CAPITULO UNO
          1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS DIGITALES


            1. DEFINICIONES BÁSICAS E HISTORIA DE LA EL...
"La ciencia que estudia dispositivos basados en el movimiento de los electrones libres en el
        vacío, gases o semico...
2. CIRCUITOS DIGITALES

   Un circuito simple como el de la figura 1 en donde aparece un led con su
   interruptor, es un ...
Figura No 2. Circuito análogo pues el regulador hace que la intensidad luminosa del
                                      ...
Figura No 3. Dos compuertas básicas la OR y la AND.




4. DESARROLLO HISTÓRICO DE LA ELECTRÓNICA DIGITAL

   La electróni...
Braun, en 1897, hizo pública su invención del primer tubo
   electrónico, rudimentario antecesor de los tubos de rayos cat...
constituyó una asociación de radiotécnicos. Allí mismo también se
construyó, en 1920, la primera emisora de radio comercia...
La aparición del transistor también proporcionó un gran impulso al
                            desarrollo de los ordenador...
3. Haga un cuadro sinóptico que recopile la historia de la electrónica digital.
    4. Elabore un mapa conceptual de este ...
1. Señal determinística periódica: Los valores se
                                                repiten periódicamente e...
1. Estrictamente limitadas en el tiempo: Son aquellas señales que por sí mismas tienen un
   nacimiento y un final. Por ej...
Figura No 6. Señal aperiódica asintoticamente limitada en el tiempo.

                       Igual ocurre con las ondas ce...
primera realización, el de la segunda o el de la n-esima; es
                                          decir, puede ser cu...
1. Señales análogas y señales digitales
                                  1. Señal Análoga. Una cantidad se denota por med...
Figura No 11. señal digital binaria con polaridad única

            b. binario con doble polaridad

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es decir en forma análoga. Un ejemplo se ilustra en la figura 13. Aquí se
   representa un altavoz que amplifica ondas son...
Figura No 14. Estructura básica de un sistema digital




  El ejemplo típico de un sistema digital es el computador perso...
todos los campos. Ya casi no se concibe ninguna actividad humana sin la
intervención de los computadores(Cosa fascinante, ...
circuitos de memoria magnéticos con núcleo de ferrita por circuitos de
memoria basados en semiconductores.

La base técnic...
Un equipo de diseñadores que antes había trabajado para Intel en el 8080
formó la Zilog Inc. y construyó el microprocesado...
Mientras tanto, Motorola ha desarrollado el 68020, el 68030 y el 68040.
                    Estos chips han permitido la f...
"La lógica estudia la forma del razonamiento, es una disciplina que por
   medio de reglas y técnicas determina si un argu...
Estos elementos de aplicación primaria(proposiciones y conectores lógicos)
  serán los que se desarrollan en el siguiente ...
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Compuertas Logicas

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Compuertas Logicas

  1. 1. CAPITULO UNO 1. INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS DIGITALES 1. DEFINICIONES BÁSICAS E HISTORIA DE LA ELECTRÓNICA DIGITAL 1.1.1. ELECTRÓNICA 1. Según Millman y Seely. La definición de Electrónica admitida más ampliamente es la realizada por Millman y Seely, posteriormente adaptada por el Institute of Radio Engineers (IRE). Según ella, es: "La rama de la Ciencia y la Técnica que se ocupa, por un lado, del funcionamiento de los electrones en el vacío, en presencia de campos eléctricos y magnéticos y de las interacciones electrón— materia y electrón—radiación, lo que constituye básicamente el estudio de los dispositivos electrónicos. Por otro lado, se ocupa del diseño de los dispositivos y sus aplicaciones prácticas, basadas en los principios y dispositivos anteriores." 2. Según el Institute of Radio Engineers (IRE). En la versión de los Proceedings del IRE se define como Electrónica: "El campo de la Ciencia y la Ingeniería que trata de dispositivos electrónicos y de su utilización, entendiendo por dispositivo electrónico aquel en el que tiene lugar la conducción por electrones a través del vacío, de un gas o de un medio semiconductor." 3. Según el Diccionario de la Real Academia Española. En cuanto a la definición de electrónica, según el diccionario de la Real Academia Española, se tiene que es:
