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MANUAL DE ELECTRÓNICA PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA DIGITAL Se denomina electrónica digital a la parte de la electrónica que opera sobre valores de tensión discretos (cero o cinco voltios) y que toma como elemento básico el bit. La diferencia entre analógica y digital es que en una señal analógica que tiene como valor mínimo cero voltios y máximo cinco voltios, para pasar de cero a cinco voltios hay que pasar por valores intermedios de tensión, ya que la señal toma todos los valores comprendidos entre cero y cinco (1, 2, 3, etc.); mientras que en una señal digital sólo existen los valores de cero y cinco voltios, para pasar de cero a cinco voltios se hace directamente sin pasar por valores intermedios de tensión, ya que no existen en esta señal. Por lo tanto, existen únicamente dos posibles valores de tensión que se denominan valores discretos de tensión. Hace aproximadamente cincuenta años las primeras “máquinas” digitales tomaban como elemento fundamental el relé, este podía estar en dos estados, abierto o cerrado. Un bit es la representación de los dos posibles estados en que podía estar un relé. Un bit por sí solo define los dos estados de tensión que se pueden encontrar tratando información de tipo digital, puede valer un ‘1’ lógico, que equivale a un valor de tensión de cinco voltios, o puede valer ‘0’ lógico, que equivale a un valor de tensión de cero voltios. La electrónica analógica, a diferencia de la electrónica digital, puede tener multiples valores de tensión, que varían de manera continua.

Comparación gráfica entre una señal analógica y otra digital

Se crean formas de codificar la información mediante la agrupación de bits que van a generar un sistema de codificación de la información denominado binario. Tomando como elemento de codificación esencial el bit, haciendo grupos de bits, vamos aumentando la complejidad del código. La agrupación de ocho bits se le denomina Byte, y a la agrupación de 1024 Bytes se le denomina Kilobyte o, coloquialmente hablando, “Kas”. Una agrupación de 1024 Kilobytes es denominada Megabyte o, coloquialmente hablando, “Megas”.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA SISTEMAS DE NUMERACIÓN Un Sistema de Numeración es una forma de representar cualquier cantidad numérica, de manera que una misma cantidad se puede escribir de muchas formas distintas, según sea el sistema de numeración utilizado. Así, el sistema utilizado normalmente por el hombre es el sistema Decimal o de “base 10”, mientras que el sistema usado internamente por las máquinas electrónicas actuales es el Binario o de “base 2”.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA SISTEMA BINARIO Es el sistema de base dos, y utiliza dos dígitos distintos, el ‘0’ y el ‘1’, denominados normalmente con el nombre de “bit”. Es el sistema utilizado normalmente en las actuales máquinas electrónicas digitales. La razón de ello es que es muy fácil diseñar sistemas físicos o electrónicos capaces de adoptar dos valores o posiciones distintas (‘0’ y ‘1’). Un número binario está formado por un conjunto de bits. El valor de cada posición del número aumenta de derecha a izquierda según potencias de 2. Las primeras potencias de 2 son las siguientes: POSICION VALOR POSICIONAL POTENCIA

8 7 6 256 128 64 28 27 26

5 32 25

4 16 24

3 8 23

2 4 22

1 2 21

0 1 20

Con un número binario de “n” bits se pueden representar 2n números distintos, desde el 0 hasta el 2n-1. Por ejemplo, el número decimal 13 codificado en binario se consigue mediante sucesivas sumas de potencias de base 2, desde el exponente 0 hasta llegar al exponente más alto necesario, y estas potencias están multiplicadas por el respectivo dígito binario fundamental, el ‘1’ o el ‘0’ (dependiendo de si se necesita que la potencia sea sumada o no para formar el valor del número decimal):

Las cifras en negrita son las que forman el código binario. Número en binario => 1 1 0 1 Por lo tanto, en binario se colocan los dígitos fundamentales (‘0’ y ‘1’) de forma ordenada, siendo el dígito más a la derecha el correspondiente al que multiplica a la potencia de exponente 0, y a este bit se le llama de menor peso. El dígito más a la izquierda es el que multiplica a la potencia de mayor exponente, a este último bit se le llama de mayor peso. En este ejemplo, el bit de menor peso es el ‘1’ de la derecha (1 1 0 1) y el de mayor peso es el ‘1’ de la izquierda (1 1 0 1). Este proceso, se realiza para codificar en binario todos los valores decimales. Cuanto más grande sea el valor decimal, se necesitan potencias más elevadas de base 2 para codificarlo, por lo que el número de bits se incrementa. Por ejemplo, el número decimal 23 se codifica de la siguiente forma:

Número codificado en binario => 1 1 0 1 0 0

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MANUAL DE ELECTRÓNICA La tabla de los dieciseis primeros números binarios es la siguiente: DECIMAL 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

