ELECTRÓNICA  DIGITAL    02-­‐2015  

         

Profesor:  Francisco  Huguet  Buguet@uca.edu.sv    

 Cubículo  #11,  2  planta    Edificio  Jon  de  Cortina  

   

Instructor:  Javier  Portillo  Peña    00059812@uca.edu.sv    

 

Descripción            

Estudio  de   los  principios  básicos  y  técnicas  modernas  de  los  sistemas  digitales.      Iniciaremos   el   curso   con   una   introducción   a   conceptos  relativos   a   los   sistemas   digitales   y   seguiremos   con   el  estudio  de  los  sistemas  y  códigos  de  numeración.      Sistemas  combinacionales  y  secuenciales,   la  arquitectura  de  memorias  y  los  convertidores  A/D  y  D/A.      

Objetivos            

1.   Conocer   los   fundamentos   matemáticos   que   sustentan   el  funcionamiento  y  el  diseño  de  sistemas  digitales.  

2.  Conocer   las  principios  del   tratamiento  de  datos  al   interior  de  una  computadora.      3.   Conocer   el   funcionamiento   de   circuitos   de   aplicación   usando  sistemas  secuenciales,  así  como  de  los  diferentes  tipos  de  memorias  y  circuitos  MSI.    4.  Desarrollar  la  capacidad  de  aplicar  los  conocimientos  adquiridos  en  el  cuanto  al  diseño  y  análisis  de  circuitos  digitales,  y  al  desarrollo  de  aplicaciones.      5.   Experimentar   con   elementos   de   base   de   hardware   de  computadora.        

Contenido            

1.  Sistemas   y   Códigos   de   numeración.   Sistema   binario,   sistema  hexadecimal,   códigos   alfanuméricos.   Conversiones   entre  sistemas.  

 2.  Compuertas   lógicas   y   álgebra   booleana.   Compuertas   lógicas:  

AND,  OR,  NOT,  NAND,  NOR,  EXOR  

3.  Aplicación  del  álgebra  de  Boole  en  circuitos  lógicos.  Postulados  y   teoremas   .  Simplificación  de  circuitos.  Diseño  de  circuitos  con  compuertas  NAND  y  NOR.  

4.  Mapas  de  Karnaugh.  Características.  Reglas  de  agrupación.  Tipos  de   mapas   de   Karnaugh.   Simplificación   gráfica   de   circuitos.  Aplicación  en  el  diseño  de  circuitos  MSI.  

5.  Circuitos   integrados   MSI.   Decodificadores,   codificadores,  multiplexores,  comparadores,  Displays.    

   

Contenido            

6.   Aritmética   Binaria.   Sumadores   binarios.   Restador   binario.  Sumador   algebraico.   Unidad   aritmética   y   lógica.   Multiplicación  binaria.  División  binaria.  Aritmética  hexadecimal.  Operación  BCD.    7.     Sistemas   secuenciales.   Flip-­‐Flop.   Contadores   binarios.   Registros  de   desplazamiento.   Contadores   síncronos.   Contadores   asíncronos.  Contador  de  década  Up/Down.  Registros  serie-­‐paralello.  Contador  de  rizo.    8.    Circuitos  de  memorias.   Tipos  de  memoria.  Arquitectura   interna.  Decodificador  de  memoria.  Diseño  de  memorias.  Memorias  estáticas.  Memorias   dinámicas.   Memorias   volátiles.     Memorias   no   volátiles.  Memorias  programables.  

Contenido            

9.   Arreglos   Lógicos   Programables   PAL.   Programación   de   circuitos  lógicos   programables.   Arquitectura   interna.   Aplicaciones   generales.  Diferentes  tipos.    10.   Circuitos   temporizadores.   El   Timer   555   en   operación  monoestable.  El  Timer  555  en  operación  astable.  Aplicaciones  con  el  Timer  555.    11.    Convertidores  A/D  y  D/A.  Convertidor  A/D  de  Ráfaga.  Convertidor  A/D   de   Rampa.   Convertidor   Digital   de   Aproximaciones   Sucesivas.  Carácterísticas   de   circuitos   integrados   convertidores   A/D   y   D/A.  Sistemas  de  adquisición  de  datos.    