  2. 2. "La ciencia que estudia dispositivos basados en el movimiento de los electrones libres en el vacío, gases o semiconductores, cuando dichos electrones están sometidos a la acción de campos electromagnéticos. Técnica que aplica a la industria los conceptos de ésta ciencia." Aun así, en las definiciones no se da contenido preciso al concepto de dispositivo, al tiempo que se concede una importancia fundamental al electrón, cuando la Tecnología Electrónica se ocupa, fundamentalmente de los dispositivos, los circuitos y los sistemas. Para tratar de precisar el concepto de dispositivo electrónico es necesario recurrir a su evolución histórica(ver historia electrónica). En todo caso, resultan destacables la aparición de las palabras dispositivo electrónico y la idea de que estos dispositivos, junto con otros componentes y técnicas permiten la materialización física de los circuitos y sistemas ideados por una serie de campos de la ingeniería de reciente desarrollo, fundamentalmente las Telecomunicaciones, la Informática y la Automática. 1. ELECTRÓNICA ANÁLOGA Y ELECTRÓNICA DIGITAL La electrónica se divide en general según el tipo de circuito en análoga y en digital de acuerdo a la forma como, tales circuitos, controla las señales que circulan por ellos, así: 1. Electrónica análoga: Se rige por los denominados, circuitos análogos o lineales, llamados así porque la gran variedad de señales que se presentan, pero por sobre todo, por la variación continua de los valores que la configuran(ver señales análogas). Hacen parte de la misma el análisis de los circuitos con diodo, con transistores y sus aplicaciones, los amplificadores, etc. 2. Electrónica digital: Se rige por los denominados, circuitos digitales o lógicos, llamados así porque trabajan con señales que pueden adoptar uno de dos valores posibles, alto o bajo(ver señales digitales). Puede definirse la electrónica digital como la parte de la electrónica que estudia los dispositivos, circuitos y sistemas digitales, binarios o lógicos. A diferencia de la electrónica análoga o lineal, que trabaja con señales que pueden adoptar una amplia gama de valores, los voltajes en electrónica digital están restringidos a uno de dos valores llamados niveles lógicos alto y bajo o estados 1 y 0. Generalmente el estado lógico alto o "1" , corresponde a la presencia de voltaje y, por el contrario, el estado lógico bajo o "0" corresponde a su ausencia. Hacen parte de la electrónica digital los circuitos y sistemas de control.
  3. 3. 2. CIRCUITOS DIGITALES Un circuito simple como el de la figura 1 en donde aparece un led con su interruptor, es un circuito digital, porque el led o se enciende o se apaga, pero no hay tintes intermedios. Sí se le coloca un regulador como en la figura 2, el circuito se transforma en análogo, porque variando el regulador, la intensidad lumínica cambiará en forma continua. Figura No 1. Circuito Digital el led se activa o desactiva con la puesta o no del interruptor
  4. 4. Figura No 2. Circuito análogo pues el regulador hace que la intensidad luminosa del led varie 3. COMPUERTAS Son los dispositivos que ejecutan las operaciones lógicas. Cuenta con una serie de entradas y una serie de salidas, su interior está constituido por transistores, diodos, resistencias según familia de fabricación. Son los circuitos digitales fundamentales. Morris Mano en un fragmento simplifica la definición de compuerta lógica así: "...Son bloques de Hardware que producen una señal de salida lógica 1 o lógica 0 y satisface los requisitos de la entrada lógica" La gráfica de la figura No 3 representa algunas de tales compuertas.
  5. 5. Figura No 3. Dos compuertas básicas la OR y la AND. 4. DESARROLLO HISTÓRICO DE LA ELECTRÓNICA DIGITAL La electrónica digital ha sido una de las revoluciones tecnológicas más importantes y decisivas de la humanidad. Sus preámbulos los podemos resumir en: 1. Inicios de la electrónica En términos generales la electrónica y la electricidad nacen con los trabajos de varios destacados físicos, tales como Coulomb, Ampére, Gauss, Faraday, Henry y Maxwell. Tales trabajos quedaron recogidos, en 1865, en el marco formal de la teoría del electromagnetismo, formulada por Maxwell (deducida de las ecuaciones que llevan su nombre); teoría que, sin embargo, debió esperar hasta 1888 para su demostración. La mencionada demostración la realizó Hertz con la generación, en el laboratorio, de ondas electromagnéticas. Más tarde, en 1896, Marconi logró transmitir y detectar estas ondas (llamadas hertzianas) y abrió el camino a posteriores avances tan importantes como la televisión y las telecomunicaciones. En términos más concretos, el nacimiento de la electrónica, como rama de la ciencia, puede situarse en 1895, año en el que Lorentz postuló la existencia de partículas cargadas llamadas electrones, lo cual fue demostrado, experimentalmente, por Thompson dos años más tarde.