BINARIO 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

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MANUAL DE ELECTRÓNICA SISTEMA HEXADECIMAL Es el sistema de base 16, y que utiliza dieciséis dígitos distintos: del 0 al 9 más las letras mayúsculas A, B, C, D, E y F, que tienen como valores propios 10, 11, 12, 13, 14 y 15 respectivamente. Es utilizado muy frecuentemente por su facilidad de conversión con el binario, lo cual hace que números binarios muy grandes se manejen más cómodamente en hexadecimal. La conversión de hexadecimal a binario consiste en sustituir cada dígito hexadecimal por el grupo de cuatro bits equivalente, según indica la tabla de los dieciséis primeros números: DECIMAL 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

BINARIO 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

La conversión de binario a hexadecimal se realiza agrupando los bits en grupos de cuatro a partir del bit situado más a la derecha (bit de menor peso). Cada uno de esos grupos da lugar a un dígito hexadecimal. Por ejemplo, el número binario 11001000111001010 es el número hexadecimal 191CA. El proceso de conversión es el siguiente: 1 1

1001 9

0001 1

1100 C

1010 A

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MANUAL DE ELECTRÓNICA ALGEBRA DE BOOLE Algebra de Boole es el álgebra matemática que se aplica a los números binarios. Este álgebra tiene tres operaciones básicas entre bits: - Suma lógica (OR): el símbolo de la suma se sustituye por OR a + b => a OR b Equivale a la “o” de las frases disyuntivas: es verdadero si alguna de las proposiciones es verdadera, y falsa si las dos son falsas. Por ejemplo:“María es rubia o alta”.La frase es verdad si María cumple alguna de las características. De forma electrónica, la suma lógica (OR) se representa como dos interruptores en paralelo; siendo equivalente un interruptor abierto a un 0 y un interruptor cerrado a un 1:

Simbología electrónica utilizada para representar una suma lógica (OR)

Por lo tanto, a nivel de bits la suma lógica se interpreta como que el resultado es 1 si alguna entrada es 1. - Producto lógico (AND): el símbolo del producto se sustituye por AND a x b => a AND b

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Equivale a la “y” de las frases copulativas: es verdadero si las dos proposiciones son verdaderas, y falsa si alguna es falsa. Por ejemplo: “María es rubia y alta”. La frase es verdad si María cumple las dos características. De forma electrónica, el producto lógico (AND) se representa como dos interruptores en serie; siendo equivalente, de nuevo, un interruptor abierto a un 0 y un interruptor cerrado a un 1:

Simbología electrónica utilizada para representar el producto lógico (AND).

Por lo tanto, a nivel de bits el producto lógico se interpreta como que el resultado es 1 si las dos entradas son 1. - Complementación (negación): cambia el resultado al valor contrario a NOT Es verdadero si la proposición es falsa, y falsa si es verdadera. A nivel de bits la negación se interpreta como que el resultado es 1 si la entrada es 0 y viceversa.

PUERTAS LOGICAS El avance de la tecnología ha llevado a la realización física de unos elementos denominados “puertas lógicas” que realizan las operaciones binarias del Algebra de Boole (suma lógica, producto lógico y complementación lógica). En este caso las variables binarias son señales eléctricas de tensión de nivel alto (H o ’1’) o tensión de nivel bajo (L o ’0’). Las puertas básicas son las correspondientes a las tres operaciones lógicas: suma, producto y complementación. El funcionamiento de cada tipo de puerta se interpreta mediante las denominadas tablas de verdad. Estas tablas informan de la salida que facilita la puerta, dependiendo de los valores de sus entradas.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA PUERTA OR

Símbolo electrónico de una puerta OR

La salida de esta puerta da como resultado nivel alto (‘1’) si alguna entrada es ‘1’. a 0 0 1 1

b 0 1 0 1

a OR b 0 1 1 1

Tabla de verdad de la puerta lógica OR

PUERTA AND

Símbolo electrónico de una puerta AND

La salida de esta puerta da como resultado ‘1’ si las dos entradas son ‘1’. a 0 0 1 1

b 0 1 0 1

a AND b 0 0 0 1

Tabla de verdad de la puerta lógica AND

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MANUAL DE ELECTRÓNICA PUERTA NOT (INVERSORA)

Símbolo electrónico de una puerta inversora (NOT)

La salida de esta puerta da como resultado el nivel lógico contrario que haya en la entrada. La forma de representar esta salida es con el mismo nombre pero con un guión encima ( a- ) se dice entonces que la variable “a” está negada. a 0 1

a 1 0

Tabla de verdad de la puerta lógica NOT

Mediante combinaciones de estas puertas lógicas básicas se obtienen otras dos puertas de muy amplio uso. Hay que tener en cuenta que, en una puerta lógica, una entrada con un círculo significa que es una entrada invertida (a través de un inversor), e igualmente, una salida con un círculo significa salida a través de un inversor.

