SISTEMAS DIGITALES

Ing. Ramón Toala

Universidad Técnica de ManabíTercer Semestre Ingeniería de Sistemas Informáticos

La mayoría de corrientes y tensiones alternas de interés práctico son periódicas, es decir sus formas de onda tienen un patrón regular que se repite exactamente de la misma forma cada cierto tiempo. El patrón de una forma de onda que se repite periódicamente se denomina un ciclo.

CICLO

El tiempo que dura un ciclo de una corriente o una tensión alterna define el período (T) de la onda. El período se mide en segundos (s). También es común el uso de submúltiplos, como el milisegundo (ms), el microsegundo (µs) y el nanosegundo (ns). Un ciclo corresponde a T segundos, medio ciclo a T/2, un cuarto de ciclo a T/4 y así sucesivamente.

PERIODO

El número de ciclos de una corriente o una tensión alterna que ocurren o se repiten en un segundo, define la frecuencia (f) de la onda. La unidad de medida de la frecuencia es el hertz o hertzio (Hz). También es común el uso de múltiplos como el kilohertz (kHz), el megahertz (MHz) y el gigahertz (GHz). Un kilohertz, por ejemplo equivale a mil hertz ( 1 kHz = 1.000 Hz = 103 Hz)

FRECUENCIA

Se refiere a las magnitudes o valores que varían con el tiempo en forma continua como la distancia y la temperatura, la velocidad, que podrían variar muy lento o muy rápido como un sistema de audio. En la vida cotidiana el tiempo se representa en forma analógica por relojes (de agujas), y en forma discreta (digital) por displays digitales.En la tecnología analógica es muy difícil almacenar, manipular, comparar, calcular y recuperar información con exactitud cuando esta ha sido guardada, en cambio en la tecnología digital (computadoras, por ejemplo), se pueden hacer tareas muy rápidamente, muy exactas, muy precisas y sin detenerse.La electrónica moderna usa electrónica digital para realizar muchas funciones que antes desempeñaba la electrónica analógica.“Las cantidades analógica como las antes citadas tienen una característica importante: pueden variar en un rango continuo de valores.”

Analógico

Se refiere a cantidades discretas como la cantidad de personas en un una sala, cantidad de libros en una biblioteca, cantidad de autos en una zona de estacionamiento, cantidad de productos en un supermercado, etc..Los Sistemas digitales tienen una alta importancia en la tecnología moderna, especialmente en la computación y sistemas de control automático.En la representación digital, las cantidades no se reflejan mediantes cantidades proporcionales, sino a través de símbolos llamados dígitos. Un ejemplo sería un reloj digital, el cual proporciona la hora del día en forma de dígitos decimales que representan horas y minutos. Como se sabe, la hora del día cambia continuamente, pero la lectura del reloj digital no cambia constantemente mejor dicho cambia minuto a minuto .

Digital

Un ejemplo muy evidente es el hecho de que la música actualmente se graba en discos compactos (CD's), que previamente ha sido convertida a formato digital del original que es el formato analógico.El equipo creado para reproducir la música grabada de esta manera está llena de circuitos lógicos digitales.A diferencia, los discos de acetato (los discos de 45 r.p.m. y L.P. de color negro) utilizaban una aguja que recorría los surcos en el disco para poder reproducir la música grabada en forma analógica.Nadie duda de la calidad de los discos compactos de hoy, pues tienen un sonido excelente.

Entonces, la diferencia principal entre cantidades analógicas y digitales se puede enunciar de la siguiente manera:Analógico = continuoDigital = discreto (escalón por escalón)

La palabra "digital" tiene origen latino: digitus = dedos (contar con los dedos) En la técnica digital solamente existen dos posibles valores de la señal y si bien son solo dos, hay varias maneras de representarlos. En la siguiente tabla se muestran los diferentes tipos de interpretaciones.

Origen, símbolos, niveles, realización, tecnologías

Valor lógico

Si  /  "1" No  /  "0"

Símbolo 1 0

Realización

Hay corriente

No hay corriente

Nivel de tensión alta (High)

Nivel de tensión baja (Low)

Características

Técnica digital Técnica Analógica

- Sólo tensión "High" y "Low" son posibles- Gran escala de integración- Alta seguridad- Ausencia de interferencias

- Cualquier valor de tensión es posible- Problemas de ajuste y distorsión- Influencia de señales por interferencia

Los circuitos digitales son implementados por 3 tipos fundamentales de circuitos lógicos: AND, OR y NOT y las tecnologías utilizadas son: - TTL: Lógica - transistor - transistor- CMOS: Semiconductor complementario de óxido metálico

EJEMPLOS:¿Cuáles de las siguientes implican cantidades analógicas y cuales cantidades digitales?

