Electronica Digital

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Electrónica Industrial 7ªElectromencanica
Electrónica Digital
 Es una parte de la electrónica que trabaja con señales digitales, es decir que trabaja con valores de corrientes y tensiones eléctricas que solo pueden poseer dos estados en el transcurso del tiempo. Este tipo de electrónica siempre es binaria (2 dígitos, el 0 y el 1). 
 El valor 1 suele estar asociado al valor máximo de tensión o corriente y el 0 al valor mínimo o a su ausencia.
Sistema Binario 
 El sistema numérico que utilizamos es el sistema decimal (de 10 dígitos, ), para realizar conteos, operaciones matemáticas y deducir fórmulas . Este sistema se basa en la combinación de 10 dígitos (del 0 al 9). Construimos números con 10 dígitos y por eso decimos que su base es 10. Por ejemplo el 23, el 234, 1093 etc. Todos son dígitos del 0 al 9.
 En electrónica digital y por ende en Informática , utilizamos diferentes sistemas de numeración . 
Los sistemas numéricos más utilizados son, el sistema binario y el hexadecimal. En algunos casos, como por ejemplo en informática, se puede llamar Lenguaje Binario, debido a que es el lenguaje que usamos para entendernos con el ordenador. 
 El sistema binario se basa en la representación de cantidades utilizando los números 1 y 0. Por tanto su base es 2 (número de dígitos del sistema). Cada dígito o número en este sistema se denomina bit (contracción de binary digit).
Por ejemplo el número en binario 1001 es un número binario de 4 bits. Recordar que "cualquier número binario solo puede tener ceros y unos".
En una cifra binaria, cada dígito tiene distinto valor dependiendo de la posición que ocupe. El valor de cada posición es el de una potencia de base 2, elevada a un exponente igual a la posición del dígito menos uno. Se puede observar que, tal y como ocurría con el sistema decimal, la base de la potencia coincide con la cantidad de dígitos utilizados (2) para representar los números.
De acuerdo con estas reglas, el número binario 1011 tiene un valor que se calcula así:
1*23 + 0*22 + 1*21 + 1*20 , es decir:
8 + 0 + 2 + 1 = 11
0 +0+0+1= 1
0 0 1 1
y para expresar que ambas cifras describen la misma cantidad lo escribimos así:
10112 = 1110
El tamaño de las cifras binarias
La cantidad de dígitos necesarios para representar un número en el sistema binario es mayor que en el sistema decimal. En el ejemplo del párrafo anterior, para representar el número 77, que en el sistema decimal está compuesto tan sólo por dos dígitos, han hecho falta siete dígitos en binario.
Para representar números grandes harán falta muchos más dígitos. Por ejemplo, para representar números mayores de 255 se necesitarán más de ocho dígitos, porque para 
 28 = 256 y podemos afirmar, por tanto, que 255 es el número más grande que puede representarse con ocho dígitos( de 0 a 255).
Como regla general, con n dígitos binario pueden representarse un máximo de 2n, números. El número más grande que puede escribirse con n dígitos es una unidad menos, es decir, 2n – 1. Con cuatro bits, por ejemplo, pueden representarse un total de 16 números, porque 24 = 16 y el mayor de dichos números es el 15, porque 24-1 = 15.
El Código BCD
 El código BCD o Decimal codificado en binario .Con ayuda de este código es más fácil ver la relación que hay entre un número decimal (base 10) y el número correspondiente en binario Este código utiliza 4 dígitos binarios para representar un dígito decimal (0 al 9) (ver en los dos ejemplos que siguen), sin embargo cuando se hace conversión de binario a decimal típica no hay una directa relación entre el dígito decimal y el dígito binario.
