Circuito Digital
Circuito
Lógico es aquél que maneja la información en forma binaria, o sea con
valores de "1" y "0".
Estos dos niveles lógicos
de voltaje fijos representan:
"1" nivel alto o "High".
"0" nivel bajo o "Low".
Los circuitos cuyos
componentes realizan operaciones análogas a las que indican los operadores
lógicos se llaman "Circuitos Lógicos" o "circuitos
digitales".
Los Circuitos
Lógicos están compuestos por elementos digitales como la compuerta
AND (Y), compuerta OR (O), compuerta NOT (NO) y otras
combinaciones muy complejas de los circuitos antes mencionados.
Tipos de Elementos Digitales
Estas
combinaciones (ya mencionadas) dan lugar a otros tipos de elementos digitales.
Aquí hay un listado de estos.
Compuerta NAND (No Y)
La compuerta
NAND es una puerta lógica digital que implementa la conjunción
lógica negada -se comporta de acuerdo a la tabla de verdad mostrada a la
derecha. Cuando todas sus entradas están en 1 (cero) o en ALTA, su salida está
en 0 o en BAJA, mientras que cuando una sola de sus entradas o ambas están en 0
o en BAJA, su SALIDA va a estar en 1 o en ALTA.
Se
puede ver claramente que la salida X solamente es "0" (0 lógico,
nivel bajo) cuando la entrada A como la entrada B están en "1". En
otras palabras la salida X es igual a 0 cuando la entrada A y la entrada B son
1.
Esta
situación se representa en Álgebra booleana como: X = (-A) +
(-B)
La
representación circuital es con pulsadores normales cerrados, conectados en
paralelo.
Una
proposición lógica que corresponde a una compuerta NAND es la siguiente:
"El perro no ladra y no mueve la cola".
Compuerta NOR (No O)
La compuerta
NOR es una puerta lógica digital que implementa la disyunción
lógica negada -se comporta de acuerdo a la tabla de verdad mostrada a la
derecha. Cuando todas sus entradas están en 0 (cero) o en BAJA, su salida está
en 1 o en ALTA, mientras que cuando una sola de sus entradas o ambas están en 1
o en ALTA, su SALIDA va a estar en 0 o en BAJA.
Se
puede ver claramente que la salida X solamente es "1" (1 lógico,
nivel alto) cuando la entrada A como la entrada B están en "0". En
otras palabras la salida X es igual a 1 cuando la entrada A y la entrada B son
0
Esta
situación se representa en Álgebra booleana como: X = (-A) *
(-B)
La
representación circuital es con pulsadores normales cerrados, conectados en
serie.
Una
proposición lógica que corresponde a una compuerta NOR es la siguiente:
"El perro no ladra o no mueve la cola".
Compuerta NOR exclusiva (No O exclusiva)
La compuerta
EXNOR o XNOR es una puerta lógica digital que se comporta de
acuerdo a la tabla de verdad mostrada a la derecha. Cuando todas sus entradas
son iguales entre sí para dos entradas A y B, o cuando el número de 1 (unos) da
una cantidad par para el caso de tres o más entradas, su salida está en 1 o en
ALTA.
Se
puede ver claramente que la salida X solamente es "1" (1 lógico,
nivel alto) cuando la entrada A es igual a la B.
Esta
situación se representa en Álgebra booleana como: X = (-A) *
(-B) + A * B
La
representación circuital es con pulsadores normales cerrados y abiertos,
conectados en un circuito combinado.
En
lógica, corresponde a la bicondicional "si y sólo si". Por ejemplo:
"Matías va a aprobar Tecnología de las Computadoras si y sólo si estudia
mucho".
Compuerta OR exclusiva (O exclusiva)
La compuerta
XOR o EXOR es una puerta lógica digital que se comporta de
acuerdo a la tabla de verdad mostrada a la derecha. Cuando todas sus entradas
son distintas entre sí para dos entradas A y B, o cuando el número de 1 (unos) da
una cantidad impar para el caso de tres o más entradas, su salida está en 1 o
en ALTA.