  6. 6. Braun, en 1897, hizo pública su invención del primer tubo electrónico, rudimentario antecesor de los tubos de rayos catódicos que forman parte de los televisores. 2. De las válvulas al transistor La electrónica no asumió las connotaciones tecnológicas que la caracterizan hasta los inicios del siglo XX, con la invención de los primeros componentes y, en particular en 1904, con la creación de la válvula termoiónica o diodo, por parte del físico británico John Ambrose Fleming. El diodo, de ese momento, estaba compuesto esencialmente por dos electrodos metálicos contenidos en un tubo vacío, uno de los cuales (el cátodo) es calentado por un filamento. Debido a este calentamiento, el cátodo emite electrones (efecto termo-iónico), que son acelerados hacia el otro electrodo (el ánodo) cuando este último se mantiene positivo respecto al cátodo. De tal forma que, intercalado en un circuito, el diodo muestra la importante propiedad de conducir corriente únicamente cuando la tensión que se le aplica tiene un determinado sentido. De esta manera, permite la rectificación de una corriente alterna. La corriente que se obtiene conectando un electrodoméstico a una de las tomas que hay en las paredes de las casas (corriente de red), tiene la característica de invertir continuamente el sentido con que circula por un circuito, y por tanto se llama corriente alterna (la corriente de red es alterna debido a la técnica de su producción, lo cual no compete a la electrónica. De todas maneras, en muchos casos, es necesario disponer de una corriente continua; es decir, que nunca invierta su sentido de circulación. Para esto se emplean unos determinados dispositivos que rectifican la corriente, transformándola de alterna a continua. En 1905, el físico estadounidense Lee De Forest, perfeccionando el invento de Fleming, creó el tríodo. El aporte de Forest consistió en la introducción de un tercer elemento (la rejilla), cerca del cátodo. La proximidad entre el cátodo y la rejilla hace que, si a esta última se le aplica una pequeña tensión, influya sustancialmente sobre el flujo de electrones en el interior del tubo. Por tanto, el tríodo actúa como amplificador (el nombre de audión, que originalmente dio De Forest a su invento, traduce el intento de aplicar esta característica a las señales de sonido). Con el invento de los dispositivos mencionados se proporciono la base tecnológica para el rápido desarrollo de las radiocomunicaciones. Para 1912 en los Estados Unidos se
  7. 7. constituyó una asociación de radiotécnicos. Allí mismo también se construyó, en 1920, la primera emisora de radio comercial. En las décadas de 1920 y 1930 se introdujeron mejoras a los tubos electrónicos originarios (que culminaron con la introducción del pentodo), aumentando su flexibilidad y su campo de aplicaciones. Entre otras cosas, se hizo posible la invención de la televisión (1930) y de la radio de modulación de frecuencia (1933). Los tubos de vacío dieron paso a una importante aplicación, como fue la realización de los primeros calculadores electrónicos en los años siguientes de la Segunda Guerra Mundial. Mientras tanto, físicos como Block, Schottky, Sommerfeld, Winger y otros realizaban excelentes progresos en el estudio de una importante clase de sustancias sólidas: los semiconductores, con el propósito de hacer más eficientes tales calculadoras. En 1945 se creó un grupo de trabajo, compuesto por físicos teóricos y experimentales, un químico y un ingeniero electrónico, en los Bell Telephone Laboratories, para encontrar una alternativa al empleo de los tubos electrónicos en las telecomunicaciones. Ciertamente los tubos presentan inconvenientes, entre los cuales se cuenta una escasa fiabilidad debida a sus elevadas temperaturas de funcionamiento. En 1947 los físicos John Bardeen, Walter Brattain y William Schockley obtuvieron un efecto de amplificación en un dispositivo compuesto por dos sondas de oro prensadas sobre un cristal de germanio (un semiconductor): nacía así el transistor, que actualmente es el elemento fundamental de todo dispositivo electrónico (en 1965 estos físicos recibieron el Premio Nóbel). Más tarde, gracias a los progresos efectuados por los laboratorios Bell en la obtención de materiales de base (germanio y silicio) con un elevado grado de pureza, el primer ejemplar fue perfeccionado por Schockley con la introducción del transistor de unión, totalmente de material semiconductor. La comercialización del transistor en 1951 sentó las bases para el desarrollo cualitativo y cuantitativo de la tecnología electrónica en la segunda mitad del siglo. El transistor proporcionó las mismas funcionalidades del tríodo, siendo más pequeño, eficiente, fiable, económico y duradero. Esto permitió la existencia de una gama de aplicaciones antes impensables y la reducción de costos y del tamaño de los dispositivos electrónicos de uso común (radio, televisión, etc.), abriéndose así el camino hacia el fenómeno de la electrónica de consumo.
  8. 8. La aparición del transistor también proporcionó un gran impulso al desarrollo de los ordenadores. En 1959 la IBM presentó el primer ordenador (el 7090) de estado sólido, es decir, con transistores. En la actualidad, los componentes con semiconductor como el transistor, han sustituido casi por completo a los tubos de vacío. Estos últimos únicamente se emplean en algunas aplicaciones particulares, en las que hacen parte microondas, o con tensiones de funcionamiento muy altas. Con esto las condiciones para el desarrollo de la electrónica digital quedan dadas y con los siguientes hechos se formaliza como alternativa en le diseño de dispositivos electrónicos a todo nivel: 3. Aparición de los circuitos integrados A finales de los años cincuenta con la introducción del circuito integrado por parte de Kilby, de la Texas Instrument, y de Noyce y Moore, de la Fairchild Semiconductor Company se da el salto cualitativo más importante en el desarrollo de la electrónica y en particular de la electrónica digital. La idea fue incluir un circuito completo en una sola pastilla de semiconductor: el Chip, y hacer de las conexiones entre los dispositivos parte integrante de su proceso de producción, reduciendo así las dimensiones, peso y el costo con relación al número de elementos activos. El desarrollo de la microelectrónica, como se denomina la electrónica de los circuitos integrados es impresionante. A partir de su comercialización (1961), el número máximo de componentes integrados en un chip se duplicó cada año desde los 100 iniciales. En la segunda mitad de los años setenta, al introducirse la integración a gran escala (VLSI) y superar los 10.000 componentes, se ingresó en la época actual, en la que es normal encontrar varios millones de componentes integrados en un chip muy pequeño, por ejemplo en los microprocesadores de los ordenadores personales. Los desarrollos actuales permiten con los dispositivos lógicos programables que el usuario final elabore con lenguajes descriptivos como el VHDL (Very High Spedd Hardware Description Languaje) Los recursos digitales que requiera en sus aplicaciones. 5. TALLER UNO 1. Con base en la bibliografía y en fuentes de Internet describa cada uno de los componentes de la definición de electrónica(Ciencia, técnica, Ingenieria, Dispositivos, dispositivos electrónicos, electrón, materia, campo eléctrico, semiconductores, industria) 2. Haga un cuadro comparativo entre electrónica análoga y electrónica digital.