PUERTA NOR

Símbolo electrónico de una puerta NOR

Esta puerta equivale a una puerta OR, en cuya salida tiene conectada u n a inversora (puerta NOT). a 0 0 1 1

b 0 1 0 1

puerta

a NOR b 1 0 0 0

Tabla de verdad de la puerta lógica NOR

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MANUAL DE ELECTRÓNICA PUERTA NAND

Símbolo electrónico de una puerta NAND

Esta puerta equivale a una puerta AND con un inversor conectado a su salida. a 0 0 1 1

b 0 1 0 1

a NAND b 1 1 1 0

Tabla de verdad de la puerta lógica NAND

Las puertas más utilizadas son la NOT, NOR y NAND. A su vez, las puertas NOR y NAND pueden funcionar como puertas inversoras conectando sus entradas apropiadamente. Una forma de conseguirlo es cortocircuitando sus entradas a una sola.

Puertas NOT realizadas mediante conexión única en puertas NOR y NAND

Existe una función especial dentro de la suma lógica. Esta función es la suma exclusiva, denominada OR-Exclusiva o XOR. Para realizar esta función hay dos nuevas puertas lógicas.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA PUERTA XOR

Símbolo electrónico de una puerta XOR

La función OR-Exclusiva vale 1 cuando hay un número impar de varia- bles de entrada a 1, y vale 0 cuando dicho número es par. a 0 0 1 1

b 0 1 0 1

a (+) b 0 1 1 0

Tabla de verdad de la puerta lógica XOR

PUERTA XNOR

Símbolo electrónico de una puerta XNOR

La función NOR-Exclusiva es la inversa de la OR-Exclusiva, es decir, puerta pero con una puerta inversora a la salida. a 0 0 1 1

b 0 1 0 1

es la misma

not a (+) b 1 0 0 1

Tabla de verdad de la puerta lógica XNOR

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MANUAL DE ELECTRÓNICA FAMILIAS LÓGICAS Antes del descubrimiento de las válvulas de vacío y del nacimiento de la Electrónica, las funciones lógicas booleanas eran realizadas mediante relés (interruptores mecánicos operados eléctricamente mediante un electroimán). Con la aparición de los diodos se ideó una nueva forma de realizar las puertas lógicas, y surgió una primera tecnología o “familia lógica” cuyo circuito básico era el mostrado en la figura:

Ve1, Ve2: entradas de la puerta lógica. Vs: salida de la puerta lógica. Vcc: tensión de alimentación Circuito interno de una puerta AND realizada con diodos

V1 0 0 1 1

V2 0 1 0 1

VS 0 0 0 1

Tabla de verdad de la puerta lógica AND con diodos

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Este circuito está alimentado por una fuente de tensión denominada Vcc. Los valores de entrada Ve1, Ve2 están conectados a masa si son ‘0’ y con valor de tensión si son ‘1’. La tensión de salida Vs vale ‘0’ si está conectada a masa y ‘1’ si tiene tensión. Por eso, al realizar su tabla de verdad se comprueba que es una puerta AND. Cuando una entrada vale ‘0’ su diodo correspondiente está en directo (equivale eléctricamente a un cortocircuito), mientras que si vale ‘1’ está en inverso (equivale eléctricamente a un circuito abierto). Por eso, cuando alguna entrada esté a ‘0’ (conectada a masa), su correspondiente diodo está en directo y la salida vale también ‘0’; mientras que si las dos entradas son ‘1’, los dos diodos están en inverso y la salida está conectada a la alimentación (Vcc), por lo que vale ‘1’. Esta familia presentaba problemas de todo tipo, debido a que los diodos no eran ideales. Con la invención del transistor aparecieron las primeras familias lógicas comerciales: la DCTL (Lógica de Transistores acoplados directamente) y la RTL (Lógica ResistorTransistor).

A, B: entradas de la puerta lógica. S: salida de la puerta lógica. Circuito interno de una puerta NOR de la familia DCTL

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MANUAL DE ELECTRÓNICA

A, B: entradas de la puerta lógica. S: salida de la puerta lógica. Circuito interno de una puerta NOR de la familia RTL

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

S 1 0 0 0

Tabla de verdad de la puerta lógica NOR (DCTL y RTL)

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Estas familias tuvieron poca difusión, ya que tenían en general malas características en cuanto a velocidad de conmutación (velocidad en conseguir en el terminal de salida el resultado de la operación realizada con los datos de entrada), influencia de ruido externo, disipación de potencia, etc. La primera familia lógica de uso generalizado fue la DTL (Lógica Diodo-Transistor), que luego sería sustituida por la TTL, compatible con ella. La puerta básica es una puerta NAND implementada por el siguiente circuito:

A, B: entradas de la puerta lógica. S: salida de la puerta lógica. Circuito interno de una puerta NAND de la familia DTL

A 0 0 1 1

B 0 1 0 1

S 1 1 1 0

Tabla de verdad de la puerta lógica NAND (DTL)