Para poder obtener el equivalente BCD de cada cifra de los números anteriores, se asigna un “peso” o “valor” según la posición que ocupa. Este “peso” o “valor” sigue el siguiente orden: 8 – 4 – 2 – 1. (Es un código ponderado).
El primer “0” corresponde al 8, el primer “1” corresponde a 4, el segundo “0” corresponde a 2, y… el segundo “1” corresponde a 1. De lo anterior: 0 x 8 + 1 x 4 + 0 x 2 + 1 x 1 = 5
Sistema Hexadecimal
Hexadecimal es un sistema numérico que se emplea en el ámbito de las matemáticas para aludir al sistema de numeración cuya base es el número dieciséis (16). En la actualidad este sistema suele utilizarse en la informática ya que un byte (la unidad básica de memoria) equivale a dos dígitos hexadecimales.
El sistema hexadecimal, que se abrevia Hex, apela a la notación posicional. Esto quiere decir que cada uno de sus dígitos adquiere un valor de acuerdo a su posición relativa, que se encuentra determinada por la base. Esta base, a su vez, refiere a la cantidad de dígitos que se necesitan para escribir un número. Como la base del sistema hexadecimal es dieciséis, se requieren dieciséis dígitos diferentes para la escritura. Por eso, además de los diez dígitos del sistema decimal (9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1 y 0), se usan las primeras seis letras del alfabeto latino: A, B, C, D, E y F.De este modo, podemos afirmar que el conjunto de símbolos que utiliza el sistema hexadecimal está formado por los números que van del 0 al 9 y las letras de la A a la F. En este caso, A equivale 10; B, a 11; C, a 12; D, a 13; E, a 14; y F a 15
Conversión Hexadecimal a Binario
 dicho proceso de conversión se basa tan solo en sustituir cada grupo de CUATRO (4) dígitos binarios ( iniciando por orden de peso), por el dígito del número hexadecimal que le corresponden.
Ya vimos , las bases de los principales sistema numéricos utilizados en electrónica y su traducción en informática
Ahora analizaremos los principales componentes de circuitos digitales
Compuertas Logicas
Una compuerta lógica es un dispositivo utilizado en Electrónica Digital que trabaja con estados lógicos tanto en sus entradas como en salidas, posee características especiales individuales que corresponden a leyes aritméticas. Las entradas de estos dispositivos se acostumbra representarlas con las primeras letras del alfabeto y las salidas con las últimas.
Internamente una compuerta está formada por transistores, que se encuentran con arreglos especiales de manera que la función operacional coincida con la definición de cada una de ellas. Cada compuerta tiene asociada una tabla de verdad, que expresa en forma escrita el estado de su salida para cada combinación posible de estados en sus entradas. Ya que las compuertas tiene una ó más entradas, la tabla de verdad se acomoda para formar una representación gráfica de sus resultados. También es notable que una tabla de verdad no es solamente para una compuerta específica sino que puede ser para un circuito formado por varias compuertas combinándolos entre ellas, que proporcionan un resultado para combinación de entradas.
Compuerta And
Con dos o más entradas, esta compuerta realiza la función de la multiplicación. Su salida será un 1 cuando todas sus entradas también estén en nivel alto. En cualquier otro caso, la salida será un 0. El operador AND se lo asocia a la multiplicación, de la misma forma que al operador SI se lo asociaba a la igualdad. En efecto, el resultado de multiplicar entre si diferentes valores binarios solo dará como resultado 1 cuando todos ellos también sean 1, como se puede ver en su tabla de verdad. Matemáticamente se lo simbolizará con el signo x.
Disposición de Compuertas AND en un integrado
 
