Sistemas Digitales
Introducción al Curso
Bienvenidos al curso de Sistemas Electrónicos Digitales. Este curso tiene como objetivo proporcionar una comprensión sólida de los principios fundamentales que sustentan los sistemas digitales modernos, así como su aplicación en el diseño y desarrollo de soluciones de ingeniería.
A lo largo del curso, se abordarán desde los conceptos más básicos, como la estructura y funcionamiento de una compuerta lógica, hasta temas más avanzados relacionados con el diseño de circuitos digitales y el funcionamiento interno de los microcontroladores. Se estudiarán aspectos clave como las compuertas digitales, las funciones booleanas, los circuitos combinacionales y secuenciales, así como la arquitectura básica de los microchips.
Además, se introducirá el uso de microcontroladores, incluyendo su programación y la gestión de periféricos ampliamente utilizados, tales como temporizadores, entradas/salidas digitales, comunicación serial y módulos analógicos. Esto permitirá comprender cómo los sistemas digitales se integran en aplicaciones reales.
El curso combina teoría y práctica mediante el desarrollo de ejercicios aplicados, con el fin de fortalecer la capacidad de análisis, diseño e implementación de sistemas electrónicos orientados a la resolución de problemas en ingeniería.
Ph. D. Andrés Cela
Objetivos del Capítulo
Explicar las diferencias básicas entre las magnitudes digitales y analógicas.
Mostrar cómo se usan los niveles de tensión para representar magnitudes digitales.
Describir los diferentes parámetros de los trenes de impulsos, tales como el tiempo de subida, el tiempo de bajada, el ancho del impulso, la frecuencia, el período y el ciclo de trabajo.
Explicar las operaciones lógicas básicas NOT, AND y OR.
Describir las funciones lógicas del comparador, el sumador, el convertidor de código, el codificador, decodificador, multiplexor, demultiplexor, contador y registro.
Identificar los circuitos integrados digitales de función fija de acuerdo con su complejidad y el tipo de encapsulado.
Identificar la numeración de los pines en los encapsulados de los circuitos integrados.
Explicar qué es la lógica programable, especificando los distintos tipos y describiendo cómo se programan los PLD.
Reconocer los instrumentos y comprender cómo se usan para medir y solucionar las averías en los sistemas y circuitos digitales.
Mostrar en una aplicación práctica cómo se forma un sistema digital completo combinando las funciones básicas.
1.1 Magnitudes Analógicas y Digitales
Los circuitos electrónicos pueden dividirse en dos amplias categorías: digitales y analógicos. La electrónica digital utiliza magnitudes con valores discretos y la electrónica analógica emplea magnitudes con valores continuos. Aunque en este libro vamos a estudiar los fundamentos digitales, también debemos conocer los analógicos porque muchas aplicaciones requieren la utilización de ambos.
Una magnitud analógica es aquella que toma valores continuos. Una magnitud digital es aquella que toma un conjunto de valores discretos. La mayoría de las cosas que se pueden medir cuantitativamente aparecen en la naturaleza en forma analógica. Por ejemplo, la temperatura varía dentro de un rango continuo de valores. A lo largo de un día, la temperatura no varía por ejemplo entre 20°C y 25°C de forma instantánea, sino que alcanza todos los infinitos valores que hay en ese intervalo. Otros ejemplos de magnitudes analógicas son el tiempo, la presión, la distancia y el sonido.
FIGURA 1.1 Gráfica de una magnitud analógica (temperatura en función del tiempo).
En lugar de hacer una gráfica de temperatura en un rango continuo, supongamos que simplemente medimos la temperatura cada hora. Lo que tenemos ahora son muestras que representan la temperatura en instantes discretos de tiempo (cada hora) a lo largo de un periodo de 24 horas, como se indica en la Figura 1.2. De esta forma, hemos convertido de forma efectiva una magnitud analógica a un formato que ahora puede digitalizarse, representando cada valor muestreado mediante un código digital. Es importante darse cuenta de que la Figura 1.2 no es la representación digital de la magnitud analógica.
FIGURA 1.2 Representación de los valores muestreados (cuantificación) de la magnitud analógica de la Figura 1.1. Cada valor representado por un punto puede digitalizarse, representándolo como un código digital que consta de una serie de 1s y 0s.
La ventaja de las magnitudes digitales
En las aplicaciones de electrónica, la representación digital presenta ciertas ventajas sobre la representación analógica. La principal ventaja es que los datos digitales pueden ser procesados y transmitidos de forma más fiable y eficiente que los datos analógicos. También, los datos digitales disfrutan de una ventaja importante cuando es necesario su almacenamiento. Por ejemplo, cuando la música se convierte a formato digital puede almacenarse de manera más compacta y reproducirse con mayor precisión y claridad de lo que es posible en formato analógico. El ruido (fluctuaciones de tensión no deseadas) no afecta a los datos digitales tanto como a las señales analógicas.
Sistemas Analógico y Digital-Analógico
Un sistema electrónico analógico
Un sistema de altavoz, que se emplea para amplificar el sonido de modo que pueda ser escuchado por una gran audiencia, es un ejemplo de una aplicación de electrónica digital. El diagrama básico de la Figura 1.3 ilustra cómo estas ondas sonoras, que son analógicas por naturaleza, son captadas por un micrófono y convertidas en una pequeña variación analógica de tensión denominada señal de audio. Esta tensión varía de forma continua a medida que el volumen y la frecuencia del sonido varían, y se aplica a la entrada de un amplificador lineal. La salida del amplificador, que es una reproducción amplificada de la tensión de entrada, se aplica al altavoz. El altavoz convierte de nuevo la señal de audio amplificada en ondas sonoras con un volumen mucho mayor que el sonido original captado por el micrófono.
FIGURA 1.3 Sistema básico de altavoz.
Sistema que utiliza métodos digital y analógico
Un reproductor de CD es un ejemplo de un sistema en que se emplean tanto circuitos digitales como analógicos. El diagrama de bloques simplificado de la Figura 1.4 ilustra el principio básico. La música en formato digital se almacena en el CD. Un sistema óptico de diodos láser lee los datos digitales del disco cuando éste gira y los transfiere al convertidor digital-analógico (DAC, Digital-to-Analog Converter). El DAC transforma los datos digitales en una señal analógica que es una reproducción eléctrica de la música original. Esta señal se amplifica y se envía al altavoz para que podamos disfrutarla. Cuando la música original se grabó en el CD se utilizó el proceso inverso del descrito aquí, y que utilizaba un convertidor analógico-digital (ADC, Analog-to-Digital Converter).
FIGURA 1.4 Esquema básico de bloques de un reproductor de CD. Sólo se muestra un canal.