Introducción

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Electrónica Básica
Introducción
Electrónica Digital
José Ramón Sendra Sendra
Dpto. de Ingeniería Electrónica y Automática
ULPGC
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INTRODUCCIÓN
Estructura típica de un sistema digital
Analog
A/D
TDS
D/A
Analog
Sensor
Actuador
•Nuestro mundo en una aproximación clásica se comporta de forma analógica, es decir,
las señales evolucionan de forma continua.
•El procesado analógico de dichas señales resulta complicado
Solución:
Convertir la señal a digital y procesarla en ese formato
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ANALÓGICO VS DIGITAL
¿Cómo se digitaliza una señal?
Señal analógica
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ANALÓGICO VS DIGITAL
Inicialmente realizamos el muestreo de la señal.
En cada punto recogemos el valor de la señal. Este proceso permite recuperar
la señal sin ninguna deformación.
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ANALÓGICO VS DIGITAL
Discretizamos los valores resultantes del muestreo de la señal
y codificamos el resultado, transformándolo en un código binario
t
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ANALÓGICO VS DIGITAL
Inconvenientes
1. Perdida de calidad
2. Incremento de la frecuencia de la señal
F=f·N
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ANALÓGICO VS DIGITAL
Ventajas del mundo digital
1. Reproducibilidad de resultados.
Mayor inmunidad a factores externos.
Por ejemplo: temperatura, humedad, ruido.
Analógico
Digital
Señal+ruido
Nivel alto
Nivel bajo
Señal+ruido
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ANALÓGICO VS DIGITAL
Ventajas del mundo digital
2. Simplicidad de diseño.
Las tolerancias en los componentes y los efectos parásitos
(resistencias, condensadores , diodos) tienen menor importancia.
R1
R2
VOUT =
V OUT
R 2 + ∆R 2
• (V + ∆VIN )
(R 2 + ∆R 2 ) + (R 1 + ∆R 1 ) IN
Tolerancias
El diseño se realiza de forma lógica.
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ANALÓGICO VS DIGITAL
Ventajas del mundo digital
3. Flexibilidad.
La gama de problemas abordables es mucho mayor .
Ejemplo:
Ordenador
Inclusión de retardos en una señal sin introducir deformación
Ordenación de señales de mayor a menor por tensión pico-pico
Irresolubles en
electrónica
analógica
Permite tratar problemas inicialmente distintos de igual forma
Ejemplo:
Multiplicación de dos registros Problemas idénticos en electrónica
digital
Amplificación de una señal
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ANALÓGICO VS DIGITAL
Ventajas del mundo digital
4. Posibilidad de programación.
Mediante circuitos programables (PLD) se puede diseñar y corregir
una aplicación fácilmente lo cual acelera el proceso de desarrollo de
un producto.
5. Velocidad
6. Precio.
Un producto de tirada masiva alcanza precios muy atractivos
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SISTEMAS BINARIOS
La electrónica digital está basada en la lógica binaria la cual se basa a su vez en el
Álgebra de Boole.
Un Álgebra consta de:
Variables: X, Y, Z, A, B, ...
Valores
0 → 0 Voltios → no hay corriente → falso
1 → 5 Voltios → hay corriente → verdadero
0
Alta Impedancia
Operaciones: Negación (NOT), Y (AND), O (OR)
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SISTEMAS BINARIOS
Ejemplos:
Operaciones
Variables
X
Y
0
0
1
1
0
1
0
1
X AND Y
0
0
0
1 Valores
X
Y
X OR Y
X
NOT X
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
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SISTEMAS BINARIOS
Ejemplo
Si la puerta está abierta
y el coche está en marcha
entonces podemos salir del garaje
Puerta abierta
falso/0
falso/0
cierto/1
cierto/1
Coche en marcha
falso/0
cierto/1
falso/0
cierto/1
Podemos salir
falso/0
falso/0
falso/0
cierto/1
Para salir del garaje se necesita que ocurran dos cosas: que la puerta
está abierta y que el coche esté en marcha
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Distintas representaciones de un diseño digital
Representación algebraica
F = X • (Y + Z )
Y
Tabla de verdad
X
0
0
0
0
1
1
1
1
Y
0
0
1
1
0
0
1
1
Z
0
1
0
1
0
1
0
1
O
F
0
1
1
1
0
0
0
0
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Distintas representaciones de un diseño digital.
Sumador completo. Modelo de puertas lógicas
Inversor
A
Puerta
AND
Puerta
OR
B
Cin
SUM
Cout
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Distintas representaciones de un diseño digital
Sumador sin acarreo. Modelo de diagrama de tiempos
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Distintas representaciones de un diseño digital
Sumador completo. Modelo de bloques
A A Suma
MS
B B Acarr.
A Suma
Suma
MS
B Acarr.
Cout
Cin
Sumador completo realizado como circuito
compuesto de dos sumadores sin acarreo
A
B
Cin
A
Sum
B
SC
Cin Cout
Sum
Cout
Sumador completo con un solo bloque
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Distintas representaciones de un diseño digital
Sumador sin acarreo. Modelo de comportamiento descrito en VHDL
-- ***** modelo de un inversor *****
-- external ports
ENTITY inverter_gate;
PORT (a: IN BIT; z: OUT BIT);
END inverter_gate;
-- internal behavior
ARCHITECTURE behavioral OF inverter_gate IS
BEGIN
z <= NOT a AFTER 10 ns;
END behavioral;
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Distintas implementaciones de un diseño digital
Mediante:
-SSI (Circuitos de bajo nivel de integración) Nivel de puertas
-MSI (Circuitos de medio nivel de integración) Realización
por medio de multiplexores, contadores, etc...
-PLD (Dispositivos Lógico-Programables) Permiten la implantación
de pequeños circuitos de forma rápida, que acelera la preparación
de sistemas para demostraciones iniciales de funcionamiento.
-FPGA (Matriz de puertas programables) Tienen las ventajas de las PLD
con el valor añadido de su mayor versatilidad.
-ASIC (Circuitos integrados de aplicación específica) Diseño completo
de nuestro sistema y realización como circuito integrado lo que
abarata costes para grandes lotes de fabricación.
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ESTADO ACTUAL DEL ARTE
Sistemas de diseño que permiten entrada esquemática.
Los programas de captura de esquemas permiten introducir el esquema
de forma gráfica, siendo por tanto más intuitivo y menos propenso a errores.
Descripciones de comportamiento.
Permiten describir el comportamiento de un circuito de forma genérica,
incluyendo los comportamientos temporales de cada componente.
Simuladores.
Los simuladores lógicos, normalmente incorporados en los sistemas con entrada
esquemática permiten la prueba lógica del sistema para la verificación previa a
la fabricación.
Analizadores y verificadores temporales.
Permiten evitar tediosos cálculos para asegurar que el funcionamiento dinámico
de nuestro diseño es el adecuado.
Circuitos programables.
La existencia de los estos dispositivos (Ej. PLDs) permite la posibilidad de una
simulación in situ ya que los errores detectados permiten ser modificados sin un
coste prohibitivo.