Fundamentos de Electrónica Digital y Sistemas Lógicos
1. Conceptos de Sistemas Analógicos y Digitales
Analógico: Es aquel sistema que toma valores continuos.
Digital: Es aquel que toma un conjunto de valores discretos.
Se diferencian en que los datos digitales pueden ser procesados y transmitidos de forma más fiable y eficiente; esta es la principal ventaja que tiene la representación digital sobre la analógica.
2. Ejemplos de Sistemas
- Analógico: Un altavoz.
- Combinación digital y analógica: Un reproductor de CD.
- Digital: Una computadora.
3. Definición de Binario
El sistema de numeración de dos estados se denomina binario.
4. El Bit en el Sistema Binario
Cada uno de los dos dígitos del sistema binario, 1 y 0, se denomina bit. Por lo general, el 1 se representa mediante el nivel de tensión más elevado, denominado nivel ALTO, y el 0 se representa mediante el nivel de tensión más bajo, denominado nivel BAJO.
5. Medición de Tiempos de Impulso
El tiempo de subida se mide como el tiempo que tarda en pasar del 10% al 90% de la amplitud del impulso. El tiempo de bajada se mide como el tiempo que tarda en pasar del 90% al 10% de la amplitud del impulso.
6. Cálculo de la Frecuencia
La frecuencia (f) de un tren de pulsos digital es el inverso del periodo (T), expresado mediante la fórmula: f = 1/T.
7. Señal de Reloj
Es una señal periódica en la que cada intervalo entre impulsos (el periodo) es igual a la duración de un bit.
8. Propósito del Cronograma
Al examinar un diagrama de tiempos o cronograma, es posible determinar los estados (ALTO o BAJO) de todas las formas de onda en cualquier punto de tiempo específico y el instante exacto en el que una forma de onda cambia de estado respecto a las restantes.
9. Transmisión en Paralelo vs. Serie
La principal ventaja de la transmisión en paralelo frente a la transmisión en serie es que permite enviar varios bits simultáneamente por líneas separadas, por lo que se necesita menos tiempo para transmitir un grupo de datos.
10. Operación NOT
La operación NOT produce una salida a nivel ALTO cuando la entrada está a nivel BAJO.
11. Operación OR
La operación OR genera un nivel ALTO cuando una o más entradas están a nivel ALTO.
12. Operación AND
La operación AND genera un nivel ALTO solo cuando todas las entradas están a nivel ALTO.
13. El Inversor
La operación NOT se implementa mediante un circuito lógico conocido como inversor.
14. Puerta Lógica
Se denomina puerta lógica a un circuito que realiza una operación lógica determinada (NOT, AND, OR, etc.).
15. El Comparador
Su propósito es comparar dos cantidades e indicar si son iguales o no.
16. Funciones Aritméticas Básicas
Las cuatro funciones básicas son: suma, resta, multiplicación y división.
17. Codificación
La función de codificación se realiza mediante un circuito lógico denominado codificador. Por ejemplo, convierte un número decimal o un carácter alfabético en algún tipo de código.
18. Decodificación
Se realiza mediante un decodificador, el cual convierte la información codificada (como un número binario) en otra información (como un número decimal). Por ejemplo, un decodificador que convierte un código binario de 4 bits en su correspondiente dígito decimal.
19. Multiplexación y Demultiplexación
El multiplexor es un circuito lógico que pasa los datos digitales procedentes de varias líneas de entrada a una única línea de salida según una secuencia de tiempos. El demultiplexor realiza la función inversa, pasando los datos de una línea de entrada a varias líneas de salida.
20. Dispositivos de Almacenamiento
Cuatro tipos comunes son: Flip-flops, registros, discos magnéticos y cintas magnéticas.
21. El Contador
Su objetivo básico es el de contar sucesos representados por cambios de nivel o por impulsos.
22. Dispositivos Lógicos Programables (PLD)
Las tres categorías principales son:
- SPLD: PLD simple.
- CPLD: PLD complejo.
- FPGA: Matrices de puertas programables por campo.
23. Diferencia entre CPLD y SPLD
Un SPLD puede reemplazar a diez Circuitos Integrados (CIs) de función fija. Un CPLD es un dispositivo que contiene varios SPLD y puede reemplazar a muchos CIs de función fija.