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Esta familia tenía como ventajas una gran variedad de puertas disponibles, y baja generación de ruido, pero su velocidad de conmutación era relativamente baja, y presentaba poca inmunidad al ruido externo. Apareció después la familia TTL (Lógica Transistor-Transistor) que es la más utilizada actualmente en niveles de integración medios. Presenta como ventajas la compatibilidad de interconexión con DTL, una gran variedad de puertas y circuitos lógicos, buena inmunidad al ruido, menor coste de fabricación que las DTL, menor tiempo de retardo y menor potencia de disipación. Esta familia constituye actualmente la serie de integrados 74XX... o 54XX..., y trabaja normalmente con niveles lógicos de 0 y 5 voltios, al igual que DTL. Un ‘1’ lógico equivale a tensión alta (H) y son 5 voltios, mientras que un ‘0’ lógico equivale a tensión baja (L) y son 0 voltios. La puerta básica en TTL es la NAND. En estas puertas, una entrada dejada al aire (sin conectar) equivale a un ‘1’ lógico. Existen varias subfamilias derivadas de la TTL: -

STTL (TTL Schottky): es la serie 74SXX... Construida a base de transistores Schottky de conmutación rápida, cuya característica fundamental es su gran velocidad de conmutación. HTTL (High-speed TTL): serie 74HXX... Son puertas TTL de alta velocidad. LPTTL (Low-power TTL): serie 74LXX... Puertas TTL de baja disipación térmica. - LSTTL (Low-power Schottky TTL): serie 74LSXX... Son TTL Schottky de baja disipación. Es la familia más moderna y la de mejores características.

Existen algunas familias muy extendidas en la actualidad (tanto o más que TTL), de fácil compatibilidad con TTL y construidas a base de transistores unipolares MOSFET. Son las familias P-MOS (con transistores de canal P), N-MOS (con transistores de canal N) y C-MOS (MOSFET complementarios, canal N y P simultáneamente), esta última familia es la de mayor difusión en niveles de integración media. Presentan como ventajas una disipación de potencia ínfima, una tensión de alimentación variable (de 3 a 18 voltios) y una gran densidad de integración a bajo precio. Sin embargo, su velocidad de conmutación es baja, y no son directamente conectables con TTL por lo general. Estas familias constituyen las series 40XX... y 41XX...

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MANUAL DE ELECTRÓNICA MODULOS COMERCIALES A continuación se muestra una tabla que contiene distintos integrados comerciales de puertas lógicas, clasificados por el tipo de puertas que contienen. Se han suprimido las letras que normalmente aparecen después del número 74 (familia TTL), y que indican la subfamilia y las características técnicas del integrado (consumo, velocidad de conmutación, etc.). Existen integrados que contienen diferentes tipos de puertas lógicas, que realizan funciones específicas; por ejemplo dos puertas AND cuyas salidas se conectan a la entrada de una puerta OR, etc. Normalmente se trata de funciones específicas muy utilizadas en la práctica, de ahí que se fabriquen integrados especiales con estas funciones ENTRADAS

CODIGO DE INTEGRADO

Nº INTEGRADO

NAND 2 3 4 8

7400 7410 7420 7430

4 3 2 1

TTL TTL TTL TTL

NOR 2 3

7402 7427

4 3

TTL TTL

INVERSORES (NOT) 1 7404

6

TTL

OR 2 4

7432 7423

4 2

TTL TTL

AND 2 3 4

7408 7411 7421

4 3 2

TTL TTL TTL

4 4

TTL TTL

OR - EXCLUSIVA (XOR) 2 7486 2 74136

HIBRIDO AND - OR - INVERSOR 2 7451 2 3 7459 2

PUERTAS/ FAMILIA LOGICA

TTL TTL

El esquema de los circuitos internos de estos integrados comerciales son facilitados por las hojas de características (DATA-BOOK) del fabricante.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CIRCUITOS COMBINACIONALES Existen dos tipos generales de circuitos lógicos: combinacionales y secuenciales. Los circuitos combinacionales son aquellos cuyas salidas, en un determinado instante, son función exclusivamente del valor de las entradas en ese instante. Sin embargo, en los circuitos secuenciales las salidas obtenidas en cada instante de tiempo dependen del valor de las entradas y también del valor de esas mismas salidas en el instante anterior (las salidas dependen del tiempo o momento en que sean tomadas). El progreso en las técnicas de integración de circuitos ha permitido la realización en circuito integrado de sistemas combinacionales complejos, que permiten una disminución en el número de elementos y en el tiempo empleado en los diseños, además de aumentar la inmunidad al ruido, al ser menor el número de conexiones externas. De entre estos circuitos avanzados, los más usuales son los decodificadores, codificadores, multiplexores, demultiplexores y comparadores, existiendo diferentes tipos de cada uno de ellos. Estos circuitos pueden trabajar de dos formas: -

Lógica positiva: el terminal está activo cuando está a nivel alto de tensión(‘1’ lógico). Lógica negativa: el terminal está activo cuando está a nivel bajo de tensión (‘0’ lógico).