Metodología            

1.  Clases  expositivas  semanales.    

2.  Consultas:    martes  y  jueves  de  9  a.m.  a  12    p.m.  

3.  Discusiones:    2  durante  el  ciclo  (fechas  a  determinar)  

4.  Prácticas  de  laboratorio:  6  prácticas  durante  el  ciclo  

5.  Investigación  personal  a  través  del  Proyecto  de  fin  curso.    

6.  Puesta  a  disposición  de  documentación  en  línea  e  información  bibliográfica.  

Laboratorios            

15%  de  la  nota  final    ELECTRÓNICA  DIGITAL  Lunes  1  :30  –  3  :30    Miércoles  1  :30  –  3  :30    Jueves  1  :30  –  3  :30*    Viernes  1  :30  –  3  :30    6  prácticas  en  total    Inscripción  a  los  grupos  por  medio  del  Moodle  a  partir  del  viernes  14  de  agosto    Las  fechas  de  las  prácticas  serán  anunciadas  por  email  y  Moodle  en  los  próximos  días.  

Exámenes            

60%  de  la  nota  final    1er  Parcial  (25%)  ,  Parcial  final  (35%)    Los  parciales  serán  precedidos  de  una  discusión    Fechas  serán  confirmadas  proximamente  

Proyecto  final            

15%  de  la  nota  final    Implementación  de  una  aplicación  utilizando  la  plataforma  Arduino.    Los  lineamientos  del  proyecto  final  serán  entregados  proximamente    2  entregas:    -­‐  1er  avance  40%  (semana  del  2  de  noviembre)  -­‐  Entrega  Proyecto  terminado  60%  (semana  del  23  de  noviembre)  

Hoja  de  Ejercicios  y  tareas            

10  %  de  la  nota  final    Una  hoja  de  ejercicios  será  puesta  a  disposición  en  la  semana  del  5  de  octubre.  Está  llevará  el  mayor  porcentaje  de  este  rubro.    Deberá  ser  entregada  resuelta  en  la  semana  del  2  de  noviembre  (fecha  exacta  a  determinar)    Eventualmente,  se  dejarán  tareas  en  clase.    

Evaluaciones            

Actividad   Ponderación   Fecha  

Primer  Parcial   25%  

Examen  Final   35%  

Laboratorios   15%  

Proyecto   15%  

Tareas   10%  

Bibliografía            

Tocci,   R.,   Sistemas   Digitales,   Principios   y   Aplicaciones,   Pearson  Educación.  México,  2003.    Mandado,  E.,  Sistemas  Electrónicos  Digitales,  Marcombo,  Barcelona,  2007.    Mano,   M.   Lógica   Digital   y   Diseño   de   Computadores,   Prentice-­‐Hall  Hispanoamérica,  México.  

CONCEPTOS  INTRODUCTORIOS  

REPRESENTACIONES  ANALÓGICAS  Cantidades  se  representan  por  medio  de  un  indicador  o  medidor  que  varía  proporcionalmente  al  valor  en  estudio.  Las   cantidades   analógicas   varian   gradualmente   sobre   un   intervalo  continuo  de  valores.  Por  ejemplo,   la   salida  de  un  micrófono  puede  tomar    valores  entre  0  y  10  mV  (0.999mV,  5mV,  7.898321mV)  

  -­‐Mecánicos   (manómetros,   balanzas,   termómetros,    velocímetros,  etc.),      -­‐Eléctricos  (micrófonos,  termistores,  LDRs,  etc.).  

 REPRESENTACIONES  DIGITALES  Las   magnitudes   son   representadas   mediante   símbolos   llamados  dígitos,   y   varían   en   intervalos   discretos.   Dado   que   las  manifestaciones   y   fenómenos  naturales   varían   de   forma   analógica,  toda  representación  digital  es  el  resultado  de  asignar  un  número  de  precisión  limitada  a  una  cantidad  que  varía  en  forma  continua.  

REPRESENTACIONES  NUMÉRICAS  

Sistemas  digitales            

Ensamble   de   dispositivos   destinados   a   la   generación,  transmisión,   tratamiento   y   almacenamiento   de  cantidades   y   otro   tipo   informaciones   codificadas   en  estados  discretos  (representación  digital).      Esta   característica   (la   codificación   en   estados   discretos)  marca  el  contraste  con  los  sistemas  analógicos,  donde  la  información   tratada   está   representada   en   forma   de  magnitudes   continuas   (representación   analógica).  Ejemplos:  amplificadores  de  audio,  una  balanza  mecánica,    un  micrófono,  el  velocímetro  de  los  automóviles,  etc…    

SISTEMAS  DIGITALES  Y  ANALÓGICOS  

Sistemas  digitales            

Los  sistemas  digitales  pueden  ser  de  dos  tipos:    Sistemas  digitales   combinacionales:   Son   aquellos   en   los  que   la   salida   del   sistema   sólo   depende   de   las   entrada  presentes.   No   necesita  módulos   de  memoria,   ya   que   la  salida  no  depende  de  entradas  previas.    Sistemas  digitales   secuenciales:   La   salida  depende  de   la  entrada  actual  y  de  las  entradas  anteriores.  Esta  clase  de  sistemas  necesitan  elementos  de  memoria  que  recojan  la  información  de  la  ’historia  pasada'  del  sistema.    

VENTAJAS  DE  LAS  TÉCNICAS  DIGITALES  -­‐   Generalmente   los   sistemas   digitales   son   más   fáciles   de  diseñar.    

-­‐   Almacenamiento   de   información   en   espacios   físicos  pequeños  y  durante  el  tiempo  que  sea  necesario.    

-­‐  Precisión  y  exactitud  en  el  tratamiento  de  la  información.    

-­‐  Extensión  y  practicidad  de  las  posibilidades  de  codage  de  la  información.    

-­‐  Tratamiento  de  la  información  puede  programarse.  

-­‐  Circuitos  digitales  son  más  resistentes  al  ruido.  

-­‐  Pueden  fabricarse  más  circuitos  digitales  en  chips  de  CI.  

DESVENTAJAS  DE  LAS    TÉCNICAS  DIGITALES  

El  mundo  real  es  analógico  Para  la  interacción  entre  los  sistemas  digitales  y  el  mundo  real  se  requiere  la   implementación   de   dispositivos   de   conversión   de   analógico/digital  (entradas  del  sistema)  y  de  digital/analógico  (salidas  del  sistema).    

Estos  procesos  de  conversión  y  el  tratamiento  de  la  información  implican  una  desfase  del  sistema  con  respecto  al  mundo  exterior.  

 

DESVENTAJAS  DE  LAS    TÉCNICAS  DIGITALES  ETAPAS  DEL  TRATAMIENTO  DE  LA  INFORMACIÓN    

1.  Conversión  de  la  variable  física  en  señal  eléctrica  analógica    

2.  Digitalización  de  la  señal  eléctrica  

3.  Procesamiento  de  la  información  codificada  

4.  Conversión  de  la  información  de  salida  del  sistema  digital  en  su  forma  analógica  

 

SISTEMAS  NUMÉRICOS  

La   tecnología   digital   utilizan   muchos   sistemas   numéricos.  Entre   los   más   corrientes   tenemos   el   decimal,   el   binario,   el  octal  y  el  hexadecimal.  

 

Cada  uno  de  estos  sistemas  está  caracterizado  por  el  número  de  símbolos  o  digitos  utilizados  para  expresar  cantidades.  

 Son   sistemas   de   valor   posicional   (el   valor   de   un   dígito  depende   de   su   posición)   :   Cualquier   cantidad   puede  expresarse  por  medio  de   la  suma  de   los  productos  del  valor  de  cada  dígito  y  su  valor  posicional.      

SISTEMAS  NUMÉRICOS  

 

SISTEMA  DECIMAL  

-­‐  10  dígitos  (0,  1,  2,  3…8,  9)  

-­‐  Posiciones  a  la  izquierda  del  punto  decimal  son  potencias  positiva.  Posiciones  a  la  derecha  son  negativas.  

-­‐  Una  serie  de  N  dígitos  puede  expresar  10N  cantidades.  La  cantidad  mayor  será  igual  a  10N  -­‐  1    

 

 

SISTEMAS  NUMÉRICOS    

 

CONTEO  DECIMAL  

-­‐  Orden  secuencia  0  1  2  3…9  

-­‐   Incremento   a   cada   paso   del  conteo   para   la   posición   de   las  unidades   (100),   a   cada   10   pasos  para   la   posición   101,   cada   100  pasos  para  la  posición  102,  etc…        

SISTEMAS  NUMÉRICOS  

 

SISTEMA  NUMÉRICO  DECIMAL  Y  SISTEMAS  DIGITALES  

 

Poco   conveniente   para   la   implementación   de   sistemas  digitales:  Requiere  el   diseño  de  equipo  eléctrónico   capaz  de  trabajar  con  10  niveles  de  voltaje  distintos.    

SISTEMAS  NUMÉRICOS  

 

SISTEMA  BINARIO  

-­‐  2  dígitos  (0,  1)  

-­‐   Posiciones   a   la   izquierda   del  punto   decimal   son   potencias  positivas   de   2.   Posiciones   a   la  derecha  son  negativas  .  

-­‐   Una   serie   de   N   dígitos   puede  expresar   2N   cant idades.   La  cantidad  mayor  será  igual  a  2N  –  1.    

 

 

SISTEMAS  NUMÉRICOS  

 

CONTEO  BINARIO  

-­‐  Alternancia  de    0  y  1    

-­‐   Alternancia   a   cada   paso  del  conteo  para  20,  cada  2  pasos   para   la   posición   21,  cada   4   pasos   para   la  posición  22,  etc…      

 

SISTEMAS  NUMÉRICOS  

 

SISTEMA  BINARIO  Y  SISTEMAS  DIGITALES  Conveniente   para   la   implementación   de   sistemas   electrónicos   digitales  simples  y  precisos  :  solo  se  necesitan  2  niveles  de  voltaje.    

Es  necesario  representar   las  cantidades  binarias  a   los  usuarios  por  medio  otros   sistemas   numéricos   más   prácticos   y   comunes   (decimal,  hexadecimal).  

 

Bit  à  digito  binario  

 

Las   cantidades   binarias   pueden   representarse   por  medio  de  cualquier  dispositivo  que  solamente  tenga  dos  estados  de  operación  o  posibles  condiciones.    

REPRESENTACIÓN  DE  CANTIDADES  BINARIAS  

REPRESENTACIÓN  BINARIA    EN    

SISTEMAS  ELECTRÓNICOS  DIGITALES  

0   y   1   son   epresentados   por  intérvalos   de   voltaje   (y   no   por  valores   nominales   debido   a   las  variaciones  de  voltaje).  

En   los   sistemas   digitales   el   valor  exacto   no   es   importante   (a  d i fe renc ia   de   los   s i temas  analógicos).    

A   la   representación   de   las  variaciones   de   una   señal  d i g i t a l   s e   l e   l l a m a  Diagrama  de  tiempo.    

E s c a l a   d e   t i e m p o  horizontal   está   graduada  por   intévalos   de   tiempo  regulares   (t0,   t1…t5   en   la  gráfica)  

SEÑALES  DIGITALES  Y  DIAGRAMAS  DE  TIEMPO  

CIRCUITOS  DIGITALES  

La  forma  en  que  un  circuito  digital  responde  a  sus  entradas  se    conoce  como  lógica  del  circuito.    

Los  circuitos  digitales  están  diseñados  para  recibir  entradas  y  producir  salidas  dentro  de  los  intervalos  de  voltaje  prescritos  para  la  representación  de  0  y  1.  

Cada   tipo   de   circuito   digital   obedece   a   cierto   conjunto   de  reglas  lógicas  que  ponen  en  relación  las  entradas  del  circuito  y  determinan  sus  salida.    

TRANSMISIÓN  DE  LA  INFORMACIÓN  Una   de   las   operaciones  más   comunes   que   se   presentan   en  cualquier  sistema  digital  es  la  transmisión  de  información  de  un  lugar  a  otro.    

La  información  puede  transmitirse  a  una  distancia  mínima  de  algunos   milímetros   sobre   la   tarjeta   de   circuito,   o   a   varios  kilómetros   entre   computadoras   en   distintas   ciudades,   por  ejemplo.  

La   información   que   se   transmite   se   encuentra   en   forma  binaria.  

Existen   2   metodos   básicos     para   la   transmisión   de  información  digital:    en  paralelo  y  en  serie.  

TRANSMISIÓN  PARALELA  Y  SERIAL  

MEMORIA  

Memoria  es  la  propiedad  de  un  dispositivo  de  mantener  a  su   salida   el   valor   de   su   respuesta   lógica   a   las   entradas,  aún  cuando  estas  hayan  sido  retiradas.    

COMPUTADORAS  DIGITALES  

Una   computadora   es   un   sistema   de   hardware   que  acepta   entrada   de   datos,   realiza   operaciones  aritméticas,   almacena   y   manipula   información,   y  toma  decisiones  determinadas  por  programas.  

 

Los  programas  se  colocan  en   la  unidad  de  memoria  de   la   computadora,   codificados   en   binario.   Cada  instrucción  tiene  un  código  único.    

 

PARTES  DE  LA  COMPUTADORA