  9. 9. 3. Haga un cuadro sinóptico que recopile la historia de la electrónica digital. 4. Elabore un mapa conceptual de este primer apartado. 5. Haga un listado de los términos encontrados en la sección que considera deben precisarse, no menos de diez y verifique su concepto(diodo, tríodo, germanio, silicio, Schockley, VLSI, MSI, LS, válvula, etc). 1. SEÑALES DE LA ELECTRÓNICA DIGITAL 1. ¿QUÉ SON SEÑALES? Según el diccionario una señal es una marca que se coloca a ciertas cosas para distinguirlas de otras. Así, se usan los mojones o hitos que indican un término. También se acepta como sinónimo de señal el término Testimonio, cuando se usa en medicina o cualquier otra rama para determinar síntomas o signos que advierten una enfermedad o la ocurrencia de un fenómeno. Para la electrónica una buena aproximación es la hecha por Proakis: "la señal se define como una cantidad física que varia con el tiempo, el espacio o cualquier variable o variables independientes". Así, desde el punto de vista matemático una función es una señal. Por ello, en términos generales, la descripción de una señal se da a través de una función; p.e: o f(x) = 4x o f(x,y)= 4x + 3y o Representación de una señal con una relación funcional compleja, donde Ai(t), Fi(t) y son amplitud, frecuencia y fase que viran con el tiempo. Es de este carácter la señal de voz. o El electrocardiograma, cuya función debe ser similar a la anterior 1. ¿CUÁLES SEÑALES SE TRABAJAN EN ELECTRÓNICA? 1. Señales Determinísticas y Señales Aleatorias 1. Señales Determinísticas : Aquellas que tienen un valor único, y se representan unívocamente por una función del tiempo. Tales señales pueden ser periódicas o aperiódicas.
  10. 10. 1. Señal determinística periódica: Los valores se repiten periódicamente en un intervalo de tiempo To. Las señales reguladas por las funciones trigonométricas son de este tipo. En cada instante de tiempo se puede establecer el valor de la señal y su magnitud, la señal se repite cada 360 grados o cada 2π radianes. La Expresión matemática que tipifica tal tipo de señales es: Ecuación 1.1 Tales señales tienen tres características básicas que son: magnitud, periodo y Fase. Tal como se muestra en la gráfica de la figura No 4. Figura No 4. Señal Periódica La magnitud es la máxima elongación de la onda y por lo general se mide en voltios, aunque dependiendo de la Magnitud también se puede medir en Amperios o Wattios. La Fase es el atraso o adelanto de la señal y se mide en grados o radianes. El periodo es la duración en segundos para que se ejecute un ciclos de la señal. 1. Señal determinística aperiódica : No hay un ciclo de repetición y su existencia esta dada en un breve intervalo de tiempo, estas señales pueden ser:
  11. 11. 1. Estrictamente limitadas en el tiempo: Son aquellas señales que por sí mismas tienen un nacimiento y un final. Por ejemplo, un impulso eléctrico o una señal como la mostrada en la figura No 5 Figura No 5. Señal aperiódica limitada en el tiempo, inicia en to y finaliza en t1 2. Asintóticamente limitadas en el tiempo: Son aquellas que producto de ser racionales y como resultado de una división, en ciertos puntos, tienden a infinito. Por ejemplo la función tangente o cotangente. La función tangente es la que se presenta en la figura No 6, se asume que entre un par de asíntotas esta el comienzo y el final de la señal. También se consideran asintóticamente limitadas en el tiempo aquellas señales que sufren un comportamiento abrupto y se considera que tiende a infinito la señal en tal punto. Por ejemplo un electrocardiograma al momento de ser analizado los puntos de sobresalto rompen el análisis de la misma y se pueden considerar distorsiones de la señal, o, puntos de terminación de un subintervalo.