DECODIFICADORES Un decodificador típico es un circuito que tiene como entrada una información codificada en binario, y tiene tantas salidas como posibles combinaciones binarias distintas de entrada, activándose en cada momento una sola de ellas, la correspondiente a la combinación binaria que se aplique a la entrada. Por tanto, un decodificador con “n” entradas tendrá en general 2n salidas. Por ejemplo, si el decodificador tiene 2 entradas, tiene 4 (22) salidas. La clasificación más utilizada para distinguir a los decodificadores se realiza en base al número de entradas y salidas del circuito.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA DECODIFICADOR “2 A 4” Y “3 A 8” El decodificador “2 a 4”, o decodificador de dos entradas, tiene dos entradas de código y cuatro terminales de salida. Además, suele incorporar una entrada de “inhibición” tal que, cuando está activada, inhibe todas las salidas desactivándolas a valor 0. Su tabla de funcionamiento es la mostrada a continuación: I 0 0 0 0 1

E1 0 0 1 1 X

E0 0 1 0 1 X

S0 1 0 0 0 0

S1 0 1 0 0 0

S2 0 0 1 0 0

S3 0 0 0 1 0

Tabla de verdad de un decodificador 2 a 4

E0, E1: entradas digitales. S0, ..., S3: salidas. I: inhibición.

Decodificador 2 a 4

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MANUAL DE ELECTRÓNICA

Circuito interno de un decodificador 2 a 4

Este tipo de circuitos integrados son realizados con frecuencia a base de puertas NAND, de más fácil y barata integración en TTL. Resultan así circuitos decodificadores que funcionan a su salida con “lógica negativa” (la salida activa es 0, y todas las demás valen 1), y no con la “lógica positiva” normal del ejemplo anterior. Un decodificador 2 a 4 con lógica negativa de salida tiene una tabla de funcionamiento como la siguiente (los 1 lógicos se convierten en 0 y viceversa): I 0 0 0 0 1

E1 0 0 1 1 X

E0 0 1 0 1 X

S0 0 1 1 1 1

S1 1 0 1 1 1

S2 1 1 0 1 1

S3 1 1 1 0 1

Tabla de funcionamiento de un decodificador 2 a 4 con lógica negativa

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Decodificador 2 a 4 con lógica negativa de salida

En todo diagrama de bloques, una salida dibujada con un círculo indica salida con lógica negativa, y sin círculo significa lógica positiva. Existen muchos circuitos con entradas de inhibición. Pero a veces esta entrada es llamada de diferentes maneras: -

Inhibición (I): desactiva el integrado. Disable (D): desactiva el integrado. Enable (Enb): activa el integrado.

En función del nombre dado y del tipo de lógica (positiva o negativa) indicado en el diagrama de bloques, es cómo se sabe la manera en que actúa dicha entrada; es decir, con qué nivel lógico desactiva, ‘0’ o ‘1’.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA DECODIFICADOR 3 A 8 Este decodificador tiene tres entradas de código y ocho salidas decodificadas, además de la entrada de inhibición.

Decodificador 3 a 8

El decodificador 3 a 8 de la figura tiene lógica negada de salida, por lo tanto, el código binario de la entrada activa el terminal de salida correspondiente poniéndolo a nivel bajo (‘0’). Por ejemplo, si la entrada es el código binario 001, el terminal de salida que se activa es el S1, y lo pone a ‘0’, dejando los restantes terminales de salida a ‘1’; es decir, el código de salida es 11111101.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA DECODIFICADOR DECIMAL Este decodificador no se ajusta a la norma típica de entradas y salidas de los decodificadores binarios, ya que posee cuatro líneas de entrada de código y sólamente diez salidas decodificadas. Está pensado para realizar la decodificación del código BCD Natural, es decir, para activar la línea de salida correspondiente a una cifra decimal de entrada (de 0 a 9) codificada en binario con cuatro bits.

Decodificador decimal

En este circuito, todas las salidas quedan inactivas cuando se presenta a la entrada alguna configuración binaria no perteneciente al código BCD Natural (combinaciones prohibidas, del 10 al 15), o bien cuando se activa la entrada de inhibición (I).

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MANUAL DE ELECTRÓNICA DECODIFICADOR HEXADECIMAL Tiene cuatro líneas de entrada y dieciseis de salida, que sirven para decodificar cualquier número de entrada codificado en binario natural de cuatro bits. En este circuito no existen configuraciones prohibidas de entrada, ya que existe una salida para cada una de las dieciseis posibles combinaciones binarias de entrada.

Decodificador hexadecimal

El decodificador hexadecimal es muy utilizado en aplicaciones que requieren el uso de microcontroladores, puesto que la programación de los mismos se realiza, normalmente, en numeración hexadecimal. Este decodificador hexadecimal se puede utilizar para construir decodificadores superiores, tales como el decodificador “5 a 32” o el “6 a 64”. Por ejemplo, un decodificador 5 a 32 utiliza dos decodificadores hexadecimales y un inversor, de manera que el quinto bit maneja un decodificador u otro dependiendo de su valor lógico (‘0’ o ‘1’).