 
 
Compuerta Or
La función que realiza la compuerta OR es la asociada a la suma, y matemáticamente la expresamos como +. Esta compuerta presenta un estado alto en su salida cuando al menos una de sus entradas también está en estado alto. En cualquier otro caso, cuando todas sus entradas son 0 la salida será 0. Tal como ocurre con otras compuertas, el número de entradas puede ser mayor a dos
Disposición de Compuertas OR en un integrado
 
Compuerta Not.
Esta compuerta presenta en su salida un valor que es el opuesto del que está presente en su única entrada. En efecto, su función es la negación, y el círculo en la salida significaque proporciona el estado opuesto. Se utiliza cuando es necesario tener disponible un valor lógico opuesto a uno dado. La figura muestra el símbolo utilizado en los esquemas de circuitos para representar esta compuerta, y su tabla de verdad. A menudo se le conoce como inversor.
 
 
Disposición de Compuertas NOT en un integrado
 
 
Compuerta Exor.
La compuerta Or exclusiva realiza la operación lógica correspondiente a comparación, es decir, una de las entradas deben estar en 1 y la otra en 0 para que la salida sea 1. En caso de que ambas entradas esten al mismo nivel lógico la salida pasará a 0. Nótese que en la expresión booleana el signo + está rodeado por un círculo.
 
Compuerta Nand.
Cualquier compuerta lógica se puede negar, esto es, invertir el estado de su salida, simplemente agregando una compuerta NOT que realice esa tarea. Debido a que es una situación muy común, se fabrican compuertas que ya están negadas internamente. La compuerta NAND es simplemente la negación de la compuerta AND vista anteriormente. Esto modifica su tabla de verdad, de hecho la invierte (se dice que la niega) quedando que la salida solo será un 0 cuando todas sus entradas estén en 1. El pequeño círculo en su salida es el que simboliza la negación. El numero de entradas debe ser como mínimo de dos, pero no es raro encontrar NAND de 3 o mas entradas.
 
 
Compuerta Nor
Una compuerta Nor es la negación de una compuerta Or, obtenida agregando una etapa Not en su salida. Si se observa su tabla de verdad, la salida de una compuerta Nor es 1 solamente cuando todas sus entradas son 0. La negación se expresa en los esquemas mediante un círculo en la salida. El número de entradas también puede ser mayor a dos.
 
 
Compuerta Exnor.
Una compuerta Exnor (XNOR) no es más que una Exor con su salida negada, por lo que su salida estará en estado alto solamente cuando sus entradas son iguales, es decir tengan el mismo nivel lógico y la salida estará en estado bajo para cuando las entradas estén a diferente nivel lógico.
 
 
 
Compuerta Yes.
Realiza la función booleana de la igualdad. Su tabla de verdad es también sencilla: la salida toma siempre el valor de la entrada. Esto significa que si en su entrada hay un nivel de tensión alto, también lo habrá en su salida; y si la entrada se encuentra en nivel bajo, su salida también estará en ese estado. En electrónica, generalmente se utilizan compuertas Yes para aumentar el nivel lógico cuando ya esta débil, como si fueran amplificadores (buffers en ingles).
 
Compuertas y sus Tablas de Verdad
Disposición de Compuertas en un integrado
En la disposición de pines , recordar que siempre en los extremos están destinados a la alimentación del dispositivo. Además por cada integrado podrán utilizarse los componentes que se deseen .Se recomienda aislar de posible RUIDO a los pines que no se utilizan
Simbología Tradicional y Moderna
Codificadores
Un codificador es un circuito combinacional con 2N entradas y N salidas, cuya misión es presentar en la salida el código binario correspondiente a la entrada activada.
Existen dos tipos fundamentales de codificadores: codificadores sin prioridad y codificadores con prioridad. En el caso de codificadores sin prioridad, puede darse el caso de salidas cuya entrada no pueda ser conocida: por ejemplo, la salida 0 podría indicar que no hay ninguna entrada activada o que se ha activado la entrada número 0. Además, ciertas entradas pueden hacer que en la salida se presente la suma lógica de dichas entradas, ocasionando mayor confusión. Por ello, este tipo de codificadores es usado únicamente cuando el rango de datos de entrada está correctamente acotado y su funcionamiento garantizado.
Aplicaciones del Codificador
Decodificador
Es un elemento digital que funciona a base de estados lógicos, con los cuales indica una salida determinada basándose en un dato de entrada característico, su función operacional se basa en la introducción a sus entradas de un número en código binario correspondiente a su equivalente en decimal para mostrar en los siete pines de salida establecidos para el integrado, una serie de estados lógicos que están diseñados para conectarse a un elemento alfanumérico en el que se visualizará el número introducido en las entradas del decodificador. El elemento alfanumérico que se conecta a las siete salidas del decodificador también está diseñado para trabajar con estados lógicos, es un dispositivo elaborado con un arreglos de LED de tal manera que muestre los números decimales desde el cero hasta el nueve dependiendo del dato recibido desde el decodificador, a este elemento se le conoce con el nombre de display ó dispositivo alfanumérico de 7 segmentos.
El decodificador está formado internamente por compuertas lógicas y sus conexiones internas son un sistema predefinido por el diseñador para que su función operacional sea un 
efectivo con el display, observe como se muestran a continuación en las especificaciones del fabricante. 
 
Aplicaciones de un Decodificador
Display 7 segmentos
Multiplexores
El multiplexor (MUX) es un circuito combinacional que tiene varios canales de datos de entrada y solamente un canal de salida. Sólo un canal de la entrada pasará a la salida y este será el que haya sido escogido mediante unas señales de control.
 Si utiliza un multiplexor de 4 canales de entrada. Una de los cuatro canales de entrada será escogido para pasar a la salida y esto se logra con ayuda de las señales de control o selección.La cantidad de líneas de control que debe de tener el multiplexor depende del número de canales de entrada. En este caso, se utiliza la siguiente fórmula: Número de canales de entrada =2n., donde n ,es el número de líneas de selección.
Aplicaciones del Multiplexor
Demultiplexores
En electrónica digital, un demultiplexor es un circuito combinacional que tiene una entrada de información de datos d y n entradas de control que sirven para seleccionar una de las 2n salidas, por la que ha de salir el dato que presente en la entrada. Esto se consigue aplicando a las entradas de control la combinación binaria correspondiente a la salida que se desea seleccionar.
Aplicaciones del Demultiplexor
Display 7 segmentos
Display significa visualizador en ingles.Pues eso, un display es un dispositivo electrónica que visualiza información. Por ejemplo, el display de 7 segmentos se utiliza para visualizar los números en una pantalla mediante leds.
 Fíjate que tiene 7 leds y en función de que leds luzcan nos muestra un número u otro. Esto es un Led Display.
 Display de 7 segmentos .Cátodo común/ Ánodo común
 Como se puede ve,r tiene 7 leds, pero el display puede ser de ánodo común, como ya vimos, o de cátodo común. La única diferencia es tener cuidado conectar los positivos a cada led (cátodo común) y el negativo directamente, o conectar cada patilla del display de los led al polo negativo y el común al polo positivo (de ánodo común).
 