1. Interruptor de 10 posiciones2. Corriente que fluye de una toma de corriente eléctrica3. Temperatura de un espacio4. Granos de arena en la playa5. Velocímetro de un automóvil

Pregunta de repaso:

Describa detalladamente la diferencia principal entre cantidades analógicas y digitales

LIMITACIONES DE LAS TECNICAS DIGITALES

En realidad sólo existe una desventaja importante cuando se usan técnicas digitales.

“El mundo real es fundamentalmente analógico”

La mayoría de las cantidades físicas son de naturaleza analógica, algunos ejemplos son la temperatura, la presión, la posición, la velocidad, el nivel del líquido, la rapidez, etc. Existe el hábito de expresar estas cantidades en forma digital, como cuando decimos que la temperatura es de 64oF (o 63.8oF, si queremos ser precisos); pero en realidad hacemos una aproximación digital a una cantidad inherentemente analógica.

Para aprovechar las técnicas digitales cuando se tienen entradas y salidas analógicas se deben seguir tres pasos:

1. Convertir las entradas analógicas del mundo real a la forma digital2. Procesar (efectuar operaciones con ) la información digital3. Convertir las salidas digitales de regreso a la forma analógica del

mundo real

Dispositivo de medición

Temperatura analógica

Convertidor analógico - digital

Ajusta la temperatura

Procesamiento digital

(Digital)

Convertidor digital - analógico

(Analógica)

Controlador

(Analógica)

(Digital)

Otro buen ejemplo en que la conversión entre analógica y digital tiene lugar es la grabación de audio. El proceso funciona más o menos así: (a) los sonidos de los instrumentos y voces humanas producen una señal de voltaje analógica en un micrófono; (b) esta señal analógica se convierte a un formato digital usando un proceso de conversión analógico-digital; (c) la información digital se almacena en la superficie del CD; (d) durante la reproducción, el reproductor de CD toma la información digital de la superficie del CD y la convierte en una señal analógica, la cual luego se amplifica y alimenta la bocina(parlante) que puede captar el oído humano.

Preguntas de repaso:

1. ¿Cuáles son las ventajas de las técnicas digitales sobre las analógicas?2. ¿Cuál es la limitación principal para el uso de las técnicas digitales?

En conclusión los circuitos electrónicos en general se dividen en dos grandes categorías: circuitos análogos y circuitos digitales. Esta división se establece de acuerdo con la forma como controlan las señales que circulan por ellos. Los circuitos análogos trabajan con una amplia variedad de señales que varían en forma continua dentro de valores. Los circuitos digitales o lógicos trabajan con señales que pueden adoptar únicamente uno de dos valores posibles. En un instante dado, las entradas y salidas de un circuito digital están en alto o en bajo, pero no en un valor intermedio.

Como ejemplo para aclarar estas ideas, observe el gráfico, en el cual se puede afirmar que se trata de un sistema digital porque el interruptor sólo puede estar abierto o cerrado y la lámpara puede estar encendida o apagada

Si en cambio reemplazamos el interruptor por un regulador de luminosidad (potenciometro), este circuito deja de ser digital y se transforma en un circuito análogo. Esto se debe a que al girar la perilla lentamente podemos obtener una variación continua en la iluminación, llevándola desde un valor mínimo hasta un valor máximo.

Debido a su característica de adoptar solamente uno de dos posibles valores, los circuitos digitales se utilizan con éxito en aplicaciones donde se requiere precisión y confiabilidad.

En general, los circuitos digitales se caracterizan por manejar información en forma de bits. Como sabemos, un bit o dígito binario representa el estado o condición (1 o 0, alto o bajo) de una señal digital.

El bit es la unidad básica de información de cualquier sistema digital, desde la más simple compuerta hasta el más sofisticado microcomputador.

Tanto los circuitos análogos como los digitales se pueden implementar en la práctica mediante componentes discretos o en forma integrada.

Los circuitos de componentes discretos son los constituidos de transistores, resistencias, diodos, condensadores y otros dispositivos individuales interconectados sobre una tarjeta de circuito impreso. En un circuito integrado, todos los componentes se fabrican conjuntamente sobre una pastilla de silicio o chip.

Independientemente de su construcción, discreta o integrada, la diferencia fundamental entre un circuito análogo y uno digital radica en la forma como cada uno utiliza o procesa la corriente eléctrica.

Mientras los circuitos análogos básicamente amplifican la corriente, los circuitos digitales simplemente la conmutan entre un valor y otro. Esto les permite realizar funciones increíblemente complejas, con toda confiabilidad, muy rápidamente y sin costos altos.

CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALESUn circuito integrado o CI es aquel en el cual todos los componentes, incluyendo transistores, diodos, resistencias, condensadores y alambres de conexión, se fabrican e interconectan completamente sobre un chip o pastilla semiconductora de silicio.

Una vez procesado, el chip se encierra en una cápsula plástica o de cerámica que contiene los pines de conexión a los circuitos externos.

Una pastilla típica tiene aproximadamente de 2.5 a 6.5 mm de lado y 0.5 mm de espesor. Los chips digitales más pequeños contienen varios componentes sencillos como compuertas, inversores y flip-flops. Los más grandes contienen circuitos y sistemas completos como contadores, memorias, microprocesadores, etc.

La mayoría de los circuitos integrados digitales vienen en presentación tipo DIP (Dual In-line Package) o de doble hilera. El pin No. 1 se identifica mediante una ranura o un punto grabado en la parte superior de la cápsula. La enumeración de los pines se realiza en sentido contrario al de las manecillas del reloj.

Las configuraciones más comunes de los CI digitales tipo DIP son las de 8, 14, 16, 24, 40 y 64 pines. Estas dos últimas contienen generalmente microprocesadores y otras funciones digitales relativamente complejas

TECNOLOGIA DE FABRICACION

Los circuitos integrados digitales se pueden clasificar en dos grandes grupos de acuerdo al tipo de transistores utilizados para implementar sus funciones internas de conmutación: bipolares y MOS.

Los circuitos integrados bipolares se fabrican con transistores bipolares tipo NPN y PNP y los de tipo MOS utilizan MOSFETs (transistores de efecto de campo de compuerta aislada).

Dentro de cada categoría, los fabricantes han desarrollado una amplia variedad de familias lógicas de circuitos integrados tanto MOS como bipolares.

Una familia lógica es un grupo de chips o módulos funcionales, fabricados de acuerdo a la misma tecnología y eléctricamente compatibles.

Dentro de las familias bipolares, los circuitos más utilizados son los TTL (lógica de transistor a transistor), estos se caracterizan por su bajo costo, su alta velocidad, su moderada inmunidad al ruido.

Dentro de la familia MOS, los circuitos más utilizados son los CMOS, estos se caracterizan entre otras cosas, por su amplio rango de voltajes de operación, su bajo consumo de corriente y su alta inmunidad al ruido.

En los sistemas electrónicos digitales la información se representa por medio de voltajes que están presentes en las entradas y salidas de los diversos circuitos. Por lo general el 0 y el 1 binarios se representan mediante dos niveles de voltaje nominales.

Por ejemplo, cero volts (0 V) podría representar el 0 binario y +5 V podría representar el 1 binario. En realidad debido a las variaciones en los circuitos, el 0 y el 1 se representarían mediante intervalos de voltaje, en donde cualquier voltaje entre 0 y 0.8 V representa un 0 y cualquier voltaje entre 2 y 5 V representa un 1. Ahora se podría observar la diferencia entre los sistemas digitales y analógicos.

En los sistemas digitales, el valor exacto de un voltaje no es importante; por ejemplo un voltaje de 3.6V significa lo mismo que un voltaje de 4.3V. en los sistemas análogos el valor exacto de un voltaje es importante.

Esta característica significa que el diseño de circuitería analógica exacta es por lo general más difícil que el de circuitería digital, debido a la forma en que los valores exactos del voltaje se afectan por variaciones en los valores de los componentes, la temperatura y el ruido (fluctuaciones aleatorias del voltaje).

0 binario

1 binario

No se usa

5 V

2 V

0.8 V

0 V

Volts

4 V

0 V0 0 0

1 1

t0 t1 t2 t3 t4 t5

t