Electrónica Digital- 1

Por Newton C. Braga

Uno de los primeros requisitos para entender la electrónica moderna, aplicado a la Industria, instrumentación, automatización y control, Mecatrónica y Robótica, electrónica embarcada y principalmente la electrónica de las computadoras, es conocer los principios de la electrónica digital bien. En nuestros días la electrónica ocupa un lugar de tal prominencia que hoy en día, nadie que pretenda entender cómo los circuitos equipados con procesadores, ordenadores, equipos de automatización industrial, equipos de Mecatrónica e instrumentación pueden dejar de dominarlo. Basta con observar los anuncios de puestos de trabajo en los periódicos para darse cuenta de la importancia actual de esta rama de la ciencia: en todos los casos nos encontramos con acuerdos relacionados con los sectores que tratamos, y muchas otras funciones técnicas, tienen como requisito principal el dominio de la electrónica digital. En nuestros artículos y libros, además de una gran cantidad de material en nuestro sitio, siempre buscamos dar a nuestros lectores una formación en las principales áreas técnicas relacionadas con el tema de su dominio. De la misma forma en otras publicaciones hemos tenido varios cursos de éxito, muchos de los cuales se están actualizando y publicados en nuevas versiones reformuladas. Estos cursos proporcionan una formación básica para un gran número de personas que ahora son profesionales competentes y necesitan un reciclaje de conocimientos o todavía necesitan una preparación consistente para proporcionar competiciones o incluso tener un Libro de texto para sus cursos técnicos o de ingeniería. La electrónica Digital no puede ser olvidada, especialmente en nuestros días en que los equipos industriales, las telecomunicaciones, los dispositivos de automatización y control, los microcontroladores, los microprocesadores, las computadoras y muchos otros deben estar en centro de atención a un gran número de profesionales que sin duda estarán ávidos de información y, sobre todo, de formación en su sector de trabajo. Así, el lector encontrará en este libro un Curso de Electrónica Digital que conducirá a los lectores los fundamentos de esta ciencia aplicada a diversas ramas de la electrónica. Hablaremos de una electrónica digital aplicada a todos los equipos que lo utilizan, de una manera que todo el mundo pueda entender sin muchas dificultades. Nuestro curso se preparó apuntando a los lectores que, poseyendo un conocimiento básico de la electrónica, como se obtuvieron en cursos técnicos o en volúmenes anteriores de esta serie (Vol. 1 y 2 – Electrónica Básica y Electrónica Analógica), quieren llenar la brecha que existe entre la electrónica tradicional, que ocupa en gran medida los circuitos analógicos, y Electrónica digital moderna en la forma en que se encuentra en los equipos de todo tipo, desde ordenadores hasta robots, desde instrumentos de laboratorio hasta equipos médicos y telecomunicaciones, desde equipos de automatización industrial hasta juguetes. Le recordamos que la electrónica digital es la electrónica utilizada en una multitud de equipos, pero no es el equipo en sí. Así, como ya hemos señalado, nuestro curso servirá de puente para que los lectores puedan seguir posteriormente otros cursos en áreas donde se utilicen electrónica digital comprensión.. Nuestra intención es dar un curso básico, un curso que tendrá el fundamento para los lectores ascienden a un nuevo paso de su conocimiento de la electrónica, iniciado con la Electrónica Básica y la Electrónica Analógica, finalmente el nivel de la era de la electrónica digital.

• Idioma: Español
• Editorial: Editora NCB
• Fecha de lanzamiento: 31 ene 2019
• ISBN: 9788595680517

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2018 

Lección 1 - Electrónica Analógica y Digital – Sistemas de Numeración

En esta primera lección de nuestro curso nos encargaremos de la relación entre la electrónica analógica (que estudiamos en los dos primeros volúmenes de esta serie de Cursos) y la electrónica digital. Veremos las diferencias entre los dos aparatos electrónicos, para que podamos entender mejor lo que realmente se llama electrónica digital. Tendremos una noción básica sobre la forma en que los circuitos digitales, que procesan numéricamente la información, y cómo funcionan los sistemas de numeración, con énfasis en la numeración binaria y hexadecimal. Esta lección estará formada por los siguientes ítems:

1.1 – Analógico y digital

1.2 – Lógica digital

1.3 – Sistema de numeración

1.4 – Numeración binaria

1.5 - Binarios menores de 1

1.6 – Diferentes formas de usar binarios

1.7 – Sistema hexadecimal

1.8 – Aritmética binaria

Objetivos de esta lección:

Diferenciar grandezas analógicas y digitales

Entender qué es la lógica digital

Estudie los diferentes sistemas de numeración

Conociendo la numeración binaria

Contactar algunos códigos binarios importantes

Aprenda cómo funciona la numeración hexadecimal

Comprender cómo se realizan las operaciones de suma, sustracción, multiplicación y división con binarios

1.1 - Analógico y digital

¿Por qué digital? Esta es sin duda la primera pregunta que cualquier lector que está llegando ahora, y sólo tiene alguna base teórica de la Electrónica, principalmente de la electrónica analógica, como la que se enseña en los primeros volúmenes de esta serie, lo haría cuando encontremos nuestro curso.

