Introducción a la Electrónica Digital

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

El objetivo de este artículo es realizar un introducción inicial a la Electrónica Digital, comentando aspectos tan básicos que en muchas ocasiones se dan por sabidos en la mayoría de manuales, libros o cursos completos que fácilmente encontraremos 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 es analógico. De hecho, los componentes electrónicos digitales (circuitos digitales) están fabricados internamente y diseñados con componentes analógicos (transistores, resistencias, etc.) simplificados conceptualmente en bloques de funcionamiento que sólo pueden tener dos estados, o conducen electricidad o no la conducen. En la Electrónica Analógica, sin embargo, se contemplan infinitos estados en la conducción de la electricidad. Una aplicación de la Electrónica Digital sería el microprocesador 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 variar 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 considera 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]

Bloques Lógicos

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 solamente su Función o la Operación Lógica que realiza. En la práctica, estos bloques 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.

Base Matemática

Lo primero que hay que conocer para iniciarse en la Electrónica Digital, y en la que se basa toda su teoría, es el Álgebra 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 habitualmente 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 matemáticas simples. En otros planetas con vida inteligente, si sus habitantes o especie dominante ha aprendido ya a contar y ellos tienen ocho 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 ocho dedos, o tentáculos, o lo que sea…, posiblemente usen habitualmente el sistema de numeración en base 8 (octal).

Algo que se debe tener muy claro, es que en cualquier base numérica, siempre se pueden representar matemáticamente los mismos conceptos físicos 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 finalmente siempre es posible traducir los resultados de una base numérica a otra. La que mejor entienden los humanos es la base 10, y la única que se utiliza en Electrónica Digital y entienden los sistemas digitales es la base 2.

El matemático 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.

Bloques Fundamentales

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 relación 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:

Libros Gratuitos

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 sugiero la siguiente serie de 12 vídeos, que aunque ya tienen algunos años de antigüedad, 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.