Curso Gati 2024: Electrónica Digital Aplicada PDF

CURSO GATI 2024 ELECTRONICA DIGITAL APLICADA 1  Comunicaciones: Ventajas de la digitalización Inmunidad a distorsiones y ruido excepto el introducido por los procesos de conversión A/D y D/A Importantes ventajas económicas Ofrece una arquitectura abierta en...

CURSO GATI 2024 ELECTRONICA DIGITAL APLICADA 1  Comunicaciones: Ventajas de la digitalización Inmunidad a distorsiones y ruido excepto el introducido por los procesos de conversión A/D y D/A Importantes ventajas económicas Ofrece una arquitectura abierta en el sentido de que en una misma transmisión, como estudiaremos se pueden ofrecer múltiples resoluciones temporales, espaciales e incluso de calidad de compresión medida como relación señal a ruido SNR entre la señal comprimida y la original. Integración de diferentes tipos de vídeo o incluso mezcla con otro tipo de datos (aplicaciones, ficheros) en un mismo flujo de bits. Posibilidad de cifrado de la información en aplicaciones de DRM (Digital Rights Management) posibilitando aplicaciones de acceso condicional como el pago por visión (Pay per view). Electrónica Digital Aplicada 2  Ventajas / Limitaciones de los circuitos digitales Pueden utilizarse circuitos integrados de bajo coste con algunos componentes externos La información puede almacenarse por cortos periodos o de manera indefinida Se pueden utilizar datos para hacer cálculos más precisos Los sistemas pueden diseñarse de una manera más fácil utilizando familias lógicas digitales compatibles Los sistemas pueden programarse y mostrar algún grado de “inteligencia” La información alfanumérica puede verse a través de una gran variedad de pantallas electrónicas Los circuitos digitales son menos vulnerables a la interferencia de señales eléctricas no deseadas La mayoría de los eventos en el mundo real son analógicos por naturaleza Procesamiento analógico más sencillo y rápido Electrónica Digital Aplicada 3  Números utilizados en Electrónica Digital Números binarios (base 2), octales (base 8) y hexadecimales (base 16) Conversión decimal a binario: Números enteros versus decimales Electrónica Digital Aplicada 4  Números utilizados en Electrónica Digital Código BCD (Binary-coded-decimal) Electrónica Digital Aplicada 5  Números utilizados en Electrónica Digital Código de Gray Electrónica Digital Aplicada 6  Códigos de detección / corrección de errores Bit de paridad Electrónica Digital Aplicada 7  Códigos alfanuméricos Código ASCII Electrónica Digital Aplicada 8  Compuertas Lógicas La compuerta lógica es el elemento básico en los sistemas digitales. Todas se construyen teóricamente a partir de tres compurtas: AND (A·B=Y), OR (A+B=Y) y NOT o inversor (A’ o ̅) Electrónica Digital Aplicada 9  Ejemplo Compuertas Lógicas En este ejemplo una compuerta AND está conectada a dos interruptores A y B Electrónica Digital Aplicada 10 Implementación Física Electrónica Digital Aplicada 11 Implementación Física Electrónica Digital Aplicada 12 Problemas Electrónica Digital Aplicada 13 Problemas Electrónica Digital Aplicada 14  Simplificación de circuitos lógicos Considera la expresión booleana: + ̅ + = Se necesitarían 6 puertas para su implementación pero si analizamos su tabla de verdad resulta que simplemente se está realizando un OR que se puede implementar con una única puerta Electrónica Digital Aplicada 15  De la tabla de verdad al circuito Diseño “minterm” o suma de productos en contraposición al diseño maxterm donde se consideran las salidas a 0 y generamos un producto de sumas (se usan los 0s de la tabla de verdad en lugar de los 1s). Electrónica Digital Aplicada 16  Mapas de Karnaugh Una de las técnicas más fáciles para simplificar circuitos lógicos 1. Partimos de minterm sin simplificar 2. Mapa de Karnaugh pintando los 1 3. Reagrupar grupos adyacentes de 2, 4 u 8 1’s 4. Cuando una variable y su complemento pertenecen a una agrupación podemos eliminar dicha variables 5. Relacionar las variables restantes por medio de un OR Electrónica Digital Aplicada 17 Mapas de Karnaugh Electrónica Digital Aplicada 18 Mapas de Karnaugh Electrónica Digital Aplicada 19  Mapas de Karnaugh Algunas agrupaciones poco usuales Electrónica Digital Aplicada 20  “No Importan” en Mapas de Karnaugh La tabla de verdad siguiente representa por ejemplo un problema que cuando la cuenta llega a 9 se ha de disparar una alarma Electrónica Digital Aplicada 21  Compuertas Lógicas Las dos familias lógicas principales se llaman TTL y CMOS que ofrecen una amplia variedad de compuertas lógicas. La tárea que realiza una compuerta lógica se llama función lógica y esta puede implementarse mediante hardware (compuertas lógicas) o a través de dispositivos de programación como los microcontroladores. Las características más importantes que tiene una puerta lógica son: Retardo de propagación: Es el retraso de respuesta que presenta una puerta lógica, desde que se aplica una entrada lógica al circuito y éste da la respuesta correspondiente a esa entrada. Este tiempo es conocido como tiempo de propagación. Estos tiempos influyen de forma trascendental en la frecuencia máxima a la que puede operar una determinada puerta lógica. Potencia de disipación: Es la potencia que consume una puerta lógica en estado estacionario. Se mide en mW. En un circuito integrado se realizan muchas puertas en un espacio reducido. Si el consumo de cada puerta es elevado se generará mucho calor en el chip debido al efecto Joule, de forma que si esta calor no es disipado convenientemente se producirá un aumento de temperatura que puede provocar un funcionamiento anómalo de los circuitos. Electrónica Digital Aplicada 22  Compuertas Lógicas Las características más importantes que tiene una puerta lógica son: Fanout: Indica la cantidad de carga que se puede conectar a la salida de una puerta lógica. Es decir, el número máximo de puertas que se pueden conectar a una salida. Fanin: Es el máximo número de entradas que puede tener una puerta lógica. Electrónica Digital Aplicada 23  Compuertas Lógicas Las características más importantes que tiene una puerta lógica son: Inmunidad al ruido: Mide la cantidad máxima de ruido que puede superponerse a la de una señal digital para que la puerta que la recibe no pase de un estado lógico a otro. Es la diferencia entre el nivel de tensión desde la salida de una puerta y el umbral de la puerta de entrada que se accionará. Las señales digitales son mucho más inmunes al ruido que las analógicas. Consumo de energía: Se evalúa calculando la potencia eléctrica consumida por una puerta en dos situaciones: 1. Cuando no se producen cambios en las entradas (potencia estática). 2. Cuando las entradas cambian a una frecuencia determinada (potencia dinámica a esa frecuencia). Cuanto más consume un circuito, mayor es el calor generado por el mismo, de forma que si no es disipado convenientemente, la temperatura puede elevarse por encima del límite tolerado y provocar un funcionamiento incorrecto del circuito. Electrónica Digital Aplicada 24  Familia lógica TTL Es la familia lógica más extendida del mercado y por ello es la que mayor combinación de circuitos lógicos digitales presenta. Su alimentación es de +5V con una tolerancia de ± 5V, un fanout de 10 y buena inmunidad al ruido. Su nombre viene de Lógica Transistor - Transistor (TTL), que es la tecnología con la que está construida. Dentro de esta familia existen diversas subfamilias que presentan distintas características en cuanto a velocidad y consumo, estas son: TTL Standard: Se identifica como SN74xx. El consumo por puerta es de 10mW y funciona hasta frecuencias de 35MHz. El retraso por puerta es de 10nS. TTL de baja potencia: Se identifica como SN74Lxx. Se caracteriza por lo poco que consumen. El consumo por puerta es de 1mW y funciona hasta frecuencias de 3Mhz. El retraso por puerta es de 33nS. Electrónica Digital Aplicada 25  Familia lógica TTL Dentro de esta familia existen diversas subfamilias que presentan distintas características en cuanto a velocidad y consumo, estas son: TTL de alta velocidad: Se identifica como SN74Hxx. Se caracteriza por su velocidad. El consumo por puerta es de 22mW y funciona hasta frecuencias de 50MHz. El retraso por puerta es de 6nS. TTL Schottky: Se identifica como SN74Sxx. Es el más rápido de la familia TTL. El consumo por puerta es de 19mW y funciona hasta frecuencias de 125MHz. El retraso por puerta es de 3nS. TTL Schottky de bajo consumo: Se identifica como SN74LS. Se caracteriza por su combinación de bajo consumo y alta velocidad, que de cómo resultado puertas con las siguientes características: el consumo por puerta es de 2mW, funcionando hasta frecuencias de 35MHz, siendo el retraso por puerta de 10nS. Electrónica Digital Aplicada 26  Familia lógica CMOS Es la segunda familia lógica más vendida en el mercado. Se caracteriza por el bajo consumo de energía que necesita para funcionar, aunque éste depende de la frecuencia de trabajo del circuito en cuestión. Al igual que en la familia anterior hay varias versiones o subfamilias lógicas dentro de esta tecnología, dependiendo de las aplicaciones en las que se vayan a utilizar. Como características básicas hay que señalar que se pueden alimentar con un rango de tensiones entre 3 y 15V, presentando un fanout mucho mayor que el que presenta la familia TTL, en este caso de 50. También presenta una fabulosa inmunidad al ruido, con lo que no presenta ningún inconveniente de uso en ambientes muy ruidosos, como son las fábricas. Las principales desventajas que presenta esta familia son su baja velocidad y un cuidado mayor en la manipulación de estos componentes, ya que se pueden romper de forma muy fácil en presencia de electricidad estática. Electrónica Digital Aplicada 27  Familia lógica CMOS Las subfamilias de la familia lógica CMOS son: CMOS standard: Está formado por la serie de circuitos integrados de la serie 4000. Esta serie tiene un consumo por puerta de 2,5nW y un tiempo de respuesta de 40nS. HCMOS: Es la familia CMOS de alta velocidad, identificándose por la serie 74HCxx. Su alimentación debe ser en entre 2 y 6V, tiene un retardo de 9nS y un consumo por puerta de 2,5nW. HCMOS compatible con la familia TTL. Pertenece a la serie 74HCTxx. Su tensión de alimentación es de 5V, siendo las demás características similares a las de los casos anteriores. Electrónica Digital Aplicada 28 Compuertas Lógicas Frecuencia Tensión Potencia por Retraso de Familia lógica Fanout máxima de Alimentación puerta respuesta Flip-Flop TTL Standard 5V±5% 10 10mW 10nS 35MHz TTL baja 5V±5% 10 1mW 33nS 3MHz potencia TTL alta 5V±5% 10 22mW 6nS 50MHz velocidad TTL Schottky 5V±5% 10 19mW 3nS 125MHz TTL Schottky baja 5V±5% 10 2mW 10nS 35MHz potencia CMOS 3 – 15V 50 2.5nW 40nS 5MHz Standard HCMOS 2–6V 50 2.5nW 9nS 40MHz HCMOS compatible 5v 50 2.5nW 9nS 40MHz TTL Electrónica Digital Aplicada 29