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Decodificador 5 a 32 mediante la conexión de dos

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CONVERSORES DE CODIGO Aparte de su aplicación directa como decodificadores de código, los decodificadores se pueden usar como conversores de código. Un conversor de código es un circuito que tiene por entrada una información binaria codificada en un determinado código, y convierte dicha información a otro código diferente. Los conversores de código sencillos se suelen diseñar mediante un decodificador seguido de un codificador, pero hay excepciones. Una de estas excepciones es el circuito conversor de código BCD Natural a “código de siete segmentos”, código este capaz de hacer lucir correctamente a un display LED de siete segmentos. Este circuito recibe el nombre general de “Decodificador BCD a 7 segmentos”, y se encuentra normalmente integrado en una pastilla, siendo un componente de amplia utilización.

Display de siete segmentos

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Los displays de siete segmentos son elementos visualizadores para cifras numéricas, compuestos por siete segmentos luminosos, bien a base de diodos LED o bien mediante cristales líquidos. Los más utilizados son los basados en diodos LED, ya que son excitados fácilmente mediante tensiones continuas de tipo TTL (5 o 0 voltios). Existen a su vez dos tipos generales de displays tipo LED: “Anodo común” y “Cátodo común”. - Anodo común: los ánodos (terminales P) de los siete diodos LEDs están unidos a un mismo punto eléctrico conectado externamente a tensión positiva (+Vcc).

Conexión de diodos LED en configuración de Anodo Común

Cada cátodo independiente ha de ser excitado con una tensión baja para que el diodo esté en directo y el segmento correspondiente se ilumine. Por tanto se considera que este tipo de displays funcionan con lógica negativa de entrada, ya que se necesita un 0 lógico de entrada para hacer lucir el segmento. - Cátodo común: los siete cátodos (terminales N) están unidos y son conectados a una tensión baja (normalmente masa), para que cada ánodo independiente sea excitado con una tensión positiva que haga entrar en conducción al diodo y así luzca el segmento correspondiente. Funciona, por tanto, con lógica positiva de entrada, ya que necesita un 1 lógico para hacer lucir los diferentes segmentos.

Conexión de diodos LED en configuración de Cátodo Común

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Para ambos tipos de displays es necesario añadir una resistencia limitadora de corriente para cada uno de los segmentos, cuyo valor se obtiene en función de la corriente que se desea que circule por cada diodo LED en conducción (a mayor corriente, mayor luminosidad).

D0, ..., D3: código binario BCD de entrada Conexión entre un decodificador BCD a 7 segmentos y un display

También existen diferentes modalidades de decodificadores BCD a 7 segmentos en función de su comportamiento ante combinaciones binarias de entrada no pertenecientes al BCD Natural (del 10 al 15 en binario). En estos casos el decodificador puede hacer que el display permanezca apagado, o bien que represente los correspondientes caracteres hexadecimales (A, b, C, d, E, F); esto depende del tipo de decodificador utilizado.

Caracteres posibles de un display de siete segmentos

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MANUAL DE ELECTRÓNICA La tabla de verdad de éste último decodificador para displays de cátodo común (lógica positiva de entrada) es la siguiente BCD 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -

HEX 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

D 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

BINARIO C B 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1

A 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

a 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1

CODIGO 7 SEGMENTOS b c d e f 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1

g 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1

Tabla de funcionamiento del conversor a siete segmentos

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MANUAL DE ELECTRÓNICA CODIFICADORES Estos elementos realizan la función inversa de los decodificadores, es decir, poseen en general 2n entradas y “n” salidas de código en las que aparece codificado en binario puro el valor de la entrada que haya sido activada. Si no se activa ninguna entrada, la salida también permanece inactiva (número binario cero). Por ejemplo, un codificador con 8 (23) entradas tiene 3 salidas. Existen dos tipos principales de codificadores, en función de su comportamiento ante varias entradas activas simultáneamente: -

-

Codificadores sin prioridad: en este tipo sólo se puede activar una única entrada cada vez. Si se activan varias simultáneamente aparece en las salidas una mezcla de valores inoperantes de las combinaciones binarias correspondientes a las entradas activas, esta salida no tiene ninguna utilidad ya que es errónea. Codificadores con prioridad: en este tipo de codificadores se pueden activar varias entradas simultáneamente, codificándose a la salida el número binario correspondiente a la entrada de mayor valor decimal, sin tener en cuenta las demás; es decir, tienen prioridad las entradas de mayor valor.

El circuito básico de un codificador “8 a 3” sin prioridad, es el siguiente:

E0, ..., E7: entradas digitales. S0, S1, S2: código binario de salida. Codificador 8 a 3 sin prioridad

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MANUAL DE ELECTRÓNICA La tabla de funcionamiento de un codificador 8 a 3 con prioridad es la siguiente:

I 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

E0 X 1 X X X X X X X 0

E1 X 1 X X X X X X 0 1

E2 X 1 X X X X X 0 1 1

E3 X 1 X X X X 0 1 1 1

E4 X 1 X X X 0 1 1 1 1

E5 X 1 X X 0 1 1 1 1 1

E6 X 1 X 0 1 1 1 1 1 1

E7 X 1 0 1 1 1 1 1 1 1

S2 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

S1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

S0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1

P1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0

P0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1

Tabla de verdad de un codificador 8 a 3 con prioridad

E0, ..., E7: entradas digitales. S0, S1, S2: código binario de salida. P0, P1: controles de prioridad. Codificador 8 a 3 con prioridad.

