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Lección 1

Electrónica Digital - Las Señales  

El motivo de estas lecciones no pretende sentar las bases de los conocimientos sobre electrónica digital. No obstante, si pueden aclarar algunos conceptos puntuales, que por cualquier motivo no se hayan retenido en su momento, si todo este trabajo lograra hacer entender un sólo concepto en alguno de los visitantes, ya me daría por satisfecho. De todos modos, GRACIAS, por anticipado.

Doy por sentado que el lector tiene conocimientos básicos, sobre electrónica o ha leído algún tratado que le ha hecho tomar la decisión de aclararle los conceptos de la electrónica o bien ha leído algún libro sobre el tema y quiere aprender algún concepto que no le quedó claro. En cualquier caso, este puede ser el momento de aprender un poco sobre la electrónica. 

En electrónica, una puerta es un dispositivo especial que generalmente dispone de al menos una entrada y una salida, dicho de otra forma, en general, se puede considerar que una puerta es una 'caja negra' que en un lateral tiene unos cables de entrada y por la otra cara de enfrente hay un único cable de salida. Lo que ocurre dentro de la 'caja negra' lo que realmente nos interesa en este momento, lo que nos importa de la caja es la operación que realiza entre las tensiones que se suministren a las entradas y la tensión que presenta a la salida, esto es lo que importa verdaderamente. Es irrelevante desde este punto de vista, el modo electrónico en que lo realiza, al menos por el momento.

Por lo tanto, es el momento de saber que se disponen de cuatro operaciones básicas que son: OR, AND, NAND y NOR (como en álgebra; suma, producto, resta y división) además está la INV (inversión que es un caso especial). En esta parte, vamos a repasar cómo se comportan las puertas OR, AND, INV, NAND y NOR, para luego comprender cómo lo hace una puerta Trigger-Schmitt (Disparador).

Siempre se presentarán sistemas de puertas de dos entradas, salvo que por necesidad se cambie este punto, en cuyo caso se especificará. Otro punto a aclarar es que, no es demasiado relevante la cantidad tensión en un punto del circuito, sino, el nivel de la tensión del punto respecto de masa. Por cierto, cuando hablemos de tensión de alimentación (+Vcc) o tensión de nivel alto (H) nos referiremos al nivel de tensión entre ese punto y el negativo de la tensión (-Vdd) o GND (del inglés, ground), que se considera nivel bajo (L). Por tanto, se desprende que hay dos niveles y sólo dos, nivel alto (H) hay tensión y nivel bajo (L) no hay tensión.

Una puerta AND de 2 entradas y una salida, en su tabla de verdad, establece que siempre que una entrada esté a 0, la salida también lo estará. O sea, que ambas entradas deben estar a nivel alