Introducción a la Electrónica Digital

Se comentarán aspectos tan básicos que muchas veces se dan por sabidos o entendidos, aunque en ocasiones tal vez no sea así, y al final encontrarás una serie de 12 videos didácticos que abarcan todo lo necesario para adquirir un conocimiento básico muy completo sobre Electrónica Digital.

El objetivo de esta entrada es realizar un introducción inicial a la Electrónica Digital, comentando aspectos tan básicos que muchas veces se dan por sabidos o supuestos en la infinidad de manuales, libros o cursos completos que fácilmente podemos encontrar en internet o en cualquier librería técnica.

Podemos empezar diciendo que la Electrónica General se divide en dos grandes grupos de estudio o especialidades, la electrónica Analógica y la Digital. Esta segunda, en realidad, es una simplificación realizada para facilitar su estudio, ya que físicamente todo en el mundo es analógico. De hecho, hasta los componentes electrónicos digitales (circuitos digitales) están fabricados internamente y diseñados con componenentes analógicos (transistores, resistencias, etc.) simplificados conceptualmente en bloques de funcionamiento que sólo pueden tener dos estados, o conducen electricidad o no la conducen, mientras en la electrónica analógica hay infinitos estados de conducción de la electricidad. Una aplicación de la electrónica digital sería el procesador o la memoria del equipo informático desde el que estoy escribiendo. Y de la electrónica analógica, el amplificador de sonido de los altavoces o su fuente de alimentación.

Definiciones:

Electrónica Analógica: Trata con corrientes y tensiones que pueden varíar su valor en el transcurso del tiempo de manera uniforme y continuada. Por lo tanto, se pueden medir valores positivos, negativos, cero o cualquiera de sus infinitos estados intermedios, y puede variar de manera alternativa (corriente alterna) o continua (corriente continua)

Electrónica Digital: Trata con valores de corrientes y tensiones eléctricas que sólo pueden poseer dos estados en el transcurso del tiempo. Hay o no hay corriente o tensión, pero cuando la hay, siempre es la misma y cuando no hay, siempre es de valor cero. Como ya he comentado anteriormente, esto es sólo una simplificación para facilitar el estudio y diseño, ya que en la práctica se utiliza el concepto de bandas, en el que entre determinados valores se considiera que hay corriente o tensión (Uno Lógico o Estado Alto) y a partir de determinado valor próximo a cero se considera que no hay corriente o tensión (Cero Lógico o Estado Bajo)

Señal-digital-analógica[1]

En Electrónica Digital se trabaja fundamentalmente con los llamados Bloques Lógicos, que en función de las entradas o Estados Lógicos de Entrada, proporciona salidas o Estados Lógicos de Salida. Estos bloques son abstracciones y poco le importa al diseñador de un circuito digital lo que hay dentro de ellos, teniendo en cuenta sólamente su Función o la Operación Lógica que realiza. Estos bloques en la práctica son los Circuitos Integrados que pueden contener en su interior, desde unos pocos, hasta millones de transistores integrados, dependiendo de la complejidad de las funciones que realice.

Estos bloques son abstracciones y poco le importa al diseñador de un circuito digital lo que hay dentro de ellos.

Lo primero que hay que conocer para iniciarse en la Electrónica Digital, y en la que se basa toda su teoría, es el Algebra de Boole. Teoría matemática aplicada al sistema de numeración binario o en base 2. El sistema de numeración que nos enseñan en la escuela y que usamos habitualente es en base 10 o decimal, con el que disponemos de 10 dígitos diferentes (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9) para expresar cualquier cantidad. En el sistema binario o en base 2, sólo disponemos de 2 dígitos, el 0 y el 1, por lo que es ideal para trabajar con aquellos sistemas que sólo pueden tener dos estados, a un estado lo llamamos 0 y al otro 1. El único motivo por el los humanos utilizamos la numeración en base 10 es que tenemos 10 dedos en las manos, gracias a los cuales empezamos a contar, a expresar cantidades con símbolos y a realizar operaciones mantemáticas simples. En otros planetas con vida inteligente, si sus habitantes o especie dominante ha aprendido ya a contar y ellos tienen 8 dedos, o tentáculos, o lo que sea…, posiblemente usen habitualmente el sistema de numeración en base 8 (octal).

…si sus habitantes o especie dominante ha aprendido ya a contar y ellos tienen 8 dedos, o tentáculos, o lo que sea…, posiblemente usen habitualmente el sistema de numeración en base 8 (octal).

Lo que se debe tener muy claro es que aplicando cualquier base numérica se pueden expresar los mismos conceptos físicos de cantidades y realizar las misma operaciones. Por así decirlo, lo único que cambia es el idioma, pero el resultado físico al que se aplica la matemática es el mismos, y al final siempre es posible traducir los resultados de una base numérica a otra.