Este codificador incluye una entrada de inhibición (I) activa con 1 lógico, y añade también un par de salidas especiales (P0 y P1) que funcionan del siguiente modo: -

P0 se activa con ‘0’ si todas las entradas de valor decimal están inactivas. P1 se activa con ‘0’ si existe alguna o varias entradas de valor decimal activas.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA Aprovechando estas dos salidas se construyen codificadores superiores, mediante varios codificadores 8 a 3 con prioridad. Por ejemplo, un circuito codificador 16 a 4 con prioridad es el siguiente:

Codificador 16 a 4 mediante la conexión de dos codificadores 8 a 3

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MANUAL DE ELECTRÓNICA MULTIPLEXORES Un multiplexor es un circuito que tiene 2n entradas de información (canales), una sola salida y un mecanismo de selección que determina cuál de las entradas es la que transfiere su información a la única salida. En resumen, se comporta como un conmutador de entrada múltiple y salida única, pero cuyo control no es mecánico, sino electrónico.

Esquema de la función de un multiplexor mediante conmutadores

Las entradas de información pueden ser señales de tipo digital o bien señales analógicas, distinguiendo así dos grandes grupos de circuitos multiplexores: digitales y analógicos. En ambos tipos el mecanismo de selección consta de otras “n” entradas digitales de control en las que se introduce un número binario puro, el correspondiente a la entrada de información seleccionada. En definitiva, este circuito de selección no es mas que un decodificador de “n” entradas en el que cada salida del decodificador permite o bloquea el paso de una de las entradas de información del multiplexor hacia la salida del multiplexor.

MULTIPLEXORES DIGITALES Los circuitos multiplexores digitales TTL más utilizados en la práctica están clasificados dependiendo del número de entradas de información. Estas entradas de información se denominan canales. Los más utilizados son los de dos canales los de cuatro canales, de ocho y de dieciséis.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA MULTIPLEXOR DE DOS CANALES Este circuito tiene dos entradas de información o canales (E1 y E0), una única salida multiplexada (S) y una sola entrada de control o selección (C). Puede incorporar también una entrada de inhibición (I) para desactivar la salida. La tabla de verdad y diagrama de bloques del circuito completo son los siguientes: E0, E1: entradas. S: salida. I: inhibición. C: selector de canal

Multiplexor de dos canales.

I 1 0 0 0 0

C X 0 0 1 1

E0 X 0 1 X X

E1 X X X 0 1

S 0 0 1 0 1

Tabla de funcionamiento de un multiplexor de dos canales

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Circuito interno de un multiplexor de dos canales

En la práctica se encuentran cuatro de estos multiplexores elementales de dos canales en un solo integrado (74157, 74158, ...), formando un bloque denominado cuádruple multiplexor de dos canales, y cuya utilidad es la de seleccionar hacia la salida uno de entre los dos posibles canales de cuatro bits cada uno.

- E0.1, ..., E0.4: entradas del primer canal de 4 bits. - E1.1, ..., E1.4: entradas del segundo canal de 4 bits. - S1, ..., S4: salida binaria de 4 bits. - I: inhibición. - C: selector de canal. Cuádruple multiplexor de dos canales

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MANUAL DE ELECTRÓNICA MULTIPLEXOR DE CUATRO CANALES Tiene cuatro entradas de información, una única salida, dos entradas de control para selección y una posible entrada de inhibición. El circuito de control actúa como un decodificador 2 a 4. En la práctica se suelen encontrar integrados que contienen dos de estos multiplexores (74153, 4052, ...), normalmente con las entradas de control e inhibición compartidas, lo cual permite multiplexar entre cuatro “buses” de dos bits cada uno. Este bloque se llama doble multiplexor de cuatro canales.

Doble multiplexor de cuatro canales

MULTIPLEXOR DE OCHO CANALES Realiza la misma función que los anteriores, pero con un “bus” de entrada de ocho bits

Multiplexor de ocho canales

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MANUAL DE ELECTRÓNICA MULTIPLEXOR DE DIECISEIS CANALES Es el mismo multiplexor que el de ocho canales, pero que tiene ampliada su entrada a dieciseis canales.

Multiplexor de dieciséis canales

Mediante este multiplexor se obtienen multiplexores superiores. Por ejemplo, un multiplexor de treinta y dos canales se consigue mediante dos multiplexores de dieciséis canales y alguna circuitería adicional.