Se
puede ver claramente que la salida X solamente es "1" (1 lógico,
nivel alto) cuando la entrada A es distinta a la B.
Esta
situación se representa en Álgebra booleana como: X = (-A) * B +
A * (-B)
La
representación circuital es con pulsadores normales cerrados y abiertos,
conectados en un circuito combinado.
Compuerta NOT (No)
La compuerta
NOT es una puerta lógica digital que implementa la negación
lógica -se comporta de acuerdo a la tabla de verdad mostrada a la derecha.
Cuando su entrada está en 0 (cero) o en BAJA, su salida está en 1 o en ALTA,
mientras que cuando su entrada está en 1 o en ALTA, su SALIDA va a estar en 0 o
en BAJA.
Se
puede ver claramente que la salida X solamente es "1" (1 lógico,
nivel alto) cuando la entrada A está en "0" o en BAJA, mientras que
la salida X solamente es "0" (0 lógico, nivel bajo) cuando la entrada
A está en "1" o en ALTA.
Esta
situación se representa en Álgebra booleana como: X = (-A)
La
representación circuital es con un solo pulsador normal cerrado, conectado en
circuito simple.
Una
proposición lógica que corresponde a una compuerta NOT es la siguiente:
"El perro no ladra".
Compuerta SÍ (Buffer)
La
puerta lógica SÍ, realiza la función booleana igualdad. En la práctica se
suele utilizar como amplificador de corriente o como seguidor de tensión, para
adaptar impedancias (buffer en inglés).
La ecuación característica
que describe el comportamiento de la puerta SÍ es:
Compuerta OR (O)
La compuerta
OR es una puerta lógica digital que implementa la disyunción
lógica -se comporta de acuerdo a la tabla de verdad mostrada a la derecha.
Cuando todas sus entradas están en 0 (cero) o en BAJA, su salida está en 0 o en
BAJA, mientras que cuando una sola de sus entradas está en 1 o en ALTA, su
SALIDA va a estar en 1 o en ALTA.
Se
puede ver claramente que la salida X solamente es "0" (0 lógico,
nivel bajo) cuando la entrada A como la entrada B están en "0". En
otras palabras la salida X es igual a 0 cuando la entrada A y la entrada B son
0
Esta
situación se representa en Álgebra booleana como: X = A+B
La
representación circuital es con pulsadores normales abiertos, conectados en
paralelo.
Una
proposición lógica que corresponde a una compuerta OR es la siguiente: "El
perro ladra o mueve la cola". Ésta corresponde a una unión lógica o suma lógica.
Compuerta AND (Y)
La compuerta
AND es una puerta lógica digital que implementa la conjunción
lógica -se comporta de acuerdo a la tabla de verdad mostrada a la derecha. Ésta
entregará una salida ALTA (1), dependiendo de los valores de las entradas,
siendo este caso, al recibir solo valores altos en la compuerta AND. Si
alguna de estas entradas no son ALTAS, entonces se mostrará un valor de salida
BAJA. En otro sentido, la función de la compuerta AND efectivamente encuentra
el mínimo entre dos dígitos binarios, así como la función OR encuentra al
máximo.
Se
puede ver claramente que la salida X solamente es "1" (1 lógico,
nivel alto) cuando la entrada A como la entrada B están en "1". En
otras palabras la salida X es igual a 1 cuando la entrada A y la entrada B son
1
Esta
situación se representa en Álgebra booleana como: X = A*B o X =
AB.
Multiplexores o multiplexadores
Los multiplexores son circuitos
combinacionales con varias entradas y una única salida de datos,
están dotados de entradas de control capaces de seleccionar una, y sólo una, de
las entradas de datos para permitir su transmisión desde la entrada
seleccionada hacia dicha salida.
En
el campo de la electrónica el multiplexor se utiliza como dispositivo
que puede recibir varias entradas y transmitirlas por un medio de
transmisión compartido. Para ello lo que hace es dividir el medio de
transmisión en múltiples canales, para que varios nodos puedan comunicarse
al mismo tiempo.
Una
señal que está multiplexada debe demultiplexarse en el otro extremo.