El mátemático inglés George Boole desarrolló un sistema de reglas que le permitían expresar, manipular y simplificar problemas lógicos y filosóficos cuyos argumentos admiten dos estados (verdadero o falso) empleando procedimientos matemáticos. En 1854 publicó “An Investigation of the Laws of Thought” donde exponía el resultado de sus investigaciones matemáticas. Se podría decir que, aunque seguramente jamás imaginó la importancia y aplicación moderna de sus estudios, es el padre de las operaciones lógicas y su álgebra se sigue aplicando hoy en día para realiza todo tipo de operaciones lógicas.

Puedes descargar su libro “An Investigation of the Laws of Thought“, pero sólo como curiosidad. En la práctica, empleamos sistemas mucho más simplificados y adaptados a las necesidades reales del diseño de circuitos electrónicos digitales.

Los bloques fundamentales en que se basa la electrónica digital son los llamados NOT (“no” lógico o negación), AND (“y” lógica) y OR (“o” lógica)

NOT: El resultado de la salida es el contrario del valor de entrada. Es decir, si la entrada es 0, la salida será 1, y si la entrada es 1, la salida será 0.

Para expresar la realición entre los valores de entrada y salida de un bloque lógico se utilizan las Tablas de Verdad, en las que de un sólo vistazo podemos comprobar el valor de cualquier salida en función de la o las entradas. Para la operación NOT sería la siguiente:

Tabla_de_verdad_puerta_NOT[1]

Los bloque lógicos fundamentales, también llamados Puertas Lógicas tienen sus propios símbolos en los esquemas eléctricos de conexiones, el resto de bloques lógicos se suelen representar con simples rectángulos con terminales de entrada y salida. La puerta lógica NOT se representa así:

pueta_not[1]

O mediante este bloque lógico:

SímboloNOT[1]

Y se puede expresar matemáticamente de distintas maneras, normalmente con un apóstrofe delante de la variable de entrada, o mediante un línea continua sobre ella. Por lo tanto, la función NOT se expresará matemáticamente como S = ‘E (donde S es la salida y E la entrada)

Los otros dos bloques lógicos fundamentales son:

AND: Realiza un multiplicación lógica entre las variables de entrada, lo que quiere decir que si cualquier de ellas es cero, el resultado será 0 (cualquier número multiplicado por 0 es igual a 0)

Tabla_de_verdad_puerta_AND[1]

Los dos símbolos empleados para la puerta AND y su circuito eléctrico equivalente:

Funcion_logica_Y[1]

OR: Realiza un suma lógica entre las variables de entrada, lo que quiere decir que si cualquier de ellas es uno, el resultado es 1 (la salida sólo vale 0 si todas las entradas son 0)

Tabla_de_verdad_puerta_OR[1]

Los dos símbolos empleados para la puerta OR y su circuito eléctrico equivalente son:

Funcion_logica_O

Cualquier otra operación o bloque lógico se puede expresar como combinación de estas tres funciones básicas, aunque para ello sea necesario emplear millones de puertas lógicas interconectadas como ocurre en los circuitos digitales complejos.

Veamos un ejemplo simple realizado utilizando tres puertas lógicas:

Circuito Lógico Sencillo

La función implementada sería F=(A AND B) OR (C AND A) o matemáticamente F=A·B+C·A

En las siguiente tabla aparecen todas las Funciones Lógicas Básicas, con sus símbolos, tablas de verdad y circuitos eléctricos equivalentes:

funcionalogicasbasicas

Para ampliar información y conocimientos, recomiendo los siguientes documentos online de distribución libre y gratuita:

  • INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL:  Unidad Didáctica de la Asignatura de Tecnología de I.E.S. “Virgen de Villadiego” Peñaflor (Sevilla)
  • CIRCUITOS Y SISTEMAS DIGITALES: Libro Electrónico que cubre el temario de la asignatura “Circuitos y Sistemas Digitales” , del Departamento de Electrónica y Comunicaciones, que se imparte en primero de Escuela y Facultad de Informática en la Universidad Pontificia de Salamanca en Madrid (UPSAM)

Pero si prefieres aprender de una manera más cómoda, te puedo recomendar esta serie de videos, que aunque tienen ya algunos años, los principios básicos de la electrónica digital que explican en detalle son los mismos ahora que hace 30 años. Son de lo más didáctico, y al tener un formato casi de documental, creo que resultan bastante entretenidos.

Videocurso de Electrónica Digital

Lección 1: Introducción a la Electrónica Digital


Lección 2: Introducción a los Sistemas Numéricos


Lección 3: Transistores Bipolares en Conmutación


Lección 4: Compuertas Lógicas Básicas


Lección 5: Circuitos Integrados TTL


Lección 6: Circuitos Integrados CMOS y ECL


Lección 7: Análisis de los Circuitos Lógicos Combinacionales


Lección 8: Flip-Flops Básicos


Lección 9: Contadores


Lección 10: Registros de Desplazamiento


Lección 11: Circuitos de Reloj


Lección 12: Aplicaciones de los Circuitos Lógicos Combinacionales


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2 thoughts on “Introducción a la Electrónica Digital

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