 puertas lógicas.
● LSI: (Long Scale Integration), en donde hay entre 12 y 100 puertas lógicas.
● LSI: (Large Scale Integration), que es escala alta de entre 100 a 1000 puertas lógicas.
● VLSI: (Very Large Scale Integration), en la cual existen mínimo 1000 puertas lógicas.
Sistema binario.
Como en la electrónica digital solo pueden darse dos estados o niveles, se dice que la naturaleza de la electrónica digital es binaria y por lo tanto se puede aplicar el sistema de numeración binario o base 2. Dicho sistema se caracteriza en que solo tiene dos dígitos el 0 y el 1. Para representar cantidades superiores a dichos dígitos se recurre a la combinación de unos y ceros en grupos de bits de información, es decir grupos de dos, tres, cuatro,..., etc., siguiendo la forma polinómica de potencias de la siguiente ecuación:
De tal forma que supón que un número binario está formado por el número 10101 (se lee: uno cero uno cero uno), tenemos 5 dígitos que al aplicar el polinómio:
1 x 24 + 0 x 23 + 1 x 22 + 0 x 21 + 1 x 20
Lo que nos da un resultado de 16 + 0 + 4 + 0 + 1 = 21
Para transformar un número decimal a binario, la fórmula está en dividir dicho número entre 2 hasta que no se pueda dividir más. A continuación cogemos el último cociente y los restos de las divisiones pero en orden inverso.
Para la representación de los números y carácteres alfabéticos se utiliza en electrónica digital, códigos (convenciones para fijar datos). Los códigos numéricos pueden ser ponderados y no ponderados.
En los ponderados, cada bit tiene un valor dependiendo de la posición que ocupe. Por ejemplo el número 21 en codificación BCD (Binary Code Decimal), está formado por el valor decimal 2 y el valor decimal 1, que en binario son el 0010 y el 0001 respectivamente, a pesar que el número binario 21 es igual a 00010101
También existe la codificación Aiken, que es una codificación complementaria al anterior código; o los códigos XS3 y el Gray que forman parte de los no ponderados y que tienen reglas especiales de generación. Además existen códigos detectores de error como el código de Paridad Par o de Paridad Impar, que se forman añadiendo a cualquiera de los códigos anteriores un bit llamado bit de paridad.
Para códigos alfanuméricos cabe destacar el código ASCII, que es muy extendido sobre todo en el procesado de datos de procesadores pequeños y en grandes ordenadores. Dicho código se puede presentar en formato de 6, 7 u 8 bits. Incluye números, letras y carácteres especiales, además de sus mayúsculas y minúsculas como su carácter de puntuación.
Algebra de Boole.
Desarrollado por George Boole en el siglo 21, dicha algebra está basada en la naturaleza binaria de sus elementos, que pueden adoptar el valor 0 o el valor 1, pudiéndose relacionar por tres operaciones básicas: la suma lógica, el producto lógico y la negación.
La relación de las variables lógicas, reciben el nombre de función lógica o función booleana (en honor a su inventor). Las funciones lógicas se usan en electrónica digital para representar el estado que adoptará la salida o salidas de un circuito respecto al estado de sus entradas. A continuación detallaré las funciones lógicas más comunes.
Producto lógico.El producto lógico o función AND de dos o más variables, tomará el valor lógico 0, si una o más variables toman dicho valor.
En el anterior circuito puedes ver que las entradas están conectadas a la batería a través de dos pulsadores. Uno NC (Normalmente Cerrado), y otro NO (Normalmente abierto), conectados a las entradas de una puerta lógica tipo AND con dos entradas y una salida que se conecta a un diodo LED. La función AND implica que las dos entradas tienen que estar al mismo nivel para que se produzca la salida. Por lo tanto, en el caso anterior, la entrada conectada al pulsado NC está a nivel 1, mientras que la entrada conectada al pulsador NO, está a nivel 0 porque no le llega la alimentación de la batería. En este estado no se produce salida sobre el LED y la salida permanece a 0. Pero si presionas el pulsador NO, ambas entradas se pondrán a nivel 1, por lo que la salida cambiará a nivel 1 y el led se encenderá.
El producto lógico se representa con una puerta en forma de "D" mayúscula.
Suma lógica.La suma lógica o función OR, implica que la salida adoptará el estado 1 si cualquiera de sus entradas tiene valor 1.
En el anterior circuito puedes observar que la salida se pondrá en nivel 1 si cualquiera de las entradas está a nivel 1. Como tenemos dos pulsadores, uno NC que está cerrado y otro NO que está abierto, la salida estará en alto por el interruptor NC. Pero si lo abres, se apagará el LED, al estar a nivel 0 cualquier entrada.
La suma lógica se representa con una puerta cuya forma es una "D" especial.
Función negada.Esta función invierte el estado contrario a la de la entrada. Es decir, si la entrada es 1, la salida será 0 y viceversa. Se representa mediante un triángulo con un punto en su punta.
Esta función se aplica en funciones AND y OR añadiendo una N previamente quedando las funciones NAND y NOR. En electrónica digital se reconocen estas funciones porque tienen un punto al final del simbolo de la función.
Para representar numericamente una función, se utilizan las tablas de verdad. Dichas tablas indican el valor lógico que adquiere la salida respecto a la entrada o entradas para cada combinación de variables.
Por lo tanto, la tabla de verdad contendrá tantas columnas como entradas y salidas tenga el circuito. En nuestro circuito OR anterior tenemos dos entradas y una salida, por lo que la tabla de verdad quedaría de la forma siguiente:
Con el algebra de Boole también podemos establecer otras dos funciones. La función XOR u OR-exclusiva, cuya salida será de nivel 1 solo y cuando una y solo una de sus entradas adopten dicho valor.
Y la función inversa de XOR llamada XNOR y que produce la inversión negada anterior.
Para terminar, existe otra función lógica que es la función Buffer, que toma el mismo valor de la entrada. Se representa mediante un triángulo y es utilizado como amplificador de corriente.
Formulación de las ecuaciones de los circuitos.
Todo circuito eléctrico puede transcribirse mediante una ecuación e, inversamente toda ecuación puede ser transcrita a un esquema eléctrico.
Fijate que el contactor NC b, tiene una raya en la parte superior. Este cifrado es para indicar que su funcionamiento es negado, por lo que la ecuación E se lee "E es igual a 'a' Y 'no b' Y 'c'.
Y la ecuación anterior es un producto lógico, pero también se puede dar una suma lógica cuando los contactores están en paralelo entre sí.
O también se puede dar una suma de ambas funciones:
En la conbinatoria de circuitos podemos obtener incluso, varias ecuaciones si tenemos varias salidas.
Anagramas lógicos.Acabamos de ver cómo un esquema eléctrico puede traducirse a una ecuación y a la inversa. Por la misma razón, todo esquema eléctrico puede representarse mediante un Anagrama lógico. Un anagrama lógico está compuesto por funciones lógicas básicas.
El siguiente esquema corresponde a la ecuación E = (a + b + c) x d.
Le corresponde el anagrama lógico siguiente:
Con esto doy por terminado esta clase de introducción a la electrónica digital. En la clase práctica instalarás el programa LogoSoftV8 para poder realizar tus simulaciones eléctricas y programación de PLCs.