Fundamentos de Electrónica Digital
La electrónica digital es la rama de la electrónica encargada de los sistemas electrónicos en los cuales las señales de información se encuentran codificadas en dos únicos estados, interpretados como «verdadero» o «falso», identificados comúnmente como 1 y 0. En un circuito electrónico, el estado 1 se asocia con un estado verdadero o alimentado (encendido), y el estado 0 con un estado falso o abierto (apagado).
Señales Analógicas y Digitales
Señal Analógica
Una señal analógica es una señal que varía de forma continua a lo largo del tiempo, comúnmente representada como una señal senoidal. Las señales analógicas pueden tomar todos los valores posibles dentro de un intervalo determinado.
Señal Digital
Una señal digital es aquella que presenta una variación discontinua con el tiempo y que solo puede tomar ciertos valores discretos (generalmente dos: 0 y 1). La señal básica en electrónica digital es una onda cuadrada (pulsos), y sus representaciones se realizan en el dominio del tiempo. Sus parámetros clave son:
- Altura de pulso (nivel eléctrico)
- Duración (ancho de pulso)
- Frecuencia de repetición (velocidad de pulsos por segundo)
Diferencia entre Electrónica Analógica y Digital
La principal diferencia radica en la forma en que se transmite la información. En la electrónica analógica, la información se transmite por medio de variaciones continuas de pulsos eléctricos. En contraste, en la electrónica digital, la transmisión de información se realiza en un formato binario (ceros y unos), donde cada bit representa distintas amplitudes o estados lógicos.
Leyes Fundamentales del Álgebra Booleana
El Álgebra Booleana es esencial para el diseño y la comprensión de los circuitos digitales, ya que proporciona las bases matemáticas para manipular expresiones lógicas.
Leyes Conmutativas
Las leyes conmutativas establecen que el orden de las variables en una operación lógica no altera el resultado.
Ley Conmutativa de la Suma (OR)
Para dos variables, se escribe como sigue:
A + B = B + A
Esta ley se aplica a una puerta OR, indicando que es indistinto a qué entrada se asigne cada una de las variables.
Ley Conmutativa de la Multiplicación (AND)
Para dos variables, se escribe como sigue:
A · B = B · A
Esta ley establece que el orden en que se aplica la operación AND a las variables es indiferente.
Leyes Asociativas
Las leyes asociativas indican que la forma en que se agrupan las variables en una operación lógica con más de dos variables no afecta el resultado.
Ley Asociativa de la Suma (OR)
Para tres variables, se escribe como sigue:
A + (B + C) = (A + B) + C
Esta ley establece que cuando se aplica la operación OR a más de dos variables, el resultado es el mismo independientemente de la forma en que se agrupen las variables.
Ley Asociativa de la Multiplicación (AND)
Para tres variables, se escribe del siguiente modo:
A · (B · C) = (A · B) · C
Esta ley establece que cuando se aplica la operación AND a más de dos variables, el resultado es el mismo independientemente de la forma en que se agrupen las variables.
Ley Distributiva
La ley distributiva relaciona las operaciones de suma (OR) y multiplicación (AND).
Para tres variables, se escribe como sigue:
A · (B + C) = (A · B) + (A · C)
Esta ley establece que aplicar la operación OR a dos o más variables y luego aplicar la operación AND al resultado de esa operación y a otra variable aislada, es equivalente a aplicar la operación AND a la variable aislada con cada uno de los sumandos y luego realizar la operación OR con los productos resultantes. La ley distributiva expresa también el proceso de sacar factor común, como por ejemplo, AB + AC = A(B + C).
Sistemas Numéricos y Códigos
Los códigos son conjuntos de bits «0» y «1» del sistema numérico binario, representados como sistemas de codificación que se utilizan para representar instrucciones o funciones específicas precargadas en un sistema, interpretadas por una computadora.
Sistema Numérico Decimal
El sistema decimal está compuesto por 10 números o símbolos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Sistema Numérico Octal
El sistema octal proporciona un método adecuado para expresar códigos y números binarios. Las operaciones comunes con el sistema octal incluyen:
- Escribir los dígitos del sistema de numeración octal.
- Convertir de octal a decimal.
- Convertir de decimal a octal.
- Convertir de octal a binario.
- Convertir de binario a octal.
Sistema Numérico Hexadecimal
El sistema numérico hexadecimal utiliza la base 16. En consecuencia, tiene 16 símbolos posibles para los dígitos (0-9 y A-F).
Componentes Electrónicos Clave
Temporizador 555: Multivibrador Astable
El temporizador 555 es un circuito integrado (CI) compatible con TTL que puede operar en varios modos. Cuando se configura como multivibrador astable, no tiene ningún estado estable y se emplea principalmente como oscilador, es decir, como generador de señales automantenido. Los osciladores de impulsos se emplean como fuentes de señales de temporización en los sistemas digitales.
Amplificadores Operacionales (Op-Amps)
Los amplificadores operacionales (Op-Amps) son dispositivos compactos, activos y lineales de alta ganancia, diseñados para proporcionar una función de transferencia deseada. Están compuestos por un circuito electrónico que tiene dos entradas (inversora y no inversora) y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor de ganancia (G):
Vout = G · (V+ - V-)
Ganancia de Lazo Cerrado
La ganancia de lazo cerrado de un amplificador operacional depende de los elementos empleados en la realimentación (como resistencias R1 y R2) y no de la ganancia básica de tensión del amplificador operacional. Por lo tanto, para modificar la ganancia, se ajustan los valores de estos componentes externos.
Introducción a los Microprocesadores
Un microprocesador es un circuito de alta escala de integración (LSI), compuesto por muchos circuitos más simples como Flip-Flops, contadores, registros, decodificadores, comparadores, unidades lógico-aritméticas (ALU), etc. Todos estos componentes se encuentran en una misma pastilla de silicio, de modo que el microprocesador puede ser considerado un dispositivo lógico de propósito general.
Partes del Microprocesador
Los microprocesadores tienen una arquitectura compleja en la que se pueden diferenciar las siguientes partes:
Encapsulado
Es la cubierta que protege la parte sensible de silicio, otorgándole consistencia e impidiendo su deterioro, además de permitir que los conectores externos se acoplen al zócalo de la placa base (motherboard).
Memoria Caché
Se trata de una memoria de acceso rápido que usa el procesador para acceder directamente a algunos datos, sin la necesidad de que la memoria RAM intervenga. De esta manera, se logra ganar tiempo en el procesamiento de datos.
Coprocesador Matemático
Esta parte se considera una de las unidades lógicas, especializada en cálculos matemáticos complejos.
Registros
Son pequeñas memorias internas disponibles para que el procesador las use cuando sea necesario, solamente en casos especiales para almacenar datos temporales o direcciones.
Memoria Principal (RAM)
Aquí es donde el procesador accede para obtener información y datos de los programas que va a ejecutar. La memoria principal proporciona un alojamiento temporal a los datos mientras se trabaja en los programas. Si la información no se guarda (persiste en almacenamiento secundario), se perderá al apagar el sistema, ya que nada queda guardado permanentemente en esta memoria volátil.
Capacidades Indispensables del Microprocesador
Los microprocesadores deben cumplir con ciertas capacidades fundamentales:
- Leer y escribir información en la memoria de la computadora.
- Reconocer y ejecutar una serie de comandos o instrucciones proporcionadas por los programas.
- Dirigir la operación de la computadora, indicando a otras partes del sistema lo que deben hacer.
Conceptos Fundamentales de Computación
Hardware
Los dispositivos mecánicos y electrónicos que conforman la computadora se llaman hardware. El hardware es cualquier parte física de la computadora que se puede tocar.
Software
El software es un conjunto de instrucciones que hace que la computadora realice tareas. En otras palabras, el software le dice a la computadora lo que debe hacer.
Firewall (Cortafuegos)
Un firewall o cortafuegos es un software o hardware dedicado a filtrar información proveniente de una red o internet, permitiendo o denegando el acceso de acuerdo con la configuración establecida en él. Todo el tráfico que salga o llegue a la red interna de una organización debe pasar por el firewall, con el objetivo de asegurar únicamente el flujo de tráfico autorizado.
Multivibradores y Biestables
Los multivibradores son circuitos electrónicos que generan ondas cuadradas. Se clasifican en tres tipos principales según sus estados estables:
- Biestables (Flip-Flops y Latches): Tienen dos estados estables.
- Monoestables: Tienen un solo estado estable.
- Astables: No tienen ningún estado estable.
Biestables: Flip-Flops y Latches
Los dispositivos biestables se dividen en dos categorías principales: flip-flops y latches. La diferencia básica entre latches y flip-flops es la manera en que cambian de un estado a otro, principalmente por su sensibilidad a la señal de reloj. Los flip-flops son los bloques básicos de construcción de los contadores y registros en sistemas digitales.
¿Qué es un Flip-Flop?
Un flip-flop, también conocido en español como dispositivo biestable, es un circuito de tipo multivibrador secuencial que puede adquirir dos estados de manera indefinida, a menos que se perturbe de alguna manera dicho circuito (por una señal de entrada o de reloj).
Clasificación de los Flip-Flops
Los flip-flops se clasifican según las entradas que poseen y su comportamiento con respecto a una señal de reloj:
- Síncronos: Poseen entradas de control y, además, tienen incluido un sistema de reloj o algún tipo de mecanismo o dispositivo para rotar los estados o temporizarlos. Su estado de salida solo cambia en momentos específicos definidos por la señal de reloj.
- Asíncronos: Este tipo de biestable solo posee entradas de control y su estado de salida puede cambiar en cualquier momento en respuesta a las entradas, sin depender de una señal de reloj.
Flip-Flop RS (SET-RESET) Asíncrono
Este es el flip-flop básico. Su símbolo es el siguiente (se omiten las representaciones gráficas). Un flip-flop RS tiene dos entradas, Set (S) y Reset (R), y dos salidas complementarias, Q y Q’. Su estado se define por las entradas S y R.
Multivibrador Monoestable
El multivibrador monoestable, normalmente denominado monoestable, tiene un único estado estable. Un monoestable genera un único impulso de anchura controlada cuando se activa o dispara. Una vez que se ha disparado, el monoestable permanece en su estado inestable durante un determinado intervalo de tiempo, volviendo a continuación a su estado estable. El tiempo que este dispositivo permanece en el estado inestable determina la anchura del impulso de su salida.
Los dos tipos fundamentales de circuitos integrados monoestables son los redisparables y los no redisparables.
- Monoestable No Redisparable: No responderá a ningún impulso de disparo adicional desde el momento en que se pasa a su estado inestable hasta que retorna a su estado estable. En otras palabras, ignorará cualquier impulso de disparo que ocurra antes de que termine el periodo inestable. El tiempo que permanece el monoestable en su estado inestable es la anchura del impulso de salida.
- Monoestable Redisparable: (Implícito, aunque no definido en el texto original, es el opuesto al no redisparable, permitiendo nuevos disparos durante el periodo inestable.)