  12. 12. Figura No 6. Señal aperiódica asintoticamente limitada en el tiempo. Igual ocurre con las ondas cerebrales como las mostradas en la figura No 7. En donde entre to y t1 se puede considerar el comienzo y el final de la señal para su análisis, puesto que el cambio es abruto Igual ocurre entre t1 y t2.. Figura No7 Señal asintóticamente limitada en tiempo por cambios abruptos en la señal 1. Señales aleatorias : No se pueden representar unívocamente por una función del tiempo, sino por un enjambre. Cada una de las funciones que la componen se llama realización o muestra. La figura No 10 muestra una serie de n realizaciones o muestras. La muestra 1 corresponde a una señal de un electrocardiograma, la dos a una señal pulsante, la tercera a una señal triangular y la n-esima a una señal ruidosa. El conjunto de las n señales constituye en sí una señal aleatoria, cuando en el instante t0 el valor que puede tomar la señal puede ser el de la
  13. 13. primera realización, el de la segunda o el de la n-esima; es decir, puede ser cualquiera, así que, se establece la variable aleatoria X = {x1, x2, x3,..., xn}. El valor tomado por la variable en t0 depende de la realización o muestra que se de en tal instante, de darse la primera, se obtendrá x1, sí se da la segunda el valor será x2 y así sucesivamente. ¿Qué determina la ocurrencia de uno u otro evento? Las reglas de las probabilidades, la determinación del tipo de distribución probabilística que se presenta( uniforme, binomial, de Poisso, etc.), sí el proceso es estacionario, sí es ergódico o no. En el instante t1 el valor de la señal no se puede dar con certeza como en las señales determinísticas, este valor se dará por las reglas del azar, dependiendo que señal(realización) se presente: la triangular, la rectangular, la cardiaca, la ruidosa, etc. Así, estará ocurriendo en cada instante de tiempo, no habrá certeza de que realización se dé y por ende, no habrá certeza del valor a obtener. Estas señales son las más comunes en procesos de telecomunicaciones, electromedicina y telemetría, por ello se mencionan aquí, así en este trabajo no se vuelva a hacer referencia a las mismas. Véase la figura No 8. Por supuesto, esto es apenas una aproximación a lo que realmente ocurre, pero ayuda mucho a la comprensión de los fenómenos espectrales propios de este tipo de señales. Figura No 8. Señal Aleatoria de n realizaciones
  14. 14. 1. Señales análogas y señales digitales 1. Señal Análoga. Una cantidad se denota por medio de otra que se relaciona con la primera de forma continua. La señal de la figura No 9 así lo muestra, E varia en depende en forma continua de t. En términos estrictos una magnitud de voltaje que representa a la señal en el tiempo pudiendo tomar un valor de un conjunto infinito de valores(subintervalo de los números reales) en un instante de tiempo se dice, que es una representación análoga. Ejemplo: El velocímetro. La velocidad de un auto varia gradualmente sobre un intervalo continuo de valores, la velocidad del auto se puede variar entre valores de 0 y 100 Km./h. Otros ejemplos de señales análogas pueden ser: o e-at cos wt o 1 / a2 (at-1 + e-at) o Una Ecuación diferencial 1. Señal Digital: La cantidad no se denota por cantidades continuas sino por símbolos denominados dígitos. En términos estrictos La magnitud de voltaje que representa a la señal en tiempo puede tomar un valor de un conjunto finito y discreto de valores para un instante determinado de tiempo es una representación digital. En la figura No 10 E toma los valores 5 o 0 V según la variación de t Ejemplo: Reloj Digital. La hora varia continuamente pero la lectura del cronometro no cambia de la misma manera. Varia en etapas. "Análogo = continuo". "Digital = Discreto (paso a paso)" otros ejemplos de señales digitales pueden ser: • Código Morse (convierte las letras del alfabeto en grupos de puntos o rayas.) • Señales codificadas en forma digital(ver las figura No 11 y 12). a. binaria de polaridad única 1111 00000
  15. 15. Figura No 11. señal digital binaria con polaridad única b. binario con doble polaridad +1111 -00000 Figura No 12. señal digital binaria con doble polaridad La lógica digital se basa en la utilización de dos estados lógicos para determinar la veracidad o no de las proposiciones lógicas de las que se hará mención adelante. 1. ¿QUÉ SON SEÑALES DIGITALES? Como ya se preciso arriba, las señales digitales se regulan por las magnitudes o valores discretos, para nuestro trabajo, representados tales valores por dos niveles el cero y el uno. Cada uno de estos valores recibe el nombre de BIT(binary digit). Apagado, encendido; noche o día, malo o bueno, injusto o justo, pobre o rico, enemigo o amigo, funciona o no funciona. 2. SISTEMA ELECTRÓNICO ANALÓGICO Un sistema electrónico analógico es el dispositivo que funciona regulado por cantidades análogas, Figura No 13. Sistema típico analógico. Altavoz
  16. 16. es decir en forma análoga. Un ejemplo se ilustra en la figura 13. Aquí se representa un altavoz que amplifica ondas sonoras(voz) que de por sí son análogas, capturada por un micrófono y convertidas en una pequeña variación analógica de tensión denominada señal de audio. Esta tensión varia de manera continua a medida que cambia el volumen y la frecuencia del sonido. La denominada señal de audio entra al amplificador lineal. La salida del amplificador es la señal amplificada, es decir, multiplicada por un factor mayor que la unidad; a esta señal se le denomina señal de audio amplificada. La misma entra al altavoz que a su vez la convierte en una onda sonora de mucho mayor volumen que la original. 3. Sistema electrónico Digital Un sistema digital puede definirse como un conjunto de componentes interconectados que procesan información en forma digital. En tal condición encontramos a las calculadoras, los computadores y los relojes digitales, entre otros. El alma de los sistemas digitales lo constituyen los microprocesadores, un diagrama de bloques como el de la figura 14 nos explica brevemente tal hecho. Un sistema digital genérico consta de una serie de elementos para la entrada salida, unidades de procesamiento, de control y de almacenamiento de información. Los enlaces o relaciones entre estos elementos se establecen a través de caminos de señal denominados buses de datos o de control.
  17. 17. Figura No 14. Estructura básica de un sistema digital El ejemplo típico de un sistema digital es el computador personal. En él los dispositivos de entrada son: el teclado, el mousse y las unidad A o de disco magnético, el micrófonos o la unidad de disco Compacto (CD). Los dispositivos de salida son los periféricos a la impresora, el monitor, las tarjeta de red, los puertos de comunicación(MODEM), etc. Las unidades de memoria las constituyen los dispositivos de almacenamiento externo(disquetes), la memoria principal o RAM, el disco duro, etc. El procesamiento y el control lo realiza la llamada CPU(unidad central de proceso) que tiene la Unidad Aritmética y lógica y el procesador quien controla y realiza los procesos exigidos por el sistema. A continuación se hará un referente histórico a los microprocesadores a modo de introducción a los circuitos lógicos digitales para que el lector identifique hacia donde se dirige el trabajo propuesto. 4. ALGUNOS REFERENTES HISTÓRICOS DE LOS MICROPROCESADORES En la historia de la electrónica se tiene al año de 1970 como la fecha de invención del microprocesador. Desde entonces, este diminuto dispositivo, uno de los adelantos tecnológicos más importantes de nuestro siglo, ha revolucionado todos los campos de la actividad humana. Con el microprocesador se inició una nueva era de desarrollo de la industria de los computadores y de la electrónica, la cual hasta el presente ha ido evolucionando a una velocidad que aún sorprende, incluso, a los visionarios más futuristas. Nadie en 1970 se imaginaba el impacto tan grande que causaría este invento en la vida del hombre moderno. Los aparatos electrónicos que utilizan microprocesadores, entre ellos los computadores personales y de escritorio, entre otros sistemas digitales, han cambiado totalmente la forma de trabajar e investigar de los seres humanos. Ninguna herramienta anterior desarrollada por el hombre le había dado tanto poder para crear otras(herramientas) y acelerar su evolución en
  18. 18. todos los campos. Ya casi no se concibe ninguna actividad humana sin la intervención de los computadores(Cosa fascinante, pero también peligrosa). El microprocesador es el máximo exponente de la etapa siguiente al transistor: la tecnología de circuitos integrados. El concepto de circuito integrado empezó a rondar por los cerebros y mentes prodigiosas de quienes trabajaban en el diseño y fabricación de transistores. El planteamiento más o menos es el siguiente: Si se fabricaban transistores en forma individual y luego se tenían que unir, siempre de la misma forma entre si, con alambres y con otros componentes como resistencias, condensadores y diodos, ¿por qué no fabricar de una vez todo el conjunto de material semiconductor y aislante, interconectado internamente para que cumpliera la misma función del sistema total? Este planteamiento fue desarrollado en la práctica simultáneamente, pero en forma independiente, por dos empresas muy importantes en la historia de la electrónica: Fairchild Semiconductor y Texas Instruments. En Fairchild dirigía el equipo de trabajo Robert Noyce, y en Texas Jack Kilby Los primeros circuitos integrados salieron al mercado en el año de 1959 y a un precio de 450 dólares. Solamente incluían cuatro transistores y varias resistencias. Actualmente, un circuito integrado similar cuesta entre 20 y 30 centavos de dólar. La explosión de los circuitos integrados desde el año de 1960 hasta la fecha ha desarrollado la ciencia y especialmente la electrónica, en una forma sorprendente. Inicialmente estaban dedicados a funciones lógicas sencillas como compuertas, flip-flops, contadores, etc. Luego se trabajó en el campo análogo o lineal con los amplificadores operacionales integrados, los circuitos de audio o sonido, los temporizadores y otros muchos circuitos. Sobre este invento existió una gran polémica en cuanto a la patente. Esta tuvo que ser otorgada, inicialmente, de modo compartido y, después de 20 años y haberse fabricado miles de millones de chips, se le adjudicó, finalmente, a la Texas Instruments. Noyce renunció a la Fairchilden 1968 y fundó, en compañía de Gordon Moore y Andrew Grove y con el respaldo económico de Arthur Rock, la empresa Intel en donde se dieron los primeros pasos para el invento del microprocesador. La compañía Intel empezó a vislumbrar un gran mercado en el área de los computadores y su investigación se orientó hacia el reemplazo de los
