Electrónica Digital y Compuertas Lógicas

Electrónica Digital y Compuertas Lógicas

Objetivo:

A partir del siguiente informe se pretende dar a conocer los principios fundamentales que son ocupados dentro de la electrónica digital, así como el empleo actual de esta tecnología dentro de la automatización y solución de problemas cotidianos en un sistema autómata cada vez más compacto y económico.

Índice

Electrónica Digital

Circuitos Eléctricos y digitales

Tipos de Lógica

Compuertas Lógicas

Tabla de Verdad

Sistema de Representación

            Sistema Binario

Tipos de Compuertas

            Compuerta AND

Compuerta OR

Compuerta NOT

Compuerta separador (yes)

Compuerta NAND

Compuerta NOR

Conclusión

 

Electrónica Digital

Existe un teorema matemático (teorema de muestreo de Nyquist) que nos garantiza que cualquier señal se puede representar mediante números, y que con estos números se puede reconstruir la señal original.

De esta manera, una señal digital, es una señal que está descrita Por números. Es un conjunto de números. Y la electrónica digital es la que trabaja con señales digitales, o sea, con números. Son los números los que se manipulan, almacenan, recuperan y transportan.

El utilizar circuitos y sistemas que trabajen sólo con números tiene una ventaja muy importante: se pueden realizar manipulaciones con independencia de la señal que se esté introduciendo: datos, voz, vídeo...

Un ejemplo muy claro es internet. Internet es una red digital, especializada en  la transmisión de números. Y esos números pueden ser datos, canciones, vídeos, programas, etc.

La red no sabe qué tipo de señal transporta, “sólo ve números”.

La  electrónica digital trabaja con números. La información está en los números y no en la forma de señal. Cualquier señal siempre ese puede convertirá números y recuperarse posteriormente.

Circuitos y sistemas Digitales

Un circuito digital realiza manipulaciones sobre los números de entrada y genera unos números de salida.

En la electrónica trabajamos con electrones, forzándolos a que hagan lo que nosotros queremos. En el caso de los circuitos digitales, lo que hacemos es operar con  números.

¿Cómo conseguimos esto? ¿Cómo introducimos los números en los circuitos digitales? La solución a esto  es asignar un voltaje a cada uno de los dos estados de un bit. Lo normal, conocido como lógica TTL, es asignar el valor de 5 voltios al dígito ’1’ y 0 voltios al dígito ’0’. Esta asignación de valores depende de la Tecnología empleada.

Tipo de Lógica

En los circuitos electrónicos digitales se emplean niveles de tensión distintos para representar los dos bits. Las tensiones que se utilizan para representar los unos y los ceros se les denominan niveles lógicos. Existen distintos tipos de lógica

En los circuitos digitales, se usan dos tensiones diferentes, una para representar el dígito ’1’ y otra para representar el dígito ’0’. En la electrónica tradicional se usan 5 voltios para el digito ’1’ y 0  voltios para el digito  ’0’. 

Lógica positiva: al nivel alto se le da el valor de 1 y al nivel bajo un valor de 0 (VH= 1 y VL= 0)

Lógica negativa: al nivel alto se le da el valor 0 y al nivel bajo un valor de 1 (VH= 1 y

VL= 0).

Lógica mixta: se mezclan ambos criterios en el mismo sistema, eligiendo uno u otro según convenga.

Compuertas lógicas

Una señal es la variación de una magnitud que permite transmitir información. Las señales pueden ser de dos tipos:

Señales analógicas: aquellas donde la señal puede adquirir infinitos valores entre dos extremos cualesquiera. La variación de la señal forma una gráfica continua. La mayoría de las magnitudes en la naturaleza toman valores continuos, por ejemplo la temperatura. Para pasar de 20 a 25ºC, la temperatura irá tomando los infinitos valores entre 20 y 25ºC.

Un sistema binario es aquel en el que las señales sólo pueden tomar dos valores, que representaremos de ahora en adelante con los símbolos 0 y 1.

A cada valor de una señal digital se le llama bit y es la unidad mínima de información.

Compuertas lógicas

Las relaciones entre variables de entrada y salida se pueden representar en una tabla de verdad.

Una tabla de verdad es una tabla que indica qué salida va a presentar un circuito para cada una de las posibles combinaciones de sus entradas. (El número total de combinaciones es 2N, siendo n el número de las entradas).

Las operaciones matemáticas habituales, en el mundo de las matemáticas binarias, son operaciones “complicadas”. Existen operaciones más sencillas llamadas operaciones lógicas. Las operaciones lógicas pueden hacerlas algunos circuitos construidos con transistores. Este tipo de circuitos se llaman puertas lógicas.

Por consiguiente, una puerta lógica no es ni más ni menos que un circuito electrónico especializado en realizar operaciones booleanas.

Las puertas lógicas fundamentales son tres AND, OR y NOR): Combinando algunas de las puertas anteriores podemos obtener otras nuevas (NAND, NOR, XOR, XNOR.....).

Que es una tabla de Verdad

Una tabla de verdad, o tabla de valores de verdad, es una tabla que muestra el valor de verdad de una proposición compuesta, para cada combinación de valores de verdad que se pueda asignar a sus componentes.

Las tablas de verdad, de la lógica matemática. Las tablas de verdad nos ayudan a establecer el valor de verdad de diferentes razonamientos lógicos construidos a base de la combinación de dos o más enunciados nucleares.

Los enunciados nucleares se identifican con las letras del alfabeto, usualmente las de la segunda mitad del alfabeto: p, q, r, s, t, etc.

Puede usarse cualquier símbolo para identificar a los enunciados nucleares.

La tabla de verdad más simple es la que corresponde a los valores de verdad de un solo enunciado nuclear.

Los conectivos lógicos son Y (para la conjunción), O (para la disyunción inclusiva), SI... ENTONCES (para la implicación o condicional), SI Y SOLO SI (para la doble implicación o bicondicional). 

  
Las tablas de verdad basicas son las siguientes

Hará establecer un Sistema formal se establecen las definiciones de los operadores. Las definiciones se harán en función del fin que se pretenda al construir el sistema que haga posible la formalización de argumentos:

Ø  Como razonamientos deductivos lógico-lingüísticos

Ø  Como construcción de un sistema matemático puro

Ø  Como una aplicación lógica en un Circuito de conmutación.

Los operadores booleanos (AND, NOT, OR, XOR) localizan registros que contienen los términos coincidentes en uno de los campos especificados o en todos los campos

Sistemas de Representación

Las computadoras digitales utilizan el sistema de números binarios, que tiene dos dígitos 0 y 1. Un dígito binario se denomina un bit. La información está representada en las computadoras digitales en grupos de bits. Utilizando diversas técnicas de codificación los grupos de bits pueden hacerse que representen no solamente números binarios sino también otros símbolos discretos cualesquiera, tales como dígitos decimales o letras de alfabeto. Utilizando arreglos binarios y diversas técnicas de codificación, los dígitos binarios o grupos de bits pueden utilizarse para desarrollar conjuntos completos de instrucciones para realizar diversos tipos de cálculos.

La información binaria se representa en un sistema digital por cantidades físicas denominadas señales, Las señales eléctricas tales como voltajes existen a través del sistema digital en cualquiera de dos valores reconocibles y representan una variable binaria igual a 1 o 0. Por ejemplo, un sistema digital particular puede emplear una señal de 3 volts  para representar el binario "1" y 0.5 volts  para el binario "0".

La lógica binaria tiene que ver con variables binarias y con operaciones que toman un sentido lógico. La manipulación de información binaria se hace por circuitos lógicos que se denominan Compuertas.

Las compuertas son bloques del hardware que producen señales en binario 1 ó 0 cuando se satisfacen los requisitos de entrada lógica. Las diversas compuertas lógicas se encuentran comúnmente en sistemas de computadoras digitales. Cada compuerta tiene un símbolo gráfico diferente y su operación puede describirse por medio de una función algebraica. Las relaciones entrada - salida de las variables binarias para cada compuerta pueden representarse en forma tabular en una tabla de verdad.

Sistema binario

E l sistema binar i o es un sistema de numeración posiciona l con dos dígitos distintos (bits) : el 0 y el 1, Dado que tenemos 2 dígitos, los pesos son potencias de 2,Decimos que el sistema binario es un sistema en base 2, L os pesos de los números en teros son potencias positivas de 2 que aumenta n de derecha a izquierda empezando por 20

Los pesos de los números fraccionarios son potencias  negativas de 2 que aumentan de izquierda a derecha empezando por 2.

Tipos de Compuertas

Compuerta AND

 












Cada compuerta tiene dos variables de entrada designadas por A y B y una salida binaria designada por x.
La compuerta AND produce la multiplicación lógica AND: esto es: la salida es 1 si la entrada A y la entrada B están ambas en el binario 1: de otra manera, la salida es 0.
Estas condiciones también son especificadas en la tabla de verdad para la compuerta AND. La tabla muestra que la salida x es 1 solamente cuando ambas entradas A y B están en 1.
El símbolo de operación algebraico de la función AND es el mismo que el símbolo de la multiplicación de la aritmética ordinaria (*).
Las compuertas AND pueden tener más de dos entradas y por definición, la salida es 1 si todas las entradas son 1.

Compuerta OR

La compuerta OR produce la función sumadora, esto es, la salida es 1 si la entrada A o la entrada B o ambas entradas son 1; de otra manera, la salida es 0.
El símbolo algebraico de la función OR (+), es igual a la operación de aritmética de suma.
Las compuertas OR pueden tener más de dos entradas y por definición la salida es 1 si cualquier entrada es 1.

Compuerta NOT

El circuito NOT es un inversor que invierte el nivel lógico de una señal binaria. Produce el NOT, o función complementaria. El símbolo algebraico utilizado para el complemento es una barra sobra el símbolo de la variable binaria.
Si la variable binaria posee un valor 0, la compuerta NOT cambia su estado al valor 1 y viceversa.
El círculo pequeño en la salida de un símbolo gráfico de un inversor designa un inversor lógico. Es decir cambia los valores binarios 1 a 0 y viceversa.

Compuerta Separador (yes)

Un símbolo triángulo por sí mismo designa un circuito separador, el cual no produce ninguna función lógica particular puesto que el valor binario de la salida es el mismo de la entrada.
Este circuito se utiliza simplemente para amplificación de la señal. Por ejemplo, un separador que utiliza 5 volt para el binario 1, producirá una salida de 5 volt cuando la entrada es 5 volt. Sin embargo, la corriente producida a la salida es muy superior a la corriente suministrada a la entrada de la misma.
De ésta manera, un separador puede excitar muchas otras compuertas que requieren una cantidad mayor de corriente que de otra manera no se encontraría en la pequeña cantidad de corriente aplicada a la entrada del separador.

Compuerta NAND

Es el complemento de la función AND, como se indica por el símbolo gráfico, que consiste en una compuerta AND seguida por un pequeño círculo (quiere decir que invierte la señal).
La designación NAND se deriva de la abreviación NOT - AND. Una designación más adecuada habría sido AND invertido puesto que es la función AND la que se ha invertido.
Las compuertas NAND pueden tener más de dos entradas, y la salida es siempre el complemento de la función AND.

Compuerta NOR

La compuerta NOR es el complemento de la compuerta OR y utiliza el símbolo de la compuerta OR seguido de un círculo pequeño (quiere decir que invierte la señal). Las compuertas NOR pueden tener más de dos entradas, y la salida es siempre el complemento de la función OR.

Conclusión:

Las operaciones lógicas que se realizan mediante cableado, PLC´S redes y demás en automatizaciones, podemos encontrarlas también en menor escala a través de la electrónica digital, que, como su nombre lo dice al ser electrónica, son dimensiones mucho menores que las anteriormente mencionadas.

La electrónica digital ha funcionado muy bien dentro de los instrumentos de oficina puesto que genera grandes posibilidades de funciones  que podemos manipular a criterio propio.

Las funciones lógicas se colocaron dentro de las compuertas lógicas en integrados y son utilizados en la implementación para nuevas tecnologías que necesitan ser cada vez más compactas. Cada una de ella nos brinda una opción y por medio de la combinación y el conocimiento de las mismas, así como de su sistema de representación de las señales nos abre un nuevo panorama de posibilidades, Cada tecnología tiene las mejores ventajas para cierta área por ello mismo la generación de esta ciencia exacta.