Por esta razón, comenzamos nuestro curso precisamente explicando las diferencias entre los dos aparatos electrónicos, para que sean muy claros. Hay que recordar que, en muchos equipos, incluso clasificados como analógicos o digitales, se encuentran los dos tipos de circuitos. Es el caso de ordenadores, procesadores, equipos de telecomunicaciones, automatismos e instrumentos de laboratorio, y muchos otros que, incluso siendo clasificados como máquinas estrictamente digitales, pueden tener en algunos puntos de sus circuitos ajustes analógicos.

Una definición encontrada en libros especializados asigna el nombre Electrónica Digital a los circuitos que operan con cantidades que sólo pueden incrementarse o disminuirse en pasos finitos.

Un ejemplo de esto se da por los circuitos que operan con impulsos. Sólo podemos tener un número entero de pulsos trabajando en cualquier momento en cualquier punto del circuito. En ninguna parte encontramos medio pulso o un cuarto de pulso.

La palabra digital también está asociada con el dígito (del latín digitus de dedo) que es asociado a la representación de cantidades enteras. No podemos usar nuestros dedos para representar un medio pulso o un cuarto de pulso.

En la electrónica analógica trabajamos con cantidades o señales que pueden tener valores que varían de manera continua en una escala. Los valores de las señales no necesitan ser enteros. Por ejemplo, una señal de audio, que es analógica, varía suavemente entre dos extremos mientras que una señal digital sólo puede variar en saltos, como se muestra en la figura 1.

Figura 1 – Una señal digital varía en saltos, es decir, asume valores discretos

Como el lector puede percibir, la diferencia básica entre los dos tipos de electrónica se asocia inicialmente al tipo de señal con la que trabajan y lo que hacen con las señales.

De una manera resumida hay que decir que:

La electrónica digital funciona con señales que sólo pueden tomar valores discretos o enteros.

La electrónica analógica funciona con señales que pueden tener cualquier valor entre dos límites.

DSP

Una tecnología muy importante nuestros días es la que hace uso del DSPs o Digital Signal Processor o Procesadores de Señales Digitales. Estos circuitos procesan señales analógicas, convirtiéndolos en forma digital y luego regresan con estas señales procesadas a su forma analógica original. Se trata de una Interconexión digital del mundo analógico. Texas Instruments tiene una amplia gama de procesadores de señal digital, como la serie TMS320 de Texas Instruments.

Donde Encontramos La Electrónica Digital

COMPUTADORAS - los ordenadores actuales son digitales en su totalidad, y prácticamente no se utiliza ningún otro tipo de configuración, excepto en la Interconexión con el mundo exterior, porque somos analógicos. Sin embargo, no siempre fue así. En las primeras décadas de este siglo, cuando los circuitos todavía eran usaban válvulas las primeras computadoras eran máquinas analógicas. El imprecisión, y algunas otras dificultades técnicas, que estos ordenadores presentaban hicieron con que ellos se sustituirían por los circuitos digitales que usamos hoy en día.

TELECOMUNICACIONES - Antes también, todos los equipos de las telecomunicaciones trabajaban directamente con las señales analógicas de los micrófonos, de las cámaras de la TV y de otras fuentes. Sin embargo, actualmente la mayoría de las transmisiones de información inalámbrica, por ondas de radio, y por medios físicos tales como fibras ópticas y cables, ocurre en la forma digital. Las señales analógicas se convierten en digitales y por lo tanto se transmiten de una manera mucho más eficiente.

INDUSTRIA Y AUTOMATIZACIÓN - En el pasado, los controles de las máquinas industriales eran simples, sin cambiar de interruptores y llaves o, en lo máximo, dispositivos que controlaban directamente las señales analógicas. También en este caso, hemos tenido una evolución con el uso de microprocesadores, microcontroladores y DSPS (Digital Signal Processors o Procesadores Digitales de Señales). En ellos, las señales analógicas de los sensores y el control se convierten en señales digitales y se utilizan en los equipamientos.

INSTRUMENTACIÓN – La mayoría de los instrumentos de laboratorio son digitales. Con mayor precisión y la capacidad de procesar las medidas que ha realizado, todavía pueden permitirse el lujo de registrar o enviar datos a través de Internet u otros medios de transmisión, con recursos mucho más grandes que los equivalentes analógicos.