  19. 19. circuitos de memoria magnéticos con núcleo de ferrita por circuitos de memoria basados en semiconductores. La base técnica consistió en el uso de un simple flip-flop como elemento de memoria. Así, se creó el primer circuito de memoria tipo RAM llamado el 1103 con una capacidad de 1024 bits. Con este tipo de circuitos se facilitaba la construcción de computadores mucho más pequeños que los IBM 360 y otros minicomputadores que ya iban llegando en mayor número a este reducido mercado. El diseño del microprocesador se inició en un grupo de trabajo de Intel dirigido por Ted Hoff, un brillante ingeniero egresado de la Universidad de Stanford. Todo empezó cuando Intel se decidió a firmar un contrato con una compañía japonesa fabricante de calculadoras (la desaparecida Busicom Corporation). Esta quería que se les fabricara un conjunto de circuitos integrados que reemplazaran la gran cantidad de componentes que tenían las calculadoras de ese entonces. Después de un largo trabajo se logro que todo el circuito fuera reemplazado por tres chips, pero estos resultaron ser de un tamaño mayor de acuerdo a los requerimientos. A Hoff se le ocurrió que se debería agrupar toda la parte de proceso aritmético y lógico en un solo circuito y el resto de la calculadora en los otros dos circuitos. Con la intervención de otro diseñador, Federico Faggin, el proyecto se llevo a cabo con todo éxito. A este circuito, de 2250 elementos integrados en un área de 3 x 4 milímetros, se le llamó microprocesador. También se le dio el nombre de CPU (Central Processing Unit) o MPU (Micro Processing Unit). Aunque este circuito tenía ya muchas de las características de una unidad central de proceso integrada, el primer microprocesador en un sólo chip, fabricado como tal, fue el 4004 de Intel, diseñado para reemplazar grandes cantidades de circuitos integrados TTL. El 4004 era un chip muy sencillo que manipulaba datos de cuatro bits. Intel desarrolló muy pronto, en 1972, el 8008, el cual podía procesar datos de 8 bits. Este fue otro de los grandes acontecimientos en la historia de los microprocesadores y los microcomputadores. Sin embargo, el 8008 operaba con demasiada lentitud. Para remediar esto, Intel desarrolló un sustituto el 8080, y posteriormente el 8085, compatible con el primero, con funciones adicionales y menos chips de soporte. Además Intel fabrica una buena variedad de circuitos de soporte para el 8085, necesarios para el montaje de un sistema completo de control.
  20. 20. Un equipo de diseñadores que antes había trabajado para Intel en el 8080 formó la Zilog Inc. y construyó el microprocesador Z80, el cual incorporaba un set de instrucciones más extenso que el 8080, aunque era compatible con este último. Este microprocesador ha sido, y continúa siendo, uno de los más utilizados en el campo de control. Por la misma época en que se lanzaba al mercado el 8080, otra empresa de semiconductores, Motorola, desarrolló el 6800, Un microprocesador de 8 bits con un diseño completamente distinto pero con iguales características. Motorola perfeccionó el 6800 con el 6809, considerado como uno de los mejores procesadores de ocho bits de todas las épocas. A pesar de sus excelentes características, el 6809 no tuvo el éxito comercial que se esperaba. Dicho éxito lo obtuvo otro derivado del 6800: el 6502, producido por MOS Technology, otra empresa de semiconductores. Con este microprocesador se fabricaron los primeros computadores personales como el PET dc Commodore y el Apple II de Apple Computer Inc. A partir de este momento se estableció una guerra técnica y comercial, que aun subsiste, entre Intel y Motorola, la cual los ha llevado a ser los dos grandes lideres indiscutibles del mercado de los microprocesadores. Pero el desarrollo del microprocesador no se quedo en ocho (8) bits. A principios de la década de los 80’s empezaron a aparecer los microprocesadores de dieciséis (16) bits, mucho más potentes. El primero en salir al mercado fue el 8086 de Intel el cual fue adoptado por la IBM para la fabricación de su famoso IBM PC. Lo siguió de cerca el 68000 de Motorola que contiene registros internos de 32 bits, un bus de datos de 16 bits y un bus de direcciones de 24 bits. Con este ultimo microprocesador se inició en Apple una nueva familia de microcomputadores: los Macintosh, uno de los computadores más modernos disponibles actualmente en el mercado. Por los lados de Intel se desarrollaron el 8088 utilizado en el IBM XT, el 80186, el 80286 utilizado para el IBM AT, el 80386, el 80486, un microprocesador que contiene más de 1.500.000 transistores y, hoy el 80586, que supera en velocidad a los anteriores. Hoy se adquieren los Pentium Trio. Todos estos microprocesadores de Intel han sido utilizados para la fabricación de microcomputadores de bajo costo llamados clones, lo que ha hecho que esta empresa siga siendo el mayor fabricante de microprocesadores en el mundo.
