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1.1.1. Introducción.
1.1.1. Introducción.
La electrónica digital ha resuelto muchos problemas con circuitos sencillos, donde la solución analógica complica en exceso estos circuitos electrónicos, aumentando el número de componentes. Tiene también una mayor capacidad de integración y no es tan sensible a fenómenos como los ruidos eléctricos.
Estas ventajas hacen que los circuitos digitales (o lógicos) se hayan extendido ampliamente por el mundo de la industria en circuitos de control de procesos.
Un elemento utilizado para transformar una señal analógica en digital, es el conocido relé electromagnético. La principal desventaja del relé electromagnético es su lentitud, teniendo en cuenta que existen unos contactos eléctricos que se tienen que desplazar, y tienen que vencer unas inercias. Por lo tanto no es lo suficientemente rápido para poder utilizarlo en los circuitos de electrónica digital.
Los primeros sistemas ABS estaban constituidos por múltiples relés, tenían un volumen demasiado grande y unas inercias excesivas, lo que producían un retraso en el funcionamiento del equipo.
Para el manejo de los circuitos integrados digitales, no se necesitan conocimientos previos de otro tipo de electrónica, ya que estos elementos están constituidos internamente por transistores, diodos, resistencias, etc.
No obstante, aunque los circuitos integrados lógicos se comporten como cajas negras, es necesario conocer el sistema interno de referencia que utilizan, así como las funciones elementales y circuitos electrónicos de menor complejidad, para poder llegar a comprender dispositivos más complejos, empleados en los diferentes calculadores electrónicos, como son los microprocesadores, memorias, unidades de entrad-salida, etc.
Estas características de los calculadores obligan a utilizar en la entrada unos circuitos convertidores que transforman las señales analógicas en señales digitales.
1.1. Señales analógicas y digitales.
a) Señales analógicas.
Se denomina señal analógica a aquella que puede tomar infinitos valores de tensión entre un mínimo y un máximo, variando progresivamente a lo largo del tiempo. La forma de este tipo de señales nos permite realizar medidas físicas como, temperaturas, presiones, velocidades, etc., ya que estas medidas físicas no presentan solamente dos estados diferentes sino que toman un valor diferente a lo largo del tiempo.
b) Señales digitales.
En cambio se denomina señal digital a la cual tan sólo tiene dos valores, sin ningún valor intermedio. El valor máximo o de activación (1 lógico o bit 1) y el valor mínimo o de reposo (0 lógico o bit 0).
Para comprender mejor que es una señal digital, pondremos un ejemplo: Supongamos que tenemos un panel eléctrico lleno de pilotos de control. Cada piloto se ilumina cerrando un interruptor, el panel se ilumina en pequeños golpes de luz según se cierran cada uno de los interruptores. Esto simularía una señal digital.
La mayor parte de los sistemas actuales, tanto en la industria en general como en el automóvil utilizan y procesan señales digitales, sin embargo los parámetros físicos, como temperaturas, presiones, revoluciones, etc., utilizan señales analógicas.
Ejemplos de señales analógicas utilizadas en el automóvil son el captador de régimen, el captador de presión absoluta, la sonda de temperatura del aire, etc..
1.1.3. Niveles lógicos.
Anteriormente hemos comentado que en electrónica digital sólo existen dos bits, que son el 0 y el 1. Surge entonces la necesidad de traducir estos dos bits a voltios, que es lo que en realidad entienden las máquinas. El modo más sencillo de hacer las conversiones es asignar un valor de tensión de +5 V para el bit 1 y un valor de tensión de 0 V para el bit 0. Se ha utilizado este valor por ser las tensiones a las que funcionan la mayoría de los circuitos lógicos empleados en la actualidad en la tecnología TTL (Lógica Transistor Transistor).
Podemos encontrarnos con dos tipos de lógica que pasamos a describir a continuación.
a) Lógica positiva.
Existe el inconveniente de que mantener tensiones de valor fijo a 5 V es un tanto difícil y también lo es con el 0 V. Para resolver el problema se toman márgenes de tolerancia. Este margen para el caso del bit 1 se extiende desde +2,5 V hasta +5 V. Es decir, que todo valor de tensión comprendido dentro de estos dos valores, debería ser interpretado como 1. Pues bien, se denomina nivel ALTO a todo valor de tensión que este comprendido dentro de esta gama de tolerancia. Para el caso del bit 0 se le asigna una gama de tensiones que se extiende desde 0 V hasta +0,8 V. Se llama nivel BAJO a cualquier valor de tensión que este comprendido entre los valores dados.
El resto de valores de tensión, es decir, los comprendidos entre +0,8 V y +2,5 V, forman niveles de tensión incluidos dentro de una gama o zona que llamaremos prohibida y no se utilizarán dado que no se sabe si los circuitos los interpretarán como 0 o como 1.
En el dibujo se ha realizado un esquema con los diferentes valores de tensión que limitan la zona de nivel bajo, la de nivel alto y la zona prohibida que los separa.
b) Lógica negativa.
A menudo aparece el concepto de lógica negativa y por ello lo vamos a definir de la siguiente manera. Es otra manera de codificar los bits utilizando los valores de tensión.
Un bit 0 se interpreta como cualquier nivel de tensión comprendido dentro de la gama de la gama de valores ALTO, es decir, los comprendidos entre +5 V y +2,5 V.
Un bit 1 se interpreta como cualquier nivel de tensión comprendido dentro de la gama de valores BAJOS, es decir, los comprendidos entre 0 V y +0,8 V.
En el dibujo se puede ver un esquema de los valores de tensión que limitan la gama de niveles ALTOS, la gama de niveles BAJOS y la comprendida entre ambos o zona prohibida.
1.1.4. Codificación de la información.
1.1.4.1. Generalidades.
Cuando se ha captado un concepto y este se ha de transmitir a otra persona, bien sea verbalmente o por escrito, no es necesario relacionar todo el conjunto de características que definen dicho concepto. Sería un procedimiento muy difícil, complejo y sujeto a errores. Para ello se emplean los códigos, que mediante palabras hacen posible simplificar mucho la comunicación de la información. Una palabra por ejemplo “mesa”, es una manera abreviada de exponer todas las características comprendidas en el concepto que todos tenemos de lo que es una mesa.
Las palabras, los nombres de las cosas, no son más que el resultado de la codificación de la información que maneja a diario el hombre. Los lenguajes y los idiomas no son más que códigos que previamente se han establecido. El mismo código morse y el lenguaje de los sordomudos son otros tantos ejemplos. Hay que tener en cuenta que códigos se pueden establecer muchos y además muy diferentes entre si. Sin embrago, la información siempre es la misma y nunca cambia aunque se empleen códigos diferentes.
Por ejemplo cuando se entra en una panadería y un español pide “pan”, un francés pide “pain” y un inglés pide “bread”, a los tres se les entrega la misma cosa, prueba evidente de que la información era la misma aunque se expresase en tres códigos diferentes.
En un código establecido, por ejemplo el idioma castellano, se utilizan una serie de caracteres simples, no muy numerosos y que todos conocemos. Mediante las múltiples combinaciones, que determina el código correspondiente, se llega ala obtención de la totalidad de palabras que componen el idioma. Al conjunto de dichos caracteres se le denomina alfabeto. Se pueden citar el latino, el griego, el árabe, etc. A los caracteres que componen las palabras se les denomina alfabéticos.
Cuando una información determinada corresponde a una magnitud medible y se ha de expresar mediante una cantidad, se recurre a los caracteres numéricos. A los caracteres numéricos se les llama cifras y se pueden combinar unos con otros para formar cantidades.
A la forma con que se combinan se le denomina código o sistema.
Cada sistema contiene un número determinado de caracteres diferentes. A este número de caracteres diferentes se le llama base de ese sistema. Por ejemplo el sistema de base diez, o decimal, que utilizamos todos nosotros, contiene diez caracteres que son los comprendidos entre 0 y 9, ambos inclusive. Otro de los sistemas utilizados actualmente, en el mundo técnico, es el sistema hexadecimal o de base dieciséis. Contiene pues dieciséis caracteres diferentes que pueden ser alfabéticos o numéricos, es decir caracteres alfanuméricos y que comprenden del 0 a la F. Otro sistema conocido es el octal o de base ocho. Pero de todos los sistemas utilizados el de mayor interés para el técnico es el sistema de base dos o binario, en donde se encuentran sólo dos caracteres diferentes que son el 0 y el 1.
En todo caso, cualquier sistema que se utilice, no es más que un modo previamente definido y establecido, de codificar una información correspondiente a una magnitud, medida o cantidad.
1.1.4.2. Sistemas de numeración.
a) Sistema decimal.
El sistema decimal es el sistema de numeración que empleamos para comunicarnos entre nosotros. Es un sistema de numeración que incorpora 10 caracteres diferentes desde el 0 al 9 ambos inclusive. En el sistema decimal contamos hasta diez por disponer de ese número de dedos de la mano, cuando se acaban los dedos, desplazamos un número.
Es un sistema en base diez 10n donde la base es el 10 y la “n” es el exponente. Cuando escribimos un número en sistema decimal lo escribimos, por ejemplo, así 6754 pero podemos escribirlo de esta otra manera:
6x103 + 7x102 + 5x101 + 4x100 = 6000 + 700 + 50 + 4 = 6754
es decir:
6 unidades de millar .... 6 x 1000 = 6.000
7 centenas...................... 7 x 100 = 700
5 decenas........................ 5 x 10 = 50
4 unidades...................... 4 x 1 = 4
_________
6.754
b) Sistema binario.
El sistema binario o sistema de base dos, contiene únicamente dos caracteres numéricos, que como ya hemos mencionado antes son el 0 y el 1. Este es el sistema de menor base que existe y la aritmética que lo estudia es la aritmética binaria.
Para expresar una cantidad en el sistema binario, las unidades se colocan en el primer lugar de la derecha, a continuación, y hacia la izquierda se colocan las bienas, después las cuatrienas, luego las octenas y así sucesivamente hasta formar la cantidad. Al igual que ocurre en el sistema decimal, en el sistema binario, el carácter “0” colocado a la izquierda es una cantidad que no altera su valor. No ocurre lo mismo si este es colocado a su derecha. La equivalencia, en binario, de los diez primeros caracteres es la siguiente:
Conversión de binario a decimal:
Para convertir un número del sistema binario en un número en el sistema decimal, se debe multiplicar cada dígito binario por la potencia y se suman. Para conseguir el valor de la potencia usamos 2n donde 2 es la base y “n” el exponente. Como estamos cambiando de binario a decimal usamos base 2, el exponente nos indica la posición del dígito.
Ejemplo: Convertir el número en base dos o binario 111010 a un número en base 10 o decimal.
111010 = 1x25 + 1x24 + 1x23 + 0x22 + 1x21 + 0x20 = 5810
Conversión de decimal a binario:
Para convertir un número decimal a binario, se divide el número entre dos, se escribe el cociente y el resto. Si el cociente es mayor que uno, se divide el cociente entre dos. Se vuelve a escribir el cociente y el resto. Este proceso se sigue realizando hasta que el cociente sea uno. Para obtener el número en binario se escribe cada uno de los restos comenzando desde el primero hasta el último de izquierda a derecha.
Ejemplo: Convertir el número decimal 3810 al sistema binario.
El número 3810 en decimal corresponde al 1001102 en binario.
c) Código hexadecimal.
Consta de dieciséis dígitos, del 0 al 9 y de la A a la F.
Conversión de binario a hexadecimal:
Se divide el número binario en grupos de cuatro a partir de la derecha, seguidamente se sustituye cada grupo por su valor en hexadecimal. Si en el último grupo de la izquierda no se puede agrupar, puesto que faltan números, se rellenarán de ceros hasta formar el grupo.
Si observamos el número binario 100111011 se corresponde con el número hexadecimal 13B16
Conversión de hexadedcimal a binario:
A cada dígito hexadecimal se le aplica su valor en binario en grupos de cuatro bits, poniendo cada grupo de cuatro bits en el mismo orden que su correspondiente hexadecimal.
Si observamos el número hexadecimal 6AF16 se corresponde con el número binario 011010101111.
d) Código B.C.D. (Binaro Codificado Decimal).
En si no es un sistema puro de numeración o codificación de cantidades. Se pude decir que es una transcodificación del sistema decimal al sistema binario. Dicho de otra manera es un sistema decimal en donde cada carácter se expresa a su vez en binario.
El sistema BCD sólo tiene diez caracteres diferentes, cada uno de los cuales está formado a su vez por una asociación de cuatro caracteres binarios sean 0 ó 1. Este sistema hace compatible el intercambio de información entre el hombre y la máquina, dado que la máquina sólo conoce el binario. Un ejemplo de donde se emplea el sistema BCD lo constituye la información que se aplica a los indicadores numéricos de una calculadora. Sin embargo, hay que resaltar que la máquina no es capaz de operar en el sistema BCD, sino que lo hace sólo en binario puro.
Un código BCD, consiste en aplicar a cada dígito decimal, su valor en binario, con un grupo de cuatro bits.
Este código está realizado para codificar en binario las diez cifras del sistema decimal, precisa de cuatro bits (16 combinaciones) ya que tres bits (8 caracteres) no son suficientes para los diez caracteres del sistema decimal.
Los números compuestos (decenas, centenas, etc.), son composiciones de manera análoga al decimal. Por ejemplo, el número en base decimal 1.349:
Sería el número BCD 0001 0011 0100 1001.
e) Código ASCII:
Este código tiene cierta similitud con el código BCD en cuanto a su razón de ser. Realmente es una transcodificación de caracteres alfabéticos y demás signos utilizados corrientemente al sistema binario; supone pues, representar con sólo caracteres binarios 0 y 1 todos los caracteres que, por ejemplo contiene la máquina de escribir.
Cada uno de estos caracteres del código ASCII está formado por ocho caracteres binarios. A título de ejemplo a continuación se dan una relación de algunos caracteres numéricos o alfabéticos expresados en este código.
Existen un total de 128 caracteres en el código ASCII. Entre ellos también están comprendidos los correspondientes a fin de línea, retorno de carro, espacio en blanco, etc. Como se habrá comprendido, mediante la utilización de este código se puede traducir desde el hombre a la máquina todo tipo de información. Ya no sólo cantidades aritméticas, sino palabras también. Toda la información contenida en esta página, puede ser traducida, mediante este código y captada por la máquina. Como ejemplo puede valer:
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