¿Qué es la Electrónica Digital?
La electrónica digital es un campo de la electrónica que involucra el estudio de señales digitales para procesar y controlar varios sistemas y subsistemas. Esto contrasta con la electrónica analógica y las señales analógicas.
Los circuitos electrónicos digitales generalmente se componen de grandes conjuntos de puertas lógicas, a menudo empaquetadas en circuitos integrados. Los dispositivos complejos pueden tener representaciones electrónicas simples de funciones lógicas booleanas.
Construcción
Un circuito digital generalmente se construye a partir de pequeños circuitos electrónicos llamados puertas lógicas que se pueden usar para crear lógica combinatoria. Cada puerta lógica está diseñada para realizar una función lógica booleana actuando sobre señales lógicas. Una puerta lógica generalmente se crea mediante uno o más interruptores operados eléctricamente, generalmente transistores, pero los tubos de vacío han tenido un uso histórico. La salida de una puerta lógica puede, a su vez, controlar o alimentar varias puertas lógicas.
Otra forma de circuitos digitales son las tablas de consulta (muchas se venden como "dispositivos lógicos programables", aunque existen otros tipos de PLD). Las tablas de búsqueda pueden realizar las mismas funciones que las máquinas basadas en puertas lógicas, pero se pueden reprogramar fácilmente sin cambiar el cableado. Esto significa que un diseñador a menudo puede corregir errores de diseño sin modificar el enrutamiento de cables. Por lo tanto, en productos de bajo volumen, los dispositivos lógicos programables suelen ser la solución preferida. Por lo general, los diseñan ingenieros que utilizan software de automatización de diseño electrónico.
Los circuitos integrados constan de varios transistores en un chip de silicio y son la forma más económica de crear una gran cantidad de puertas lógicas interconectadas. Los circuitos integrados suelen estar interconectados en una placa de circuito impreso, que es una placa que contiene componentes eléctricos y los conecta con trazas de cobre.
Diseño
Los ingenieros utilizan muchos métodos para minimizar la redundancia lógica y reducir la complejidad del circuito. La complejidad reducida reduce la cantidad de componentes y errores potenciales y, por lo tanto, generalmente los costos. La redundancia lógica se puede eliminar mediante varias técnicas bien conocidas, como los diagramas de decisión binarios, el álgebra booleana, los mapas de Karnaugh, el algoritmo de Quine-McCluskey y el cálculo heurístico. Estas operaciones generalmente se realizan en un sistema de diseño asistido por computadora.
Los sistemas integrados con microcontroladores y controladores lógicos programables se utilizan a menudo para implementar lógica digital para sistemas complejos que no requieren un rendimiento óptimo. Estos sistemas suelen ser programados por ingenieros de software o electricistas, utilizando lenguaje de contacto.
Representación
Las representaciones son esenciales para el diseño de circuitos digitales de un ingeniero. Para elegir representaciones, los ingenieros consideran los tipos de sistemas digitales.
La forma clásica de representar un circuito digital es con un conjunto equivalente de puertas lógicas. Cada símbolo lógico se representa de manera diferente. El conjunto actual de formas se introdujo en 1984 de acuerdo con IEEE/ANSI 91-1984 y ahora lo usan comúnmente los fabricantes de circuitos integrados. Otra forma es construir un sistema equivalente de interruptores electrónicos (generalmente transistores). Esto se puede representar mediante una tabla de verdad.
La mayoría de los sistemas numéricos se dividen en sistemas combinacionales y secuenciales. Un sistema combinatorio siempre tiene la misma salida cuando se proporcionan las mismas entradas. Un sistema secuencial es un sistema combinatorio con algunas de las salidas devueltas como entradas. Esto hace que la máquina digital realice una secuencia de operaciones. Probablemente, el sistema secuencial más simple es un flip-flop, un mecanismo que representa un dígito binario o "bit". Los sistemas secuenciales a menudo se diseñan como máquinas de estado. De esta forma, los ingenieros pueden diseñar el comportamiento bruto de un sistema e incluso probarlo en una simulación, sin tener en cuenta todos los detalles de las funciones lógicas.
