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sábado, 14 de noviembre de 2015

Tecnología 4º de ESO: Tema 2.- Electrónica digital

ÍNDICE

1.- LÓGICA DIGITAL
   1.1.- Álgebras
   1.2.- Álgebra de Boole

2.- TIPOS DE SEÑALES

3.- OPERACIONES BINARIAS
   3.1.- Paso de binario a digital
   3.2.- Paso de digital a binario

4.- FUNCIONES LÓGICAS

5.- PLANTEAMIENTO DIGITAL DE PROBLEMAS TECNOLÓGICOS.
   5.1.- Obtención de la tabla de verdad y de la primera forma canónica FC1.

6. CIRCUITOS INTEGRADOS
   6.1.- Características de los circuitos integrados
   6.2.- Evolución de los circuitos integrados
   6.3.- Fabricación de chips

7.- PUERTAS LÓGICAS
   7.1.- Puerta lógica OR
   7.2.- Puerta lógica AND
   7.3.- Puerta lógica NOT
   7.4.- Puerta lógica NOR
   7.5.- Puerta lógica NAND
   7.6.- Puerta lógica XOR    
   7.7.- Familias lógicas
   7.8.- Puertas lógicas en circuitos integrados

8.- EJERCICIOS

9.- VOCABULARIO

10.EJERCICIOS RESUELTOS

11.ACTIVIDADES

Podéis visualizar la clase online en este vídeo publicado en Youtube:



Para los alumnos de Tecnología de 4º de ESO, aquí podéis descargar la presentación para preparar el tema. Os servirá para preparar el examen.

Tema2.-Electrónica digital.ppt


Este es el esquema o mapa mental del tema, que también podéis descargar o imprimir
 

La Lógica Digital es la parte de la electrónica que se refiere a la parte matemática, la cual se basa en el Álgebra de Boole. La lógica digital es la base de todos los sistemas de circuitos y de los ordenadores. En lógica digital todo básicamente se basa en dos estados principales: el 0 y el 1, los cuales significan apagado y encendido respectivamente.

1.1. ÁLGEBRAS

Los juegos matemáticos que consisten en elegir un conjunto de números e inventarse una serie de operaciones con ellos se llaman álgebras o estructuras algebraicas. El álgebra es la rama de la matemática que estudia la combinación de elementos de estructuras abstractas acorde a ciertas reglas.



1.2.- ÁLGEBRA DE BOOLE

El álgebra creada por el matemático inglés George Boole (1815-1864) consta únicamente de dos elementos llamados dígitos binarios o bits (del inglés binary digits), el 0 y el 1. Su éxito reside en que:
Podemos asociar los dígitos 0 y 1 con dos estados físicos diferentes: interruptor abierto(0) o cerrado (1). Podemos pasar de decimal a binario fácilmente.



2.- TIPOS DE SEÑALES

Una señal es la variación de una magnitud que permite transmitir información. Las señales pueden ser de dos tipos:
Señales analógicas: aquellas donde la señal puede adquirir infinitos valores entre dos extremos cualesquiera. La variación de la señal forma una gráfica continua. La mayoría de las magnitudes en la naturaleza toman valores continuos, por ejemplo la temperatura. Para pasar de 20 a 25ºC, la temperatura irá tomando los infinitos valores entre 20 y 25ºC.
Ejemplo de señal analógica.


Señales digitales: las cuales pueden adquirir únicamente valores concretos; i.e. no varían de manera continua.
Para nosotros los sistemas digitales que tienen mayor interés, por ser los que se pueden implementar electrónicamente, son los sistemas binarios. Un sistema binario es aquel en el que las señales sólo pueden tomar dos valores, que representaremos de ahora en adelante con los símbolos 0 y 1. Por ejemplo , el estado de una bombilla sólo puede tener dos valores (0 apagada, 1 encendida). A cada valor de una señal digital se le  llama bit y es la unidad mínima de información.