Según
la forma en que se realice esta división del medio de transmisión, existen
varias clases de multiplexación:
- Multiplexación por división de frecuencia
- Multiplexación por división de tiempo
- Multiplexación por división de código
- Multiplexación por división de longitud de onda
Demultiplexores o demultiplexadores
En electrónica
digital, un demultiplexor es un circuito combinacional que
tiene una entrada de información de datos d y n entradas de
control que sirven para seleccionar una de las 2n salidas, por la que ha
de salir el dato que presente en la entrada. Esto se consigue aplicando a las
entradas de control la combinación binaria correspondiente a la
salida que se desea seleccionar. Por ejemplo, si queremos que la información que
tenemos en la entrada d, salga por la salida S4, en la entrada de
control se ha de poner, de acuerdo con el peso de la misma, el valor 100,
que es el 4 en binario.
El
demultiplexor, es un circuito combinacional que aunque la función básica es la
que hemos explicado, puede utilizarse en muchos casos
como decodificador y adopta cualquiera de las funciones que un
decodificador realiza.
Decodificadores
Un decodificador o
descodificador es un circuito combinacional, cuya función es inversa a la
del codificador, esto es, convierte un código binario de entrada
(natural, BCD, etc.) de N bits de entrada y M líneas de salida (N puede
ser cualquier entero y M es un entero menor o igual a 2N), tales que cada línea
de salida será activada para una sola de las combinaciones posibles de entrada.
Estos circuitos, normalmente, se suelen encontrar como decodificador
/ demultiplexor. Esto es debido a que un demultiplexor puede comportarse
como un decodificador.
Codificadores
Un codificador es
un circuito combinacional con 2N entradas y N salidas, cuya
misión es presentar en la salida el código binario correspondiente a
la entrada activada.
Existen
dos tipos fundamentales de codificadores: codificadores sin prioridad y
codificadores con prioridad. En el caso de codificadores sin prioridad, puede
darse el caso de salidas cuya entrada no pueda ser conocida: por ejemplo, la
salida 0 podría indicar que no hay ninguna entrada activada o que se ha
activado la entrada número 0.
Además,
ciertas entradas pueden hacer que en la salida se presente la suma lógica de
dichas entradas, ocasionando mayor confusión. Por ello, este tipo de
codificadores es usado únicamente cuando el rango de datos de entrada está
correctamente acotado y su funcionamiento garantizado.
Visualizador de siete segmentos
El visualizador
de siete segmentos (llamado también display) es una forma de
representar números en equipos electrónicos. Está compuesto de siete
segmentos que se pueden encender o apagar individualmente. Cada segmento tiene
la forma de una pequeña línea. Se podría comparar a escribir números
con cerillas o fósforos de madera.
Funcionamiento
El display
de 7 segmentos o visualizador de 7 segmentos es un componente que se
utiliza para la representación de números en muchos dispositivos electrónicos
debido en gran medida a su simplicidad. Aunque externamente su forma difiere
considerablemente de un diodo LED (diodos emisores de luz) típico, internamente
están constituidos por una serie de diodos LED con unas determinadas conexiones
internas, estratégicamente ubicados de tal forma que forme un número 8.
A cada uno de los segmentos que forman el display se les denomina a, b, c, d, e, f y g y están ensamblados de forma que se permita activar cada segmento por separado consiguiendo formar cualquier dígito numérico. A continuación se muestran algunos ejemplos:
- Si se activan o encienden todos los segmentos se forma el número "8".
- Si se activan sólo los segmentos: "a, b, c, d, e, f," se forma el número "0".
- Si se activan sólo los segmentos: "a, b, g, e, d," se forma el número "2".
- Si se activan sólo los segmentos: "b, c, f, g," se forma el número "4".
Muchas veces aparece un octavo
segmento denominado p.d. (punto decimal).
Los diodos Led trabajan a baja tensión y con pequeña potencia, por tanto, podrán excitarse directamente con puertas lógicas. Normalmente se utiliza un codificador (en nuestro caso decimal/BCD) que activando un solo pins de la entrada del codificador, activa las salidas correspondientes mostrando el número deseado. Recordar también que existen display alfanuméricos de 16 segmentos e incluso de una matriz de 7*5 (35 bits).
