INICIACIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL.
Hola estudiante, te doy la bienvenida a este nuevo curso de electrónica digital exclusivamente en donde vamos a estudiar la electrónica digital, sus componentes, sus operadores y como se integra dentro de la electrónica.
Tienes un resumen introductorio de lo que implica la electrónica digital en el curso de electrónica avanzada en este ENLACE.
Para los ejemplos del curso, yo voy a utilizar un simulador de PLCs llamado LOGO Soft de Siemens, del cual te puedes bajar una versión de prueba gratuita.
Empezaremos con el estudio en esta clase de la lógica combinatoria, que es la base de la electrónica digital.
Veremos los estados binarios y como sus estados se combinan para conseguir diferentes entradas y salidas; también veremos los convenios relativos a los receptores sin olvidar los convenios relativos a los captadores de información (entradas). Finalmente aprenderás las funciones básicas de la lógica y veremos los anagramas lógicos.
Señales digitales.Las señales digitales son únicas; varían a intervalos entre los cuales no se toman valores intermedios. Las señales digitales con que operan los sistemas electrónicos son señales binarias, es decir que solo toman dos valores de sus magnitudes fundamentales como son la máxima tensión o corriente y la mínima tensión o corriente de la señal, ignorando todo el resto de valores de dicha señal.
Como puedes ver en la imagen anterior, la señal de salida del integrado 555 muestra una señal rectángular de una frecuencia baja en la que puedes ver que la tensión máxima de la señal de salida es de 9V y la mínima tensión es la de masa (0V).
Esta es una señal típica digital, ya que la salida solo tiene en cuenta los valores máximos de tensión y mínimos de tensión; además no existe variación de tensión en las señales de salida.
Los valores de la señal se consideran binarios porque solo se tendrá en cuenta la señal en su plenitud positiva y en ausencia de tensión. En este estado la señal binaria se considera como sus dos estados denominados nivel lógico alto y nivel lógico bajo. También se representan como 0 y 1 (0 nivel bajo y 1 nivel alto).
Al igual que en las matemáticas existe lo positivo y lo negativo, en la electrónica digital también existe la lógica positiva en donde la tensión máxima es 1 y la tensión mínima es 0; y la lógica negativa en donde la tensión máxima de pico de señal es 0 y la tensión mínima de señal es 1.
Lops sistemas digitales operan con señales binarias en lugar de señales decimales (analógicas), por razones de tecnología y constitución. Las señales binarias (un bajo y un alto), constituyen la unidad mínima de información digital; se llaman digitos binarios o bits (BInary digiT).
Señales analógicas.Estas señales se diferencian de las anteriores en que las variaciones de sus magnitudes son continuas en el tiempo.
En una señal analógica las tensiones y corrientes de la misma varían en el tiempo cogiendo valores diferentes según se reproduce la señal, con lo que no mantiene unos valores fijos como mantenía la señal binaria anterior.
Las señales analógicas no tienen porqué ser unicamente una señal senoidal, pueden ser una señal de audio, de vídeo, de un transductor, un electroencefalograma, etc., etc.
Procesos digitales.
Los sistemas digitales basan su funcionamiento en la traducción de números binarios. Como su sistema matemático es numérico, se puede decir que los sistemas digitales pueden realizar operaciones matemáticas como la suma, resta, operación, comparación, memorización de los datos, etc.
Como resultado del proceso digital, a través de los procesos electrónicos diferentes se pueden actuar sobre la salida de elementos analógicos y digitales como displays, motores, relés, etc.
Sistemas cableados y programables.Cuando hablamos de sistemas cableados, estamos hablando de sistemas cuyas funciones quedan determinadas por el diseño del circuito; y si modificamos dichas funciones implica modificar el diseño del circuito.
En los sistemas programables se dispone de una estructura electrónica programable, cuyas funciones dependen de un programa. Si se modifican las funciones no hace falta modificar el harware del circuito, sino solo modificar el programa.
Un programa en un sistema programable consiste en una serie de instrucciones; y una instrucción es una determinada combinación binaria (paquetes de bits), conocido como código maquina.
Hoy en día los microprocesadores pueden ser programados y mediante estos, se puede programar sistemas digitales programables. Los más famosos (sobre todo en la industria), son los autómatas programables y los PCs industriales.
Estos sistemas programables han desplazados a los sistemas cableados ya que permiten simplificar y sistematizar los proyectos de automatización industrial.