2.1.- Ventajas de los sistemas digitales
  •  El mejor argumento a favor de la mayor flexibilidad de los sistemas digitales se encuentra en los actuales ordenadores o computadoras digitales, basados íntegramente en diseños y circuitos digitales. Las principales ventajas de los sistemas digitales respecto a los analógicos son:
  • Mayor facilidad de diseño, púes las técnicas están bien establecidas.
  • El ruido (fluctuaciones de tensión no deseadas) afecta menos a los datos digitales que a los analógicos), ya que en sistemas digitales sólo hay que distinguir entre valor alto y valor bajo.
  • Las operaciones digitales son mucho más precisas y la transmisión de señales es más fiable porque utilizan un conjunto discreto de valores, fácil de diferenciar entre sí, lo que reduce la probabilidad de cometer errores de interpretación.
  • Almacenamiento de la información menos costoso.


2.2.- Inconvenientes de los sistemas digitales

Los sistemas digitales presentan el inconveniente de que para transmitir una señal analógica debemos hacer un muestreo de la señal, codificarla y posteriormente transmitirla en formato digital y repetir el proceso inverso.
Para conseguir obtener la señal analógica original todos estos pasos deben hacerse muy rápidamente (aunque los sistemas electrónicos digitales actuales trabajan a velocidades lo suficientemente altas como para realizarlo y obtener resultados satisfactorios).


3.- OPERACIONES BINARIAS

  • Los ordenadores y en general todos los sistemas que utilizan electrónica digital utilizan el sistema binario.
  • En la electrónica digital sólo existen dos estados posibles (1 o 0) por lo que interesa utilizar un sistema de numeración en base 2, el sistema binario.Dicho sistema emplea únicamente dos caracteres, 0 y 1.
  • Estos valores reciben el nombre de bits (dígitos binarios). Así, podemos decir que la cantidad 10011 está formada por 5 bits.
  • Los grupos de bits (combinaciones de ceros y unos) se llaman códigos y se emplean para representar números, letras, instrucciones, símbolos.

3.1- Transformación de binario a decimal

    Para pasar de binario a decimal se multiplica cada una de las cifras del número en binario en potencias sucesivas de 2. Numeramos cada dígitos binario empezando por el 0, de derecha a izquierda:

 1^5 + 1^4 + 0^3 + 1^2 + 0^1 + 1^0

Empezando por el primer digito, multiplicamos cada uno por 2 elevado a la correspondiente potencia.



3.2- Transformación de decimal a binario

    El convertir un número decimal al sistema binario es muy sencillo: basta con realizar divisiones sucesivas por 2 hasta que el último cociente sea inferior a 2 y escribir los restos obtenidos en cada división en orden inverso al que han sido obtenidos.

4.- FUNCIONES LÓGICAS

Dentro de los sistemas digitales nos centraremos en el estudio de los llamados sistemas digitales combinacionales, que se definen, como aquellos sistemas en los que las salidas son solamente función de las entradas actuales. Estos sistemas se pueden representar a través de una función digital del tipo F(X) = Y, donde X representa todas las entradas posibles e Y el conjunto de todas las salidas posibles.

5.- PLANTEAMIENTO DIGITAL DE PROBLEMAS TECNOLÓGICOS

1.- Identificar cada elemento de maniobra con una variable.
2.- Identificar cada actuador con una función.
3.- Elaborar la tabla de verdad de los actuadores.
4.- Expresar algebraicamente las funciones lógicas.

Ejemplo: deseamos que un motor M funcione solo cuando están cerrados al mismo tiempo dos interruptores A y B. La solución es conectar los dos interruptores en serie con el motor

Ejercicio: obtener la primera forma canónica de una función (FC1) a partir de la tabla de verdad.

Para resolverlo, solo se tienen en cuenta los valores para los que la función toma el valor "1". A continuación obtenemos la función como suma de los terminos de las variables multiplicados, poniendo A negado cuando el valor de la variable es "0".

6.- CIRCUITOS INTEGRADOS

Los circuitos integrados o microchips son circuitos electrónicos miniaturizados en los que se pueden acumular miles de componentes electrónicos encapsulados, como transistores o diodos. Son dispositivos de proceso porque generan una respuesta eléctrica cuando reciben señales eléctricas.

6.1.- CARACTERÍSTICAS DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS
  • Realizan operaciones lógicas.
  • Tienen patillas que son los terminales de los componentes que los integran.
  • Necesitan ser alimentados para funcionar.
  • Se identifican con un nº y con una muesca.

6.2.- EJEMPLOS DE ALGUNOS CIRCUITOS INTEGRADOS
  • Los reguladores de tensión.
  • El 555 que se usa para realizar temporizadores.
  • Los amplificadores operacionales.
  • Las puertas lógicas que realizan la toma de decisiones en el control de un proceso.

6.3.- EVOLUCIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

    El primer circuito integrado fue desarrollado en el año 1958 por Jack Kilby para la empresa Texas Instruments. Supuso un avance tan importante, que al igual que había sucedido con los inventores del transistor, se le concedió el premio Nobel de Física, en el año 2000.

6.4.- FABRICACIÓN DE CHIPS

El proceso de fabricación de chips es el siguiente:
1.-Diseño del circuito integrado
2.-Proceso fotolitográfico para copiar el diseño en una oblea de silicio
3.-Transferencia de múltiples circuitos sobre la oblea
4.-Corte de los circuitos integrados
5.-Soldadura de los terminales del circuito
6.-Montaje sobre encapsulado de protección

7.- PUERTAS LÓGICAS

    Una puerta lógica, o compuerta lógica, es un dispositivo electrónico con una función booleana. Suman, multiplican, niegan o afirman, incluyen o excluyen según sus propiedades lógicas. Se pueden aplicar a tecnología electrónica, eléctrica, mecánica, hidráulica y neumática. Son circuitos de conmutación integrados en un chip.

    En electrónica digital y en informática, una puerta lógica es un circuito electrónico que realiza una operación lógica sobre uno o varios valores de entrada para producir una salida. Las puertas lógicas se utilizan en la construcción de circuitos digitales y en la programación de computadoras para realizar operaciones lógicas como AND, OR y NOT.

    Cada puerta lógica tiene uno o más valores de entrada y produce un único valor de salida en función de la operación lógica que realiza. Las puertas lógicas pueden ser construidas con transistores, diodos, resistencias y otros componentes electrónicos.

    Las puertas lógicas son la base de la lógica booleana, que es la teoría matemática de la lógica que se utiliza en la informática para realizar operaciones lógicas en los datos. Los circuitos digitales se construyen combinando varias puertas lógicas para crear circuitos más complejos que realizan tareas más avanzadas.


7.1.- Tipos de puertas lógicas
























Si tenéis alguna duda o queréis consultar algo sobre el tema, podéis dejar vuestros comentarios más abajo.

ACTIVIDADES (Los trabajos deben ser enviados por email a mi correo fdiazuc@gmail.com):

1.- Realizar un cuestionario de preguntas sobre el tema. Para ello debeis utilizar el siguientes documento del tema en formato pdf. El trabajo se realizará en word o en OpenOffice Doc y debe tener al menos 20 preguntas.

2.- Realizar un mapa mental del tema con el programa CMapTools o en la web Text2MindMap. Hay que indicar el nombre y apellidos del alumno/a que realiza el trabajo en el propio mapa mental de la siguiente forma para que pueda ser evaluado.



3.- Una batería de ejercicios del tema sobre conversión de binario a digital, conversión de digital a binario, poner en la primera forma canónica una tabla de verdad, etc. Se debe hacer una búsqueda en internet con ejercicios resueltos y crear un documento en formato .doc o .odt con al menos 10 ejercicios. Para ello debéis descargar el siguiente documento:

Ejercicios prácticos del Tema 2.- Electrónica digital del Blog Pelandintecno.



Para ello podéis utilizar el siguiente programa realizado en Java para convertir números en decimal a binario y viceversa.


11.-ACTIVIDADES Y CUESTIONARIOS

Lo ideal es programar en java una aplicación similar para obtener los resultados.
Averigua cual es el mayor número decimal que puede convertir esta aplicación realizando 20 divisiones. Averigua cual es el mayor número binario que se puede convertir en decimal y cuantas cifras tiene. Descarga la aplicación y obtén los resultados de los ejercicios propuestos:

1.-Convierte a binario los números: 16384, 32768, 65536, 131072 y 262144.

2.-Convierte a decimal los números: 101, 1111, 11011, 1010101, 11110000.

Realiza los siguientes cuestionarios interactivos (puntuables) preparatorios para el examen y envíalos a mi e-mail: fdiazuc@gmail.com



Enlace al cuestionario sobre Electrónica digital: https://es.liveworksheets.com/jp1577114tg