  21. 21. Mientras tanto, Motorola ha desarrollado el 68020, el 68030 y el 68040. Estos chips han permitido la fabricación de unos microcomputadores cada vez mas poderosos llamados Workstations o estaciones de trabajo, caracterizados por su alta capacidad de memoria, gran velocidad de proceso, manejo de gráficas de muy alta resolución y una gran capacidad de almacenamiento masivo. Sin embargo, se trabaja en otro tipo de arquitectura en la Unidad Central de Procesamiento. Se trata de los llamados "microprocesadores paralelos". En este tipo de computadores no existe un único microprocesador controlando el sistema, sino varios que comparten información y se distribuyen tareas. También se hace presente en el mundo tecnológico actual un nuevo tipo de microprocesador llamado RISC (Reduced Instruction Set Computer: computador con un conjunto reducido de instrucciones). Con estos microprocesadores se están diseñando computadores, impresoras y equipos electrónicos que trabajan más rápido que con los microprocesadores convencionales. Vale la pena mencionar dentro del tema del control la existencia en el mercado de un tipo de microprocesador especial llamado Microcontrolador, el cual contiene en su interior un microprocesador, una memoria RAM, una memoria ROM, varios puertos de entrada y salida y, en algunos modelos un convertidor análogo/digital (A/D). En otras palabras, todo un microcomputador en un solo chip. Como en los microprocesadores comunes, Intel y Motorola son los lideres en la fabricación microcontroladores con sus familias 8048, 8051 y el 6805 respectivamente. Este tipo de circuitos facilita enormemente la tarea de diseño y fabricación de sistemas de control basados en microprocesador. 5. TALLER DOS 1. ¿Qué otra clasificación de señales se puede encontrar en la literatura de la electrónica? 1. Desarrolle Una serie de diez ejemplos concebidos como fenómenos que corresponden a magnitudes análogos y diez a magnitudes digitales y precise sus diferencias 2. Aparte de los dos ejemplos dados de sistemas analógicos y sistemas digitales desarrolle algunos otros(más de cinco por cada caso). 3. Haga un mapa conceptual de la sección de estudio. 1. INTRODUCCIÓN A LA LÓGICA MATEMÁTICA 1. ¿QUÉ ES LÓGICA?
  22. 22. "La lógica estudia la forma del razonamiento, es una disciplina que por medio de reglas y técnicas determina si un argumento es válido." La lógica es ampliamente aplicada en la filosofía, matemáticas, computación, física, etc. En la filosofía para determinar si un razonamiento es válido o no, ya que una frase puede tener diferentes interpretaciones, sin embargo la lógica permite saber el significado correcto. En las matemáticos para demostrar teoremas e inferir resultados matemáticos que puedan ser aplicados en investigaciones. En la computación para revisar programas. En general la lógica se aplica en la tarea diaria, ya que cualquier trabajo que se realiza tiene un procedimiento lógico, por el ejemplo; para ir de compras al supermercado una ama de casa tiene que realizar cierto procedimiento lógico que permita realizar dicha tarea. Si una persona desea pintar una pared, este trabajo tiene un procedimiento lógico, ya que no puede pintar si antes no prepara la pintura, o no debe pintar la parte baja de la pared si antes no pintó la parte alta porque se mancharía lo que ya tiene pintado, también dependiendo si es zurdo o derecho, él puede pintar de izquierda a derecha o de derecha a izquierda según el caso, todo esto es la aplicación de la lógica. 2. ¿QUÉ ES LÓGICA MATEMÁTICA? " La lógica matemática es la disciplina que trata de métodos de razonamiento. En un nivel elemental, la lógica proporciona reglas y técnicas para determinar si es o no valido un argumento dado. El razonamiento lógico se emplea en matemáticas para demostrar teoremas". 3. LA LÓGICA DIGITAL. Es la aplicación más precisa de la lógica matemática, incluso se usan en forma indistinta. En la lógica digital se trabaja con dos condiciones de verificación: el falso y el verdadero. Las reglas y técnicas para determinar si una argumentación está dentro de una u otra condición las regula la lógica matemática. 4. APLICACIONES La aplicación de la lógica digital está en el diseño de circuitos digitales. Para llegar al diseño de circuitos digitales se debe comprender primero la concepción de dígitos binarios, es decir la existencia de dos únicos estados. Esto nos permitirá comprender como todo planteamiento tiene o no valor de verdad. Si lo tiene se puede establecer como falso o verdadero. Tal situación se puede reflejar en un circuito básico al que se le denominará circuito digital. Detrás de tales circuitos encontramos los sistemas digitales y sus aplicaciones en fenómenos de control, procesamiento y automatización
  23. 23. Estos elementos de aplicación primaria(proposiciones y conectores lógicos) serán los que se desarrollan en el siguiente capítulo. 5. TALLER TRES 1. Haga un cuadro comparativo entre los tres conceptos(Lógica, lógica matemática, lógica digital). 2. Encuentre más definiciones de lógica 3. Encuentre más definiciones de lógica matemática 4. Encuentre más definiciones de lógica digital 5. Haga el mapa conceptual de la sección correspondiente 6. Elabore el mapa conceptual del capítulo uno

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