Los hay de dos tipos: ánodo común y cátodo común.
En los de tipo de ánodo común, todos los ánodos de los leds o segmentos están unidos internamente a una patilla común que debe ser conectada a potencial positivo (nivel “
En los de tipo de cátodo común, todos los cátodos de los leds o segmentos están unidos internamente a una patilla común que debe ser conectada a potencial negativo (nivel “
Los segmentos pueden ser de diversos colores, aunque el display más comúnmente utilizado es el de color rojo, por su facilidad de visualización.
También existen displays alfanuméricos de 14 segmentos que permiten representar tanto letras como números. El display de 14 segmentos tuvo éxito reducido y sólo existe de forma marginal debido a la competencia de la matriz de 5x7 puntos.
Si bien hoy este tipo de displays
parecen antiguos u obsoletos. Ya en la actualidad es muy común el uso de
vistosos displays gráficos, incluso con posibilidad de colores a un bajo costo.
Sin embargo el display de 7 segmentos sigue siendo una excelente opción en ciertas
situaciones en las que se requiera mayor poder lumínico y trabajo en áreas
hostiles, donde los displays podrían verse afectado por condiciones ambientales
adversas. Aún no se ha creado otro dispositivo de señalización que reúna
características como este en cuanto a: Buen poder lumínico, claridad, sencilla
implementación, bajo costo y robustez.
Memorias
Un latch (lat
memori inglet) es un circuito electrónico usado para almacenar
información en sistemas lógicos asíncronos. Un latch puede almacenar un bit de
información. Los latches se pueden agrupar, algunos de estos grupos tienen
nombres especiales, como por ejemplo el 'latch quad ' (que puede almacenar
cuatro bits) y el 'latch octal' (ocho bits). Los latches son dispositivos Flip-flops asíncronos que
no tienen entrada de reloj y cambian el estado de salida solo en respuesta a
datos de entrada, mientras que los Flip-flops síncronos, cuando tienen
datos de entrada, cambian el estado de salida en respuesta a una entrada de
reloj.
Los
latches a diferencia de los conectores no necesitan una señal de reloj para su
funcionamiento
El
latch lógico más simple es el RS, donde R y S permanecen en estado 'reset' y
'set'. El latch es construido mediante la interconexión retroalimentada
de puertas lógicas NOR (negativo OR), o bien de puertas
lógicas NAND (aunque en este caso la tabla de verdad tiene salida en
lógica negativa para evitar la incongruencia de los datos). El bit almacenado
está presente en la salida marcada como Q.
Se
pueden dar las siguientes combinaciones de entrada: set a 1 y reset a 0 (estado
'set'), en cuyo caso la salida Q pasa a valer 1; set a 0 y reset a 0 (estado
'hold'), que mantiene la salida que tuviera anteriormente el sistema; set a 0 y
reset a 1 (estado 'reset'), en cuyo caso la salida Q pasa a valer 0; y
finalmente set a 1 y reset a 1, que es un estado indeseado en los Flip-flops de tipo RS, pues provoca oscilaciones
que hacen imposible determinar el estado de salida Q.
Esta
situación indeseada se soluciona con los Flip-flops tipo JK, donde se
añade un nivel más de retroalimentación al circuito, logrando que dicha entrada
haga conmutar a las salidas, denominándose estado de 'toggle'.
Flip-flops
Un biestable (flip-flop en
inglés), es un multivibrador capaz de permanecer en uno de dos estados
posibles durante un tiempo indefinido en ausencia de perturbaciones. Esta
característica es ampliamente utilizada en electrónica digital para
memorizar información. El paso de un estado a otro se realiza variando sus
entradas. Dependiendo del tipo de dichas entradas los Flip-flops se dividen en:
Asíncronos:
sólo tienen entradas de control. El más empleado es el Flip-flops RS.
Síncronos:
además de las entradas de control posee una entrada de sincronismo o de reloj.