Para la simulación lógica, las representaciones de circuitos digitales tienen formatos de archivos digitales que pueden ser procesados por programas de computadora.
Ventajas de la electrónica digital.
- Los circuitos electrónicos digitales son relativamente fáciles de diseñar.
- Tiene mayor precisión, programabilidad.
- Las señales transmitidas no se degradan a largas distancias.
- Las señales digitales se pueden almacenar fácilmente.
- La electrónica digital es relativamente más inmune a los "errores" y al "ruido". Pero en el caso de diseños de alta velocidad, un poco de ruido puede inducir un error en la señal.
- Se pueden construir varios circuitos digitales en chips integrados; esto nos ayuda a obtener sistemas complejos en pequeñas dimensiones.
- El voltaje en cualquier punto de un circuito digital puede ser alto o bajo; por lo tanto, hay menos riesgo de confusión.
- Los circuitos digitales tienen mayor flexibilidad; podemos modificar la funcionalidad de los circuitos digitales haciendo cambios en el software en lugar de modificar el circuito real.
- Los circuitos digitales son más confiables porque su salida es invariable con el tiempo, mientras que en los circuitos analógicos la salida cambia a medida que cambia el entorno.
- La velocidad de transmisión es mayor con un ancho de banda más amplio. Es más seguro.
Desventajas de la electrónica digital.
- Los circuitos digitales solo funcionan con señales digitales, por lo que se requieren codificadores y decodificadores para el proceso. Esto aumenta el costo del equipo.
- El consumo de energía en un circuito digital es mayor que en un circuito analógico para el mismo cómputo o procesamiento de señal.
- La producción de calor se debe principalmente al mayor consumo de energía.
- Para circuitos pequeños, los circuitos digitales son relativamente caros.
- El mundo real es de naturaleza analógica, es decir, todas las cantidades como luz, temperatura, sonido, etc. Para los sistemas digitales, es necesario traducir una señal continua en una señal discreta, lo que conduce a pequeños errores de cuantificación. Para reducir los errores de cuantificación, se debe almacenar una gran cantidad de datos en el circuito digital.
- La portabilidad de los circuitos digitales es difícil.
La importancia de la electrónica digital
Hay diferentes campos de la ingeniería eléctrica dentro del campo de la informática y la ingeniería. Esto requiere la necesidad de crear un marco de fotos digital. Los ingenieros informáticos tienen una amplia formación en electrónica, diseño de software e integración de hardware y software, en lugar de electricidad. El alcance de este curso es enorme, ya que incluye el diseño de microcontroladores, microprocesadores, computadoras personales y supercomputadoras.
El campo de la electrónica digital utiliza la integración a muy gran escala (VLSI) que ha reducido el tamaño y el área total de las placas de circuito impreso. Esto mejora la precisión y el rendimiento del sistema. Para fines de comunicación, los sistemas digitales tienen una ventaja significativa en el cifrado de datos. La transmisión de datos permanece segura y protegida. Estos son los factores dominantes que indican la importancia del flujo electrónico digital. También tienen una gran proyección para el futuro.
Aplicaciones de la Electrónica Digital
Casi todos los dispositivos que usamos a diario utilizan electrónica digital en alguna medida. La electrónica digital simplemente se refiere a cualquier tipo de circuito que utiliza señales digitales en lugar de analógicas.
Se construye utilizando circuitos llamados puertas lógicas, cada una de las cuales realiza una función diferente. El circuito usará varios componentes que son todos estándar pero se juntan en diferentes combinaciones para lograr el resultado deseado.
El circuito también incluirá resistencias y diodos, que se utilizan para controlar la corriente y el voltaje.
Muchos de nuestros electrodomésticos usan electrónica digital. Desde portátiles, televisores, mandos a distancia, calculadoras digitales, smartphones y otros sistemas de entretenimiento, hasta electrodomésticos de cocina como lavavajillas y lavadoras.
Las computadoras son uno de los ejemplos más complejos y usan muchos circuitos complejos. Puede haber millones de formas en el circuito, dependiendo de la complejidad de la computadora y sus funciones.