Electrónica Digital

La electrónica digital es un campo fascinante que constituye la columna vertebral de todos los aparatos modernos que utilizamos hoy en día. Desde los teléfonos inteligentes hasta los computadoras, los circuitos electrónicos digitales son los que los hacen funcionar. Esta sección le guiará a través de los fundamentos, los principios y la transformación de la electrónica analógica a la digital, ofreciéndole una visión de cómo la tecnología digital ha revolucionado la vida cotidiana.

¿Qué es la Electrónica Digital?

La electrónica digital es la rama de la electrónica que se ocupa de la representación y manipulación de datos en forma digital. Implica el uso de componentes como transistores, diodos y microcontroladores para procesar y transmitir señales digitales. La electrónica digital se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, como sistemas informáticos, sistemas de comunicación y sistemas de control. Algunos de los conceptos clave de la electrónica digital son el álgebra de Boole, las puertas lógicas, los filtros digitales y los flip-flops en electrónica.

Nota: El álgebra de Boole es un sistema matemático que se utiliza para representar y manipular enunciados lógicos. Debe su nombre a George Boole, que desarrolló el sistema en el siglo XIX. El álgebra de Boole se utiliza en electrónica digital para representar y manipular enunciados lógicos como AND, OR y NOT.

A diferencia de sus homólogos analógicos, que procesan señales continuas, los dispositivos electrónicos digitales interpretan los datos de entrada como valores numéricos distintos, normalmente en forma binaria, que constan de dos estados: 0 y 1. Este enfoque binario simplifica el procesamiento, almacenamiento y transmisión de datos, lo que hace que los dispositivos sean más robustos y menos susceptibles al ruido y las interferencias.

Características de la Electrónica Digital

Las características más importantes de la electrónica digital son las siguientes:

• Los datos se representan en un sistema digital como un vector de variables binarias.
• Los sistemas digitales pueden proporcionar una precisión (rango dinámico) limitada únicamente por el número de bits utilizados para representar una variable.
• Los sistemas digitales son menos propensos a errores que los analógicos.
• La representación de datos en un sistema digital es adecuada para la detección y corrección de errores.
• Los sistemas digitales se diseñan de forma jerárquica utilizando módulos reutilizables.

Elementos Básicos de la Electrónica Digital

Los distintos elementos básicos que desempeñan un papel crucial en la electrónica digital son los siguientes (aquí se presenta una breve introducción de estos elementos, sus detalles se expondrán en los próximos artículos)

Puertas lógicas

La capacidad de decisión de los circuitos de compuerta en electrónica digital se denomina lógica. Y un circuito lógico, que realiza una determinada operación lógica (por ejemplo, AND u OR), se conoce como puerta. Como tales, las puertas lógicas son circuitos electrónicos que toman decisiones lógicas y cuya salida depende de condiciones preestablecidas. La entrada de una puerta lógica es mayor que 1, pero su salida es sólo 1.

Una puerta lógica funciona como un interruptor que puede ponerse en ON o en OFF. El estado ON normalmente denota un 1 lógico, mientras que el estado OFF representa un 0 lógico. Además de sumar, restar, contar, etc., una puerta también puede almacenar información. Algunos ejemplos comunes de puertas son AND, OR, NAND, NOR, Inversor o NOT, XOR y XNOR.

Así pues, una puerta lógica es el elemento básico sobre el que se construye un sistema digital. Hay que recordar que las puertas también se conocen como circuitos lógicos, circuitos digitales o circuitos de conmutación. Hoy en día, las puertas lógicas están disponibles en forma de varias familias de circuitos integrados (por ejemplo, transistor, lógica de transistor o TTL, lógica de emisor acoplado ECL, semiconductor de óxido metálico o MOS y semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS).

Sumadores

Los circuitos lógicos que se utilizan para sumar dos números binarios se denominan sumadores. En otras palabras, un circuito utilizado en los ordenadores digitales, que realiza la operación de suma, se conoce como sumador. Existen dos tipos de sumadores. Un tipo se conoce como medio sumador y el otro se denomina sumador completo. Un dispositivo o circuito digital que realiza la tarea de sumar dos bits se denomina medio sumador. Y el circuito lógico, que puede sumar tres bits simultáneamente, se denomina sumador completo. Una media suma se puede formar mediante una puerta AND de dos entradas y una puerta XOR de dos entradas, mientras que para hacer una suma completa se utilizan dos medias sumas y una puerta OR.

Sustractor

Un circuito lógico que se utiliza para restar dos números binarios se denomina sustractor. En otras palabras, el circuito que se utiliza para restar números binarios se conoce como sustractor. Al igual que un sumador, un sustractor también tiene dos tipos. Medio sustractor y sustractor completo. Sin embargo, algunos de los sumadores son tales que además de realizar operaciones de suma o más, también suelen realizar operaciones de resta o menos. Este tipo de sumadores se denominan sumadores universales. También se conocen como sumadores-sustractores.

Comparador

Un dispositivo que explica o expresa la relación entre dos cantidades binarias tras una comparación mutua entre ambas, se denomina comparador. En palabras simples, un comparador realiza la comparación entre dos cantidades binarias y expone si estas dos cantidades son mutuamente iguales o no. Para ello, se utiliza una puerta OR exclusiva o una puerta XOR.

Flip-Flop

Un circuito electrónico simple que se utiliza como elemento de memoria, se conoce como flip-flop. En otras palabras, un circuito lógico digital que puede almacenar sólo un bit de un número binario se denomina flip-flop. Un flip-flop es un tipo simple de circuito secuencial (un circuito digital, cuyas condiciones lógicas dependen de una secuencia temporal específica, se denomina circuito secuencial). El objetivo principal de este tipo de circuito es la memoria o el almacenamiento. Se utiliza en operaciones de temporización y para organizar diferentes tipos de almacenamiento de recuento de datos en una secuencia adecuada. De hecho, es un multidirector biestable, capaz de almacenar o memorizar un solo bit de información.

Temporizadores y relojes

Se trata de circuitos electrónicos que generan señales digitales en una secuencia determinada y, en función de esas mismas señales, los flip-flops y los circuitos realizan su funcionamiento habitual.

Registros de desplazamiento

Un registro es un grupo de flip-flops, que pueden almacenar información temporalmente. En otras palabras, un dispositivo de memoria que se utiliza para un tipo de almacenamiento temporal se denomina registro. Un registro que transfiere o desplaza un bit de datos durante un trozo de tiempo de un elemento a otro elemento de extremo a extremo en el lado izquierdo o derecho, o desplaza datos con cada pulso de reloj, se denomina registro de desplazamiento. Conviene recordar que todos los registros de desplazamiento funcionan mediante un reloj de entrada o un impulso de desplazamiento. El registro de desplazamiento también se puede definir de la siguiente manera:

Un grupo de flip-flops, que están interconectados de tal manera, que un número binario puede ser desplazado fuera o transferido dentro del grupo, se llama un registro de desplazamiento.

Contadores

Como su nombre indica, el contador es un circuito que realiza principalmente la función de contar. Los contadores son circuitos digitales que se montan interconectando una serie de flip-flops. Los contadores se utilizan para el recuento de estos eventos electrónicos o pulsos, según los cuales los flip-flops siguen cambiando su estado. Los contadores son el corazón de casi todos los sistemas digitales y ordenadores, que además de contar sirven para producir señales de temporización con el fin de controlar el funcionamiento de los sistemas digitales.

Un contador puede contar hasta un máximo de 2ⁿ. Aquí «n» significa el número de flips-flops por ejemplo 2³ = 8 & 2⁴ = 16. Como los contadores tienen la capacidad de almacenar un número binario, son análogos a un registro de almacenamiento. Recuerde que la entrada de un contador es una forma de onda de tipo constante o un pulso de reloj y cada vez que una señal de reloj cambia su estado o condición (que está pasando de bajo a alto), el contador añade 1 en su suma de números.

Memorias

Son circuitos digitales que ayudan a almacenar programas informáticos y datos, ya sea durante un largo o corto periodo de tiempo. Recuerde que, en comparación con un flip-flop, las memorias tienen capacidad para almacenar miles de palabras en su interior. La función de la memoria en una computadora digital puede compararse al funcionamiento de la mente en un cuerpo humano. El objetivo de la memoria es almacenar instrucciones necesarias o información sobre algún tipo de fallo, además de almacenar datos sobre un determinado problema.

Multiplexor

Se denomina multiplexor o selector de datos a un dispositivo digital que selecciona una sola entrada de entre varias y la transmite a la salida. En otras palabras, un circuito que selecciona sólo una línea o canal de entre numerosas líneas de entrada dentro de una secuencia temporal específica se conoce como multiplexor. El multiplexor se parece a un conmutador mecánico giratorio y se utiliza con frecuencia para convertir entradas paralelas en salidas serie. En palabras sencillas, un selector de datos también puede definirse como un circuito que selecciona datos de numerosas entradas dentro de una secuencia temporal explícita y luego los proporciona a la salida. Se conoce también como MUX.

Demultiplexor o Distribuidor

Es un dispositivo que realiza la tarea de distribución de datos. Es exactamente lo contrario de un multiplexor. En otras palabras, un demultiplexor es un circuito electrónico que consta de una entrada y numerosas salidas. Normalmente se utiliza para la conversión de datos serie a modo paralelo.

Codificador

Un dispositivo electrónico que convierte números decimales (o números no binarios) en números binarios se denomina codificador. En otras palabras, un dispositivo que convierte información en forma codificada se denomina codificador.

Decodificador

El descodificador es un tipo de circuito lógico que convierte números binarios (o información codificada) en números decimales. Cabe mencionar que el decodificador es absolutamente inverso a un codificador. Además, un decodificador también puede percibir o sentir la presencia de un determinado número o palabra.

Inversor codificado

Un circuito lógico que convierte un tipo de código binario en otro tipo de código binario se conoce como convertidor de código. Los decodificadores y codificadores también pueden denominarse formas especiales de convertidores de código. Los convertidores de código se utilizan principalmente en sistemas digitales, en los que se utilizan dos o más códigos binarios.

Circuitos electrónicos digitales

Existen muchos tipos de circuitos digitales, entre ellos:

Circuitos combinacionales

Los circuitos combinacionales son circuitos digitales que emiten un valor basado en los valores de entrada actuales. No tienen memoria interna y no retienen ninguna información de una entrada a la siguiente. Algunos ejemplos de circuitos combinacionales son los decodificadores, multiplexores y sumadores.

Circuitos secuenciales

Los circuitos secuenciales son circuitos digitales que emiten un valor basado tanto en los valores de entrada actuales como en los valores de salida anteriores. Tienen memoria interna y pueden almacenar información de una entrada a la siguiente. Algunos ejemplos de circuitos secuenciales son los registros, los contadores y los flip-flops.

Máquinas de estado

Las máquinas de estado son circuitos digitales que emiten un valor basado en el estado actual y los valores de entrada actuales. Tienen memoria interna y pueden almacenar información de una entrada a la siguiente. Las máquinas de estado vienen determinado por los valores de entrada actuales y el estado anterior. Las máquinas de estado se utilizan para implementar sistemas lógicos y de control complejos.

Circuitos síncronos

Los circuitos síncronos son circuitos digitales que funcionan en intervalos de tiempo discretos, utilizando señales de reloj para sincronizar el funcionamiento del circuito. Todos los componentes de un circuito síncrono son activados por la misma señal de reloj, lo que garantiza que todas las operaciones se realicen de forma coordinada y predecible.

Circuitos asíncronos

Los circuitos asíncronos son circuitos digitales que funcionan sin señal de reloj, utilizando señales de otras partes del circuito para controlar el flujo de datos. Los circuitos asíncronos suelen ser más lentos que los síncronos, pero son más flexibles y su diseño puede resultar más sencillo.

Los circuitos digitales pueden implementarse utilizando varios tipos de lógica digital, entre los que se incluyen:

1. Lógica booleana: Esta lógica se basa en los principios del álgebra booleana y utiliza las puertas AND, OR y NOT para realizar operaciones lógicas.
2. Lógica de mapas-K: Esta lógica utiliza mapas de Karnaugh para simplificar las expresiones booleanas y minimizar el número de puertas necesarias para implementar un circuito.
3. Lógica aritmética: Esta lógica realiza operaciones aritméticas como sumas y restas, utilizando circuitos digitales conocidos como sumadores y restadores.
4. Circuitos de memoria: Estos circuitos almacenan y recuperan datos, utilizando componentes como flip-flops y registros.
5. Circuitos de microprocesador: Estos circuitos son las unidades centrales de procesamiento (CPU) de los ordenadores, responsables de ejecutar instrucciones y controlar el funcionamiento de todo el sistema.

Aplicaciones de la Electrónica Digital

La electrónica digital o los circuitos digitales son parte integrante de los dispositivos electrónicos, y he aquí los usos de los circuitos digitales:

1. Informática: La electrónica digital se utiliza en los ordenadores para almacenar, procesar y transmitir datos. Se utilizan en las unidades centrales de procesamiento (CPU) de los ordenadores, así como en otros componentes como la memoria, el almacenamiento y los dispositivos de entrada/salida.
2. Comunicación: La electrónica digital se utiliza en diversos sistemas de comunicación, como teléfonos móviles, sistemas por satélite e Internet. Se utilizan para transmitir y recibir datos, así como para procesar y descodificar señales.
3. Entretenimiento: La electrónica digital se utiliza en diversos dispositivos de entretenimiento, como televisores, consolas de videojuegos y reproductores de música. Sirven para procesar y mostrar imágenes, así como para almacenar y reproducir contenidos de audio y vídeo.
4. Transporte: La electrónica digital se utiliza en los sistemas de transporte, incluidos los vehículos y los sistemas de control del tráfico. Se utilizan para controlar el funcionamiento de motores y otros sistemas, así como para navegar y comunicarse con otros vehículos.
5. Control industrial: La electrónica digital se utiliza en los sistemas de control industrial para automatizar y controlar los procesos de fabricación. Se utilizan para supervisar y controlar el funcionamiento de las máquinas, así como para procesar y transmitir datos.
6. Equipos médicos: La electrónica digital se utiliza en equipos médicos, como máquinas de rayos X y sistemas de monitorización de pacientes. Se utilizan para procesar y mostrar imágenes médicas, así como para controlar y analizar los datos de los pacientes.
7. Milicia: La electrónica digital se utiliza en sistemas militares, como los sistemas de radar y los sistemas de guiado de misiles. Se utilizan para detectar y rastrear objetos, así como para comunicar y controlar operaciones militares.
8. Electrodomésticos: La electrónica digital se utiliza en diversos electrodomésticos, como frigoríficos, lavadoras y termostatos. Se utilizan para controlar el funcionamiento del aparato, así como para supervisar y mostrar datos como la temperatura y el consumo de energía.
9. Vigilancia medioambiental: La electrónica digital se utiliza en sistemas de vigilancia medioambiental para medir y analizar datos sobre la calidad del aire, el agua y otros factores medioambientales. Se utilizan para recoger y transmitir datos, así como para analizar y mostrar los resultados.
10. Seguridad: La electrónica digital se utiliza en sistemas de seguridad, como sistemas de alarma y cámaras de vigilancia. Se utilizan para detectar y controlar actividades, así como para comunicar y responder a amenazas a la seguridad.

Ventajas de la Electrónica Digital

La electrónica digital tiene varias ventajas sobre la analógica:

• Los circuitos electrónicos digitales son relativamente fáciles de diseñar.
• La electrónica digital es más precisa y puede realizar operaciones más complejas que la electrónica analógica.
• Las señales transmitidas no se degradan a largas distancias.
• Las señales digitales pueden almacenarse, procesarse y transmitirse fácilmente, ya que son fáciles de representar con 1s y 0s.
• La electrónica digital es comparativamente más inmune al «error» y al «ruido». Pero en el caso de diseños de alta velocidad, un pequeño ruido puede inducir un error en la señal.
• Se pueden fabricar más circuitos digitales en chips integrados; esto nos ayuda a obtener sistemas complejos en menor tamaño.
• El voltaje en cualquier punto de un circuito digital puede ser alto o bajo; por tanto, hay menos posibilidades de confusión.
• Los circuitos digitales tienen mayor flexibilidad; podemos cambiar la funcionalidad de los circuitos digitales haciendo cambios en el software en lugar de cambiar el circuito real.
• Los circuitos digitales son más fiables, ya que su salida es invariante con respecto al tiempo, mientras que en los circuitos analógicos la salida cambia con el cambio de entorno.
• La tasa de transmisión es mayor, con un ancho de banda más amplio.
• Es mas seguro.
• La electrónica digital es más eficiente energéticamente que la analógica, ya que puede realizar las mismas operaciones utilizando menos energía.

Desventajas de la Electrónica Digital

Sin embargo, la electrónica digital también tiene algunas desventajas:

• La electrónica digital requiere una fuente de electricidad para funcionar, que puede no estar disponible en algunas situaciones.
• Las señales digitales pueden sufrir un fenómeno conocido como error de cuantificación, en el que la señal no está perfectamente representada por un número finito de bits.
• La electrónica digital puede requerir hardware adicional para convertir señales analógicas en digitales y viceversa.
• La electrónica digital puede ser más cara de producir que la analógica, ya que puede requerir procesos de fabricación más complejos.
• La electrónica digital puede tener una latencia mayor que la analógica, ya que puede requerir más tiempo para procesar y transmitir señales.

Importancia del la Electrónica Digital

Hay varios campos de la ingeniería eléctrica dentro del ámbito de la informática y la ingeniería. Esto requiere la necesidad de crear un marco digital. Los ingenieros informáticos tienen una amplia formación en el campo de la electrónica, el diseño de software y la integración de hardware y software en lugar de solo el campo de la electricidad. El alcance de este curso es enorme, ya que incluye el diseño de microcontroladores, microprocesadores, computadoras personales y supercomputadoras.

El campo de la Electrónica Digital utiliza el VLSI (Very Large Scale Integration) que ha reducido el tamaño y el área completa de las placas de circuito. Esto mejora la precisión y el rendimiento del sistema. Para fines de comunicación, los sistemas digitales tienen una ventaja significativa en el cifrado de datos. La transmisión de datos permanece segura y protegida. Estos son los factores dominantes que significan la importancia del flujo de la electrónica digital. También tienen una gran proyección hacia el futuro.

Preguntas Frecuentes