Si las entradas de control dependen de la de sincronismo se denominan síncronas
y en caso contrario asíncronas. Por lo general, las entradas de control
asíncronas prevalecen sobre las síncronas.
La
entrada de sincronismo puede ser activada por nivel (alto o bajo) o
por flanco (de subida o de bajada). Dentro de los Flip-flops
síncronos activados por nivel están los tipos RS y D, y dentro
de los activos por flancos los tipos JK, T y D.
Los Flip-flops se crearon para
eliminar las deficiencias de los latches.
Micro-Procesadores
El
microprocesador o simplemente procesador, es el circuito
integrado central y más complejo de una computadora u ordenador; a modo de
ilustración, se le suele asociar por analogía como el "cerebro" de
una computadora. El procesador es un circuito integrado constituido por
millones de componentes electrónicos integrados. Constituye la unidad
central de procesamiento (CPU) de un PC catalogado como
microcomputador. Desde el punto de vista funcional es, básicamente, el
encargado de realizar toda operación aritmético-lógica, de control y de
comunicación con el resto de los componentes integrados que conforman un PC,
siguiendo el modelo base de Von Neumann. También es el principal encargado
de ejecutar los programas, sean de usuario o de sistema; sólo ejecuta instrucciones
programadas a muy bajo nivel, realizando operaciones elementales, básicamente,
las aritméticas y lógicas, tales como sumar, restar, multiplicar, dividir, las
lógicas binarias y accesos a memoria.
El
microprocesador es producto de la evolución de distintas tecnologías
predecesoras, surgido de la computación y la tecnología semiconductora; en los
inicios no existían los procesadores tal como los conocemos hoy. El inicio de
su desarrollo data de mitad de la década de 1950; estas tecnologías se fusionaron
a principios de los años 70, produciendo el primer microprocesador. Tales
tecnologías iniciaron su desarrollo a partir de la segunda guerra mundial; en
este tiempo los científicos desarrollaron computadoras específicas para
aplicaciones militares. En la posguerra, a mediados de la década de 1940, la
computación digital emprendió un fuerte desarrollo también para propósitos
científicos y civiles.
Esta
unidad central de procesamiento está constituida, esencialmente, por registros,
una unidad de control y una unidad aritmética lógica (ALU)
y una unidad de cálculo en coma flotante (conocida antiguamente como
«co-procesador matemático»).
El
microprocesador está conectado, generalmente, mediante
un zócalo específico a la placa base. Normalmente para su
correcto y estable funcionamiento, se le adosa un sistema de
refrigeración, que consta de un disipador de calor fabricado en algún
material de alta conductividad térmica, como cobre o aluminio, y
de uno o más ventiladores que fuerzan la expulsión del calor
absorbido por el disipador; entre éste último y la cápsula del microprocesador
suele colocarse pasta térmica para mejorar la conductividad térmica.
Existen otros métodos más eficaces, como la refrigeración líquida o
el uso de células peltier para refrigeración extrema, aunque estas
técnicas se utilizan casi exclusivamente para aplicaciones especiales, tales
como en las prácticas de overclocking.
Micro-Controladores
Un microcontrolador (abreviado
μC, UC o MCU) es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar
las órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques
funcionales, los cuales cumplen una tarea específica. Un microcontrolador
incluye en su interior las tres unidades funcionales principales de
una computadora: unidad central de
procesamiento, memoria y periféricos de entrada y salida.
Al
ser fabricados, la EEPROM del microcontrolador no posee datos. Para
que pueda controlar algún proceso es necesario generar o crear y luego grabar
en la EEPROM
del microcontrolador algún programa, el cual puede ser escrito en lenguaje
ensamblador u otro lenguaje para microcontroladores; sin embargo, para que
el programa pueda ser grabado en la
EEPROM del microcontrolador, debe ser codificado
en sistema numérico hexadecimal que es finalmente el sistema que hace
trabajar al microcontrolador cuando éste es alimentado con
el voltaje adecuado y asociado a
dispositivos analógicos y discretos para su funcionamiento
El Relé:
El
relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un
interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y
un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten
abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph
Henry en 1835. Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de
salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio
sentido, como un amplificador eléctrico. Como tal se emplearon
en telegrafía, haciendo la función de repetidores que generaban una nueva
señal con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil
recibida por la línea. Se les llamaba "relevadores" [cita requerida].