ELECTRÓNICA DE CONSUMO – Muchos de los productos electrónicos que usamos hoy en día tienen chips de control que no son más que microcontroladores, que operan de forma totalmente digital. Esto ocurre con su calentador de gas, su horno de microondas, su reloj digital, calculadora, TV, reproductor de DVD, y mucho más.

ELECTRÓNICA INCORPORADA – Todos los vehículos modernos cuentan con un microcontrolador que gestiona el funcionamiento de sus piezas, desde el motor hasta los sistemas de seguridad y navegación, incluyendo GPS y sistemas de entretenimiento.

ELECTRÓNICA MÉDICA – Una gran cantidad de equipos médicos utiliza los recursos digitales en su control, con un alto grado de sofisticación, por la capacidad de los circuitos empleados. Son equipos de rayos X, tomografía, etc.

loT – Internet de las cosas – circuitos digitales de Procesamiento, la interconexión y las comunicaciones de aparatos de todos los tipos conectados a Internet son digitales.

Nuestro mundo digital – a cada instante estamos en contacto con los equipos digitales. En la foto sólo tenemos algunas.

1.2 – Lógica digital

Todo el equipo que utiliza los circuitos digitales funciona obedeciendo un tipo de comportamiento basado en lo que se llama Lógica.

La diferencia de los circuitos de amplificador ordinarios que simplemente amplifican, atenúan o realizan algún tipo de procesamiento de señal simple, los circuitos digitales no procesan las señales basándose en un simple propósito que se determina cuando son fabricados.

Los circuitos digitales de todos los equipos que hacen uso de esta tecnología son capaces de combinar las señales, tomando decisiones de acuerdo a un comportamiento lógico.

Es evidente que si el lector realmente quiere entender las cosas que ocurren con los circuitos digitales, debe dejar exactamente el aprendizaje del comportamiento que queremos que tengan, es decir, un comportamiento lógico y esto implica saber qué tipo de comportamiento es este.

Podemos decir que a partir de la lógica podemos sacar conclusiones de hechos conocidos, o tomar decisiones de hechos conocidos.

Por ejemplo, la decisión de encender una lámpara cuando está oscuro es una decisión lógica, porque la proposición y la conclusión son hechos relacionados.

Por el contrario, la decisión de encender una lámpara porque está lloviendo no es una decisión lógica, porque los hechos involucrados no están relacionados.

Figura 2 – Decisiones que implican lógica y que no son lógicas

Otros ejemplos de lógica:

Accionar un relé cuando la temperatura alcanza un cierto valor

Sonar una campana cuando una pieza llega a cierta posición.

Abrir una puerta cuando se escribe la contraseña correcta en un teclado

Evidentemente, los hechos mencionados anteriormente son simples y sirven para ejemplificar cómo funcionan las cosas.

En la electrónica de los controles lógicos de la máquina, tales como microprocesadores, microcontroladores, DSPs y computadoras, lo que tenemos es la aplicación de la lógica digital, es decir, los circuitos que operan tomando decisiones de acuerdo a las cosas que suceden en su propio interior o en dispositivos que están conectados a ellos.

Las decisiones son extremadamente sencillas, pero si combinamos muchas de ellas podemos tener comportamientos muy complejos, como los que se encuentran en ordenadores, máquinas industriales, microcontroladores, robots, etc.

Por supuesto, estos equipos y sus circuitos digitales no pueden entender cosas como que está oscuro o está lloviendo y tomar decisiones.

Los circuitos de lógica digital funcionan con señales eléctricas.

Así, los circuitos de lógica digital no hacen nada más que recibir señales con ciertas características y en su función toman decisiones que no son más que la producción de otra señal eléctrica.

Pero si las señales eléctricas son digitales, es que representan cantidades discretas, y si la lógica se basa en la toma de decisiones, el siguiente paso para entender la electrónica digital, con su lógica es precisamente ir a la forma en que las cantidades discretas son representado y entendido por los circuitos electrónicos.

Definición de lógica

Una definición común de la lógica es aquella que la sitúa como la ciencia de las leyes del pensamiento, es decir, el conocimiento de las leyes del pensamiento. Sin embargo, una definición más apropiada sería que la lógica la ciencia de las leyes del razonamiento", en que asegura que nuestros pensamientos ocurren de una manera correcta que conduce al conocimiento verdadero.

1.3 – Sistemas de numeración

La forma en que contamos las cantidades proviene del hecho de que poseemos 10 dedos. Así, tomando los dedos de las manos, podemos contar objetos con facilidad hasta cierto punto.

El punto crítico se produce cuando tenemos cantidades mayores que 10. El hombre resolvió el problema indicando también la cantidad de manos, o veces cuando se usan los diez dedos.

Así que cuando decimos que tenemos 27 objetos, el 2 indica que tenemos dos veces las manos llenas o dos decenas más 7 objetos. El 2 tiene un peso de 10.