24. Pasos del Proceso de Programación
- Introducción del diseño: Se realiza mediante un lenguaje de descripción de hardware (HDL) o técnicas basadas en texto.
- Simulación funcional: Verifica que se generan las salidas correctas para un conjunto de entradas.
- Síntesis: Traduce el diseño en una lista de componentes o netlist.
- Implementación: Hace corresponder las estructuras lógicas de la netlist con la estructura real del dispositivo.
- Simulación de temporización: Confirma que no existen fallos de diseño o problemas por retardos de propagación.
- Descarga: Se transfiere el flujo de bits al dispositivo físico para implementar el diseño.
25. Niveles de Salida en Puerta AND
La salida de una puerta AND es un nivel ALTO solamente cuando todas las entradas están a nivel ALTO. Se pone a nivel BAJO cuando una o más entradas están a nivel BAJO.
26. Tabla de Verdad: AND de Cinco Entradas
Para una puerta AND de 5 entradas, la salida X = 1 únicamente cuando todas las entradas ABCDE = 11111.
27. Niveles de Salida en Puerta OR
Una puerta OR tiene una salida nivel ALTO cuando una o más entradas están a nivel ALTO. Se pone a nivel BAJO únicamente cuando todas las entradas están a nivel BAJO.
29. Niveles de Salida en Puerta NAND
La puerta NAND genera una salida a nivel BAJO solo cuando todas las entradas están a nivel ALTO. Cuando cualquiera de las entradas está a nivel BAJO, la salida será ALTO.
30. Puerta NAND vs. Negativa-OR
Son funcionalmente idénticas y tienen la misma tabla de verdad. La diferencia radica en la interpretación: la NAND genera un 0 solo si todas sus entradas son 1, mientras que la negativa-OR genera un 1 si cualquiera de sus entradas es 0.
32. Niveles de Salida en Puerta NOR
La salida tiene un nivel ALTO cuando todas las entradas están a nivel BAJO. La salida tiene un nivel BAJO cuando una o más entradas están a nivel ALTO.
33. Puerta NOR vs. Negativa-AND
Ambas tienen la misma tabla de verdad. La diferencia reside únicamente en la forma de representar e interpretar sus entradas y salidas.
35. Salida de Puerta XOR
La salida de una puerta XOR se pone a nivel ALTO solo cuando las dos entradas están a niveles lógicos opuestos.
36. Salida de Puerta XNOR
Está a un nivel ALTO si ambas entradas (A y B) están en el mismo nivel (ambas ALTO o ambas BAJO).
37. Detección de Diferencia con XOR
Una puerta XOR detecta si dos bits son diferentes porque su salida es 1 solo cuando las entradas son opuestas (0 y 1). Si los bits son iguales, la salida es 0.
38. Tecnologías de Conexión en PLDs
Existen cinco tecnologías principales: Fusible, Antifusible, EPROM, EEPROM y SRAM.
39. Volatilidad en PLDs
El término volátil significa que la configuración se pierde al retirar la alimentación. La tecnología basada en SRAM es volátil.
40. Métodos de Introducción de Diseño
Los dos métodos disponibles para programar PLDs y FPGAs son la interfaz de texto (lenguajes descriptivos) y la interfaz gráfica (esquemas).
41. Definición de JTAG
El estándar JTAG (Joint Test Action Group) proporciona un método denominado análisis de contorno para probar la funcionalidad de los dispositivos programables.
60. Mapas de Karnaugh: POS vs. SOP
En un Producto de Sumas (POS), se coloca un 0 en el mapa por cada término suma. En una Suma de Productos (SOP), se coloca un 1 por cada término producto en su celda correspondiente.
61. ¿Qué es HDL?
El HDL (Hardware Description Language) es una herramienta de software que permite implementar y modelar diseños digitales.
62. Elementos Fundamentales de VHDL
Los dos elementos básicos en un programa VHDL son la entidad (entity) y la arquitectura (architecture).
63. Propósito de la Entidad
Describe la función lógica externa, definiendo sus entradas y salidas, denominadas puertos.
64. Propósito de la Arquitectura
Describe la operación interna y el comportamiento de la función lógica definida en la entidad.