De ahí "relé". Joseph Henry (Albany, 17 de diciembre de 1797 -
Washington, 13 de mayo de 1878) fue un físico estadounidense conocido por su
trabajo acerca del electromagnetismo, en electroimanes y relés. Descubrió
la inducción electromagnética aunque luego averiguó que Faraday se
le había adelantado.
El Circuito integrado:
Un
circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una
pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros
cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente
mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado
de plástico o cerámica. El encapsulado posee conductores metálicos apropiados
para hacer conexión entre la pastilla y un circuito impreso. En abril de 1949,
el ingeniero alemán Werner Jacobi1 (Siemens AG) completa la primera solicitud
de patente para circuitos integrados con dispositivos amplificadores de semiconductores.
Jacobi realizó una típica aplicación industrial para su patente, la cual no fue
registrada. Más tarde, la integración de circuitos fue conceptualizada por el
científico de radares Geoffrey W.A. Dummer (1909-2002), que estaba trabajando
para la Royal Radar
Establishment del Ministerio de Defensa Británico, a finales de la década de
1940 y principios de la década de 1950. El primer circuito integrado fue
desarrollado en 1959 por el ingeniero Jack Kilby1 (1923-2005) pocos meses
después de haber sido contratado por la firma Texas Instruments. Se
trataba de un dispositivo de germanio que integraba seis transistores en
una misma base semiconductora para formar un oscilador de rotación de
fase.
El Controlador lógico programable:
Los
controladores lógicos programables o PLC (Programmable Logic Controller en
sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos muy usados
en automatización industrial. Su historia se remonta a finales de la década de
1960, cuando la industria buscó en las nuevas tecnologías electrónicas una
solución más eficiente para reemplazar los sistemas de
control basados en circuitos eléctricos con relés, interruptores
y otros componentes comúnmente utilizados para el control de los sistemas
de lógica combinacional. Hoy en día, los PLC's no sólo controlan la lógica
de funcionamiento de máquinas, plantas y procesos industriales, sino que
también pueden realizar operaciones aritméticas, manejar señales analógicas
para realizar estrategias de control, tales como controladores PID
(Proporcional Integral y Derivativo). Su estructura básica son dos o más planos
de puertas lógicas, normalmente AND y OR, que el programador
debe conectar de forma adecuada para que hagan la función lógica requerida.
Suelen programarse con lenguaje en escalera ó también con bloques de funciones.
Para aplicaciones de mayor capacidad son sustituidos por FPGAs.
La computadora:
La computadora u ordenador,
no es un invento de alguien en particular, sino el resultado evolutivo de ideas
y realizaciones de muchas personas relacionadas con áreas tales como
la electrónica, la mecánica, los materiales semiconductores, la lógica,
el álgebra y la programación. El hardware ha sido un
componente importante del proceso de cálculo y almacenamiento de datos desde
que se volvió útil para que los valores numéricos fueran procesados y
compartidos. El hardware de computador más primitivo fue probablemente el
palillo de cuenta; después grabado permitía recordar cierta cantidad de
elementos, probablemente ganado o granos, en contenedores. Algo similar se
puede encontrar cerca de las excavaciones de Minoan. Estos elementos parecen
haber sido usadas por los comerciantes, contadores y los oficiales del gobierno
de la época.
La
energía eléctrica se genera en las Centrales Eléctricas. Una central
eléctrica es una instalación que utiliza una fuente de energía primaria
para hacer girar una turbina que, a su vez, hace girar un alternador,
generando así electricidad.
El
hecho de que la electricidad, a nivel industrial, no pueda ser almacenada y
deba consumirse en el momento en que se produce, obliga a disponer de
capacidades de producción con potencias elevadas para hacer frente a las puntas
de consumo con flexibilidad de funcionamiento para adaptarse a la demanda.
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