Introducción a los dispositivos de Memoria y Control
Flip Flop
El flip flop es el nombre común que se le da a los dispositivos de dos estados (biestables), que sirven como memoria básica para las operaciones de lógica secuencial. Los Flip-flops son ampliamente usados para el almacenamiento y transferencia de datos digitales y se usan normalmente en unidades llamadas “registros”, para el almacenamiento de datos numéricos binarios.
Son dispositivos con memoria mas comúnmente utilizados. Sus características principales son:
· Asumen solamente uno de dos posibles estados de salida.
· Tienen un par de salidas que son complemento una de la otra.
· Tienen una o mas entradas que pueden causar que el estado del Flip-Flop cambie.
Los flip flops se pueden clasificar en dos:
· Asíncronos: Sólo tienen entradas de control. El mas empleado es el flip flop RS.Síncronos: Además de las entradas de control necesita un entrada sincronismo o de reloj.Unavez teniendo una idea de lo que es un flip flop vamos a describir los flip flop mas usados
Flip-Flop R-S (Set-Reset)
Utiliza dos compuertas NOR. S y R son las entradas, mientras que Q y Q’ son las salidas (Q es generalmente la salida que se busca manipular.)La conexión cruzada de la salida de cada compuerta a la entrada de la otra construye el lazo de reglamentación imprescindible en todo dispositivo de memoria.Para saber el funcionamiento de un Flip flop se utilizan las Tablas de verdad.Si no se activa ninguna de las entradas, el flip flop permanece en el último estado en el cual se encontraba.
Memorias
Las memorias electrónicas son dispositivos encargados de almacenar información en forma de estados lógicos binarios (0 y 1), estos ceros y unos pueden ser guardados como datos temporales o permanentes o también como instrucciones todo dependiendo de el tipo y la clasificación de la memoria que se este utilizando.
Tipos de Memoria
Memoria RAM:
Random Access Memory, o memoria de acceso aleatorio sus velocidades de lectura y escritura son muy similares, son utilizadas en proceso de alta velocidad donde los datos pueden perderse al momento de cortar la energía
Memoria ROM:
Read Only Memory, Memoria de solo lectura. Esta memoria viene ya grabada de fábrica y no puedes modificar su programación
Memoria PROM:
Programable ROM, memoria programable. Conocida igual como OTP( one time programable) o memoria de una sola programación. Una vez grabada ya no se puede modificar.
Memoria EPROM:
Erasable PROM, memoria borrable.Solo pueden programarse si se les borra antes exponiéndose durante cierto tiempo a la luz ultravioleta. Esto introduce el voltaje a las celdas para que después puedan ser grabadas.
 Memoria EEPROM
lectrical EPROM, memoria borrable electrónicamente. Esta memoria puede ser borrada por medios electrónicos a través de una terminal conocida como Vpp. Los voltajes de borrado son de aprox 13v.
Memoria FLASH:
Es igual que una EEPROM su diferencia radica en la velocidad de grabado de los datos, además que el voltaje usado para borrar es de 5v o 3.3v dependiendo de la memoria. Es la más usada actualmente y existe un sin número de variantes
Microcontrolador
Un microcontrolador es un circuito integrado digital que puede ser usado para muy diversos propósitos debido a que es programable. Está compuesto por una unidad central de proceso (CPU), memorias (ROM y RAM) y líneas de entrada y salida (periféricos).
Como podrás darte cuenta, un microcontrolador tiene los mismos bloques de funcionamiento básicos de una computadora lo que nos permite tratarlo como un pequeño dispositivo de cómputo.
Un microcontrolador puede usarse para muchas aplicaciones algunas de ellas son: manejo de sensores, controladores, juegos, calculadoras, agendas, avisos lumínicos, secuenciador de luces, cerrojos electrónicos, control de motores, relojes, alarmas, robots, entre otros. El límite es la imaginación.
 Funcionamiento de un microcontrolador
Como el hardware ya viene integrado en un solo chip, para usar un microcontrolador se debe especificar su funcionamiento por software a través de programas que indiquen las instrucciones que el microcontrolador debe realizar. En una memoria se guardan los programas y un elemento llamado CPU se encarga de procesar paso por paso las instrucciones del programa. Los lenguajes de programación típicos que se usan para este fin son ensamblador y C, pero antes de grabar un programa al microcontrolador hay que compilarlo a hexadecimal que es el formato con el que funciona el microcontrolador.Para diseñar programas es necesario conocer los bloques funcionales básicos del microcontrolador, estos bloques son:
· CPU (Unidad central de proceso)
· Memoria ROM (Memoria de solo lectura)
· Memoria RAM (Memoria de acceso aleatorio)
· Líneas de entrada y salida (Periféricos)
La forma en la que interactúan estos bloques dependerá de su arquitectura La CPU posee, de manera independiente, una memoria de acceso rápido para almacenar datos denominada registros, si estos registros son de 8 bits se dice que el microcontrolador es de 8 bits.
¿Qué se necesita para grabar un programa en un microcontrolador?
Se necesita básicamente tres cosas:
1. Una computadora
2. Software de programación (incluyendo un compilador).
3. Un circuito programador
Ejemplo de pines y su función en los Microcontroladores
Ejemplo con ARDUINO
funciones de programación
Otros dispositivos Importantes
Conversores A/D (Analogico Digital)
	Para realizar esa tarea, el conversor ADC (Analog-to-Digital Converter - Conversor Analógico Digital) tiene que efectuar los siguientes procesos: