Electrónica Digital y Compuertas Lógica.

¿Qué es la electrónica digital?

La electrónica digital, es un campo de la electrónica que involucra el estudio de señales digitales con el fin de procesar y controlar diversos sistemas y subsistemas, en contraposición a la electrónica analógica y las señales analógicas.

En la mayoría de sistemas digitales, el número de estados discretos es tan solo de dos y se les denomina niveles lógicos (0 y 1). Estos niveles se representan por un par de valores de voltaje, uno cercano al valor de referencia del circuito (normalmente 0 voltios, tierra o "GND"), y otro cercano al valor dado por la fuente de alimentación del circuito (en circuitos TTL serian +5 voltios). Estos dos estados discretos reciben muchas parejas de nombres en libros de electrónica y otros textos especializados, siendo los más comunes "0" y "1", "F" y "V", "off" y "on" o "bajo" y "alto" entre otros. Tener solo estos dos valores nos permite usar el álgebra booleana y códigos binarios, los que nos proporciona herramientas muy potentes para realizar cálculo sobre las señales de entrada.

Sabemos que hay dos tipos de señales, una es analógica o continua y la segunda es digital o discreta. Entonces, la ciencia o campo de investigación en el área de la ingeniería se denomina Electrónica Analógica y Electrónica Digital. Ahora en el área de la electrónica digital, es esencial comprender una amplia gama de aplicaciones, desde la electrónica industrial hasta los campos de la comunicación, desde los micro sistemas integrados hasta los equipos militares. La principal y quizás la ventaja más revolucionaria de la electrónica digital es la disminución de tamaño y la mejora de la tecnología.

La electrónica digital es aquel sistema electrónico que utiliza una señal digital en lugar de una señal analógica. La electrónica digital es la representación más común del álgebra booleana y es la base de todos los circuitos digitales para computadoras, teléfonos móviles y muchos otros productos de consumo.

La unidad fundamental más común de la electrónica digital es la puerta lógica. Combinando numerosas puertas lógicas (de decenas a cientos de miles) se pueden crear sistemas más complejos. El complejo sistema de electrónica digital se conoce colectivamente como circuito digital.

Compuertas lógicas.

Las Compuertas Lógicas son circuitos electrónicos conformados internamente por transistores que se encuentran con arreglos especiales con los que otorgan señales de voltaje como resultado o una salida de forma booleana, están obtenidos por operaciones lógicas binarias (suma, multiplicación). También niegan, afirman, incluyen o excluyen según sus propiedades lógicas. Estas compuertas se pueden aplicar en otras áreas de la ciencia como mecánica, hidráulica o neumática.

Existen diferentes tipos de compuertas y algunas de estas son más complejas, con la posibilidad de ser simuladas por compuertas más sencillas. Todas estas tienen tablas de verdad que explican los comportamientos en los resultados que otorga, dependiendo del valor booleano que tenga en cada una de sus entradas.

Trabajan en dos estados, "1" o "0", los cuales pueden asignarse a la lógica positiva o lógica negativa. El estado 1 tiene un valor de 5v como máximo y el estado 0 tiene un valor de 0v como mínimo y existiendo un umbral entre estos dos estados donde el resultado puede variar sin saber con exactitud la salida que nos entregara.

Tipos de compuertas Lógica:

En este blog veremos todas las compuertas lógicas, veremos su funcionamiento, tabla de verdad de cada una de ellas:

Compuerta lógica NOT (C.I. 74LS04).
Compuerta lógica AND (C.I. 74LS08).
Compuerta lógica NAND (C.I. 74LS00).
Compuerta lógica OR (C.I. 74LS32).
Compuerta lógica NOR (C.I. 74LS02).
Compuerta lógica XOR (C.I. 74LS86).
Compuerta lógica XNOR (C.I. 74LS266).

1.-COMPUERTA LÓGICA NOT:

En este caso esta compuerta solo tiene una entrada y una salida y esta actúa como un inversor. Si la entrada se encuentra en estado activo “1” se tendrá a la salida un estado inactivo “0” y para el caso contrario, si la entrada se encuentra en estado inactivo “0” a la salida estará en estado activo “1”. Por lo cual todo lo que llegue a su entrada, será inverso en su salida.

A continuación, les dejo su símbolo, función lógica y su tabla de verdad.

Y para este caso utilizamos el circuito integrado 74LS04, a continuación, les dejo su conexión interna, pines de alimentación, entradas y salidas de los NOT, como se en el diagrama este circuito integrado tiene 6 NOT en su interior.

Después de haber leído la teoría de la compuerta lógica NOT, ahora vamos a realizar las pruebas de funcionamiento de cada una de ellas, a continuación, les dejo el diagrama de cada una de las compuertas del circuito integrado 74LS04.

En el siguiente video veremos como probar la compuerta lógica NOT, les recomiendo ver el video ya que esta bien explicado paso a paso.

Ver el siguiente Video:

2.-COMPUERTA LÓGICA AND:

Esta compuerta es representada por una multiplicación en el Algebra de Boole. Indica que es necesario que en todas sus entradas se tenga un estado binario 1 (Nivel alto) para que la salida otorgue un 1 binario (Nivel alto). En caso contrario de que falte alguna de sus entradas con este estado o no tenga si quiera una accionada, la salida no podrá cambiar de estado y permanecerá en 0 (eso quiere decir que basta que una de sus entradas este en 0 su salida será 0). Esta puede ser simbolizada por dos o más interruptores en serie de los cuales todos deben estar activos para que esta permita el flujo de la corriente.

A continuación, se muestra el símbolo:

Su tabla de verdad es la siguiente:

La compuerta lógica AND también lo podemos representar en un circuito electrónico muy simple como lo vemos en el siguiente diagrama, consta de 2 interruptores en serie (que serán mis entradas A y B) y la salida representada con un diodo led, esta prueba lo pueden realizar y verán que si se cumple la tabla de verdad.

Compuerta lógica representado con 3 y 4 entradas:

Ejercicios simples con la compuerta lógica AND:

A continuación, les muestro el circuito integrado 74LS08 que sería una compuerta lógica AND de 2 entradas, allí esta sus pines de conexione, este circuito integrado tiene 4 compuertas lógicas en su interior.

Circuito ensamblado en una protoboard:

En el siguiente video veremos las pruebas y funcionamiento del circuito integrado 74LS08, que sería una compuerta lógica AND, les recomiendo ver el video:

Ver el video:

3.- COMPUERTA LÓGICA NAND:

La compuerta lógica NAND, también conocida como AND negada o inversa o NOT-AND, es una combinación de las compuertas AND y NOT que se representa con la compuerta AND con un círculo a la salida, al tener sus entradas activas “1” la salida se encuentra inactiva “0”, otra variación con respeto a las entradas mantendrá su salida en estado activo “1”.

A continuación, se muestra el símbolo:

Su tabla de verdad es la siguiente:

Símbolo, tabla de verdad y función lógica:

Compuerta lógica NAND de 3 entradas:

Es posible encontrar compuertas NAND con 3 entradas. La expresión del algebra booleana no cambia, por lo tanto, la salida de la compuerta NAND de 3 entradas es igual a la negación de la multiplicación de sus entradas, veamos la siguiente table de verdad.

A continuación, les dejo una tabla con 4 entradas, y así puede haber con muchas mas entradas en una compuerta lógica NAND.

Ejercicios simples con la compuerta lógica NAND:

A continuación, les muestro el circuito integrado 74LS00 que sería una compuerta lógica NAND, este integrado se alimenta con +5v, y en su interior tiene 4 compuertas lógicas, en este video lo vamos a probar sus 4 compuertas lógicas, a continuación, les dejo el diagrama del circuito 74LS00 y el diagrama de como probar una compuerta lógica NAND.

La lista de materiales que vamos a utilizar son los siguientes.

1 protoboard.
1 CI 74LS00.
3 diodos leds.
3 resistencias de 330Ω.
2 pulsadores NA.

A continuación, les dejo unas imágenes de las conexiones para probar una compuerta lógica NAND.

Ver el siguiente video, allí les explicamos mejor el funcionamiento.

3.-COMPUERTA LÓGICA OR:

En el Algebra de Boole esta es una suma. Esta compuerta permite que con cualquiera de sus entradas que este en estado binario 1 (nivel alto), su salida pasara a un estado 1 también. No es necesario que todas sus entradas estén accionadas para conseguir un estado 1 a la salida, pero tampoco causa algún inconveniente. Para lograr un estado 0 a la salida, todas sus entradas deben estar en el mismo valor de 0. Se puede interpretar como dos interruptores en paralelo, que sin importar cual se accione, será posible el paso de la corriente.

A continuación, se muestra el símbolo:

Su tabla de verdad es la siguiente:

Símbolo, tabla de verdad y función lógica:

Circuito representativo de la compuerta OR.

Se puede representar mediante un circuito que tenga dos interruptores en paralelo, al accionar un interruptor permite cerrar el circuito y por lo tanto el flujo de la corriente.

Un interruptor abierto corresponde a inactivo “0” y el interruptor cerrado corresponde a activo “1”.

Compuerta OR de 3 entradas.

Es posible encontrar compuertas OR con 3 entradas. La expresión del algebra booleana no cambia, por lo tanto, la salida de la compuerta OR de 3 entradas es igual a la suma de sus entradas.

Se cumple lo mismo mencionado que una compuerta de 2 entradas: Se encuentra en estado activo siempre y cuando una de sus entradas tenga un estado binario activo “1”, para lograr un estado inactivo “0” a la salida es necesario que todas sus entradas tengan un estado inactivo “0”.

Y así puede haber compuertas lógicas “OR” con más entradas, como por ejemplo veamos a continuación una compuerta “OR” con 4 entradas.

Para hacer las pruebas en este video, vamos a utilizar el circuito integrado 74LS32, que sería una compuerta lógica “OR”, en su interior tiene 4 compuertas lógicas, y tiene dos pines de alimentación (pin 14 a 5v+ y el pin 7 a negativo), a continuación, les dejo el diagrama del CI 74LS32.

Ahora vamos hacer las pruebas de la compuerta lógica “OR”, para ver si esta operativa o averiada, a continuación, les dejo los diagramas de cómo realizar las pruebas de cada compuerta lógica, tengan en cuenta que al momento de hacer las pruebas deben usar su tabla de verdad y el circuito se alimenta con 5v DC.

Los materiales que estamos utilizando son los siguientes:

1 CI 74LS32.
3 diodos leds.
1 protoboard.
2 pulsadores NA.
3 resistencias de 330Ω.
Y Cables pequeños para realizar los puentes.

Por aquí les dejo una imagen de como me quedo mi circuito en la protoboard, pueden hacerlo de la misma forma.

A continuación, les dejo el video donde explicamos paso a paso de como funciona una compuerta lógica “OR”.

Video.

4.-COMPUERTA LÓGICA NOR:

La compuerta NOR es una combinación de las compuertas OR y NOT, en otras palabras, es la versión inversa de la compuerta OR. Al tener sus entradas en estado inactivo “0” su salida estará en un estado activo “1”, pero si alguna de las entradas pasa a un estado binario “1” su salida tendrá un estado inactivo “0”.

A continuación, se muestra el símbolo:

Su tabla de verdad es la siguiente:

Símbolo, tabla de verdad y función lógica:

COMPUERTA NOR DE 3 ENTRADAS.

Es posible encontrar compuertas NOR con 3 entradas. La expresión del algebra booleana de la compuerta NOR de 3 entradas es igual a inversa o negada de la suma de sus entradas.

Al tener un estado lógico “1” en alguna de sus entradas obtendremos a la salida un estado lógico “0” o inactivo, para tener la salida activa es necesario que todas las entradas se encuentren en un estado lógico “0”.

A continuación, también les dejo una compuerta lógica “NOR” con 4 entradas.

Ejercicios con la compuerta lógica “NOR”, también pueden hacer mas ejercicios en modo de practica y así van aprendiendo su función lógica de la compuerta.

CI 74LS02 COMPUERTA LOGICA NOR: El 74LS02 es un circuito integrado “CI” con encapsulado DIP de 14 pines. Es una compuerta lógica digital que incorpora internamente 4 compuertas de tipo NOR. La compuerta NOR es una combinación de las compuertas OR y NOT, en otras palabras, la compuerta NOR es la versión inversa de la compuerta OR.

A continuación, les dejo el diagrama del CI 74LS02.