Del mismo modo, cuando decimos que tenemos 237 objetos, el 2 ahora indica que tenemos dos decenas de pares manos llenas o 2 centenas mientras que el 3 indica que tenemos 3 pares más de manos llenas y finalmente el 7, más 7 objetos, como se muestra en la figura 3.

Figura 3 – El dígito tiene un valor que depende de su posición relativa en el número representado.

En otras palabras, la posición de los dígitos en la representación de los números tiene un peso y en nuestro sistema de numeración que es decimal este peso es 10, como se muestra en la figura 4.

Figura 4 - En el sistema de numeración decimal, los pesos de dígito son potencias de 10

¿Qué pasaría si tuviéramos un número diferente de dedos, por ejemplo, 2 en cada mano?

Esto significaría, en primer lugar, que en nuestro sistema base 4 (y no en la base 10) sólo habría 5 dígitos para representar los números: 0, 1, 2, 3 y 4, como se muestra en la figura 5.

Figura 5 – Sólo 4 dígitos estarían disponibles para representar las cantidades

Para representar una cantidad mayor que 4, tendríamos que usar más de un dígito.

Por lo tanto, para indicar 7 objetos en la base 4, tendríamos una mano completa con 4 y 3 más. Eso daría 13, como se muestra en la figura 6.

Figura 6 – Representando una cantidad superior a 4. Para 7 tendríamos 134

Vea entonces que en el 13 en la base 4, el 1 tiene el peso 4, mientras que el 3 tiene su valor normal.

Notación

Índice 4 en 134 Indica que el valor representado está en la base 4. Asimismo 710, el 10 indica que el valor representado está en la base 10.

De manera generalizada decimos que, dependiendo de la base del sistema, los dígitos tienen pesos que corresponden a su posición en el número, y que estos pesos son potencias de la base.

Por ejemplo, para la base 10, cada dígito de la derecha tiene un peso que es una potencia de 10 en orden ascendente, lo que nos lleva a la unidad (10 a la 1), a la diez (10 al exponente 1), a la centena (diez al cuadrado alto) , los mil (diez al cubo) y así sucesivamente, como se muestra en la figura 7.

Figura 7 – El aumento de los pesos de los dígitos de derecha a izquierda

En la electrónica digital, solemos decir que el dígito derecha, al representar la potencia más baja o tener menor peso, es el dígito (o bit El bit que es el dígito binario -en la base 2- se estudiará más tarde.) menos significativo o LSB (Least Signficant Bit), mientras que aquel que está más a la izquierda es el más significativo o MSB (Most Significant Bit).

Para la base 4, los dígitos tienen potencias de 4 como se muestra en la figura 8.

Figura 8 – Pesas en la base 4

Historia

No siempre la gente usaba base 10 para contar. En Babilonia, por ejemplo, la base era 12, de ahí la docena, la división del día a las 12 + 12 horas y la hora en 60 minutos. Alegan los defensores de la base 12, que se puede dividir más a menudo que en base 10, antes de que lleguemos a números que no son enteros.

Numeración en base 12, usada por los babilonios

424000 en Babilonia

Así es como los babilonios escribieron 42400, que en su base 12, serían 1,57.46,40.

De todas formas, permanece hasta hoy, como herencia de esos pueblos la división del año en 12 meses, del día a las 12 + 12 horas, las horas en 60 minutos y la misma docena

1.4 – Numeración Binaria

Los circuitos electrónicos no tienen dedos. También es evidente que no sería muy fácil proyectar circuitos que sean capaces de reconocer 10 niveles de una tensión, u otra magnitud eléctrica, sin el peligro de que cualquier pequeño problema haga que cause confusión.

Una pequeña variación de la tensión en estos circuitos puede cambiar de 3 a 4 o viceversa, afectando los cálculos que tiene que realizar.

Mucho más simple para los circuitos electrónicos es trabajar con un sistema de numeración que está más según su principio de funcionamiento y esto está hecho realmente.

Un circuito electrónico puede tener o no tener corriente, puede tener o no tener tensión, puede recibir o no un pulso eléctrico.

También es mucho más fácil diferenciar dos estados de elementos indicadores como una lámpara iluminada o apagada, un timbre silencioso o un timbre.

Sin embargo, los circuitos electrónicos son más apropiados para operar con señales que tienen dos condiciones posibles, es decir, que representan dos dígitos o números.

También podemos decir que las reglas que rigen el funcionamiento de los circuitos que operan con sólo dos condiciones

Comentarios para Electrónica Digital- 1

[Henry · Calificación: 3 de 5 estrellas]

Muestra en general la lógica de las operaciones internas, pero se debe complementar con el conocimiento de esquemas y vocabulario de componentes.