Multiplexor de 32 canales mediante la conexión de dos multiplexores de 16 canales

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MANUAL DE ELECTRÓNICA MULTIPLEXORES ANALÓGICOS Son circuitos CMOS (no TTL) que permiten seleccionar una de las 2n posibles entradas analógicas de información para hacerla llegar a la única salida analógica. El mecanismo de selección consta de “n” entradas digitales en las que se codifica en binario el número de la entrada analógica seleccionada, y consiste en un decodificador de “n” entradas cuyas salidas abren o cierran un conjunto de 2n “interruptores bidireccionales analógicos” CMOS, uno para cada canal de entrada. Por ejemplo, el esquema interno correspondiente a un multiplexor analógico de cuatro canales es el siguiente:

E0, ..., E3: entradas analógicas. S: salida analógica. C0, C1: selector digital de canal. Esquema interno de un multiplexor analógico de cuatro canales

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MANUAL DE ELECTRÓNICA El interruptor bidireccional es un componente que no existe en la familia TTL, y que se comporta igual que un interruptor que conduce o no según que su entrada de control (C) sea de nivel de tensión alto o bajo, respectivamente (interruptor activo con C = 1).

E: entrada. S: salida. C: control de apertura. Símbolo electrónico de un interruptor bidireccional analógico.

En conducción, este dispositivo presenta baja impedancia con una resistencia comprendida entre 50 y 200 ohmios (se considera un cortocircuito), mientras que en corte presenta alta impedancia con una resistencia que alcanza varios Megaohmios (se considera un circuito abierto). Las tensiones analógicas que puede manejar en sus entradas pueden ser de hasta +7,5 voltios normalmente. Existen multiplexores analógicos de cuatro canales, de ocho y de dieciseis, de igual forma que con los multiplexores digitales.

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MANUAL DE ELECTRÓNICA DEMULTIPLEXORES Realizan la función inversa de un multiplexor, es decir, se comportan como conmutadores de entrada única y salida múltiple, existiendo un mecanismo de control que selecciona la salida hacia la que se envía la información de entrada. Por tanto, un demultiplexor tendrá en general una entrada de información (que puede ser digital o analógica), 2n salidas y “n” entradas de control en las que se introduce el número binario correspondiente a la salida seleccionada. La tabla de verdad y circuito interno correspondiente a un típico demultiplexor digital de cuatro canales son los siguientes: E 0 0 0 0 1 1 1 1

C1 0 0 1 1 0 0 1 1

C0 0 1 0 1 0 1 0 1

S0 0 0 0 0 1 0 0 0

S1 0 0 0 0 0 1 0 0

S2 0 0 0 0 0 0 1 0

S3 0 0 0 0 0 0 0 1

Tabla de funcionamiento de un demultiplexor de cuatro canales

E: entrada digital. S0, ..., S3: salidas. I: inhibición. C0, C1: selectores de canal.

Demultiplexor de cuatro canales

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MANUAL DE ELECTRÓNICA En la práctica este circuito no existe como demultiplexor propiamente dicho, ya que equivale a un decodificador 2 a 4 con lógica positiva de salida y una entrada de inhibición (activa con 0) por la que se introduce la información de entrada.

Decodificador 2 a 4

Es por esta razón por la que no son frecuentes los circuitos integrados demultiplexores digitales como tales, sino que existen circuitos decodificadores-demultiplexores, que son decodificadores con una entrada especial de inhibición por la que se introduce la información a demultiplexar. De este modo, se pueden encontrar demultiplexores digitales de cuatro canales, de ocho y de dieciséis, y mediante estos últimos construir demultiplexores mayores. Los demultiplexores analógicos son normalmente los mismos circuitos multiplexores analógicos explicados anteriormente (suelen presentarse en forma de multiplexores/demultiplexores analógicos). Esto es debido al carácter bidireccional de los interruptores analógicos CMOS.

Esquema interno de un demultiplexor analógico de cuatro canales

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MANUAL DE ELECTRÓNICA COMPARADORES Un comparador de “n” bits es un circuito combinacional que tiene por entradas dos números binarios de “n” bits cada uno (A y B), determinando a su salida si uno es menor, mayor o igual que el otro. Para ello dispone de tres salidas típicas: A B, A = B y A B. En TTL existen comparadores de cuatro y cinco bits, si bien mediante varios de éstos se pueden construir comparadores mayores. Un típico circuito comparador de cuatro bits es el integrado 7485, que se fabrica con tres entradas adicionales de control (C , C=, C ), además de las ocho entradas correspondientes a los dos números binarios A y B de cuatro bits cada uno.

Comparador de cuatro bits.

A0, ..., A3: dato A de 4 bits. B0, ..., B3: dato B de 4 bits.

C , C=, C : señales de control. A B, A=B, A B: salidas resultado de comparación.

Dichas entradas de control actúan sobre las tres salidas del comparador sólo en caso de igualdad (A = B) entre los dos números de entrada, activándose cualquiera de ellas (no necesariamente la de A = B) en función de cuál sea la entrada de control activada (C , C = , C ). La tabla adjunta muestra el funcionamiento de este integrado.

AyB A>B A X X 0 1 0 0 1

C= X X 0 1 0 1 0

C< X X 0 1 1 0 0

A>B 1 0 0 0 0 0 1

A=B 0 0 1 1 0 1 0

A