Convertidor Analógico/Digital.Es muy habitual que los sistemas de control y los procesos digitales reciban todo tipo de señales incluso analógicas. Por este motivo como las señales de un tipo son diferente a las otras, se necesita un convertidor A/D y D/A (analógico / digital y digital / analógico).
Los convertidores A/D y D/A, son circuitos de adaptación entre las señales analógicas y digitales. Por ejemplo supón un circuito que tiene que contar el número de vueltas de un motor de corriente continua.
Sistema binario.
Como ya hemos hablado en otros cursos, el sistema binario es un sistema numérico con base 2 es decir, el número 0 y el número 1. Por lo que en sistemas decimales como el nuestro (base 10), conlleva una traducción de los números para el entendimiento humano, ya que los sistema digitales funcionan en base 2.
Una señal binaria básica se compone de un bit alto y un bit bajo, es decir un 0-1-0. Estas señales se dicen que son niveles TTL ya que son las que producen los circuitos digitales con la tecnología TTL que es la más generalizada (puertas lógicas).
Pues bien, como las señales binarias son dos estados y el sistema humano es el decimal, debemos de convertir dichas señales binarias a decimal, y viceversa, para poder entenderlas.
Representación de bits.Empecemos indicando que un bit es un nivel energético dentro del sistema de base 2. Un bit es un cero o un uno.
Para representar un número decimal, necesitarás un cierto número de bits y, cuanto mayor sea el número decimal, mayor número de bits necesitarás para representarlo. ¿por qué?
En la operación anterior dividimos el número decimal 2 entre la base 2. Obtenemos un resto de 0. El resultado es 1 y dicho resultado no es divisible entre 2, porque 1 es menor que la base. Por lo tanto, teniendo en cuenta el resultado y el resto, no queda que el número 2 en binario es 1 (resultado) y 0(resto). Hacemos la división del número decimal 3:
El número decimal 3 en base dos es 11. A partir de entonces, como el resto de la operación puede volverse a dividir entre la base, no queda que aumentamos el número de bits representativos. Por ejemplo veamos el número decimal 4:
Puedes ver que el número decimal 4, en binario ya implica tres digitos binarios el 1-0-0.
NOTA: Siempre se coge la representación desde el resultado final y los restos de cada subnivel (de abajo hacia arriba).
Esta forma de proceder es la conversión de decimales a binarios. La calculadora de Windows te puede realizar automáticamente la conversión de decimales a binarios, pero puedes hacer una aplicación en C# o Python si te animas.
Otra forma de conversión de decimal a binario implica crear monomios de la base de cada número a convertir. Por ejemplo partiendo del número 100 decimal, para convertirlo en binario tenemos que saber cual es la base máxima para conseguir ese número:
27 = 168
26 = 64
En este caso el número 100 decimal está en dentro de los valores de la potencia de 2 elevado a la séptima. Pues bien, como 168 es mayor que 100, el número correspondiente a dicha potencia es multiplicar 0 por 27, porque es mayor. Para el siguiente monomio, 26 = 64, es menor que 100, por lo que hay ponemos un 1. Para el siguiente monomio, 25 = 32 es menor que 64, por lo tanto hay va también un múltiplo de 1.
Si vamos sumando los resultados hasta el momento, tenemos que el valor hasta ahora es de 96. Para los siguientes monomios, no podemos hacer que sean positivos porque sino el número decimal a transformar no será correcto.
Si sumas las operaciones de los números 1 verás que te da un 100. Y esa es la base de la conversión.
Para convertir un número binario a un número decimal es más sencillo aún. Coges el número binario. Extrapolas a su base 2 en expenentes máximos. Por ejemplo el número 0011 0010:
Tenemos 7 múltiplos por lo que extrapolamos a potencia de siete:
0 x 27 = 0
Porque 27 es igual a 128. Como la unidad se multiplica por cero, implica que no se tenga en cuenta el resultado. Para el siguiente número 0 x 26, lo mismo. El siguiente 1 x 25 nos devuelve 32. Para el siguiente número 1 x 24 nos devuelve 16. El siguiente 0x23 devuelve cero; el siguiente 0x22 también devuelve cero. El ante penúltimo número nos devuelve 1 x 21, que es igual a 2; y el último monomio nos devuelve un cero. Si sumamos todos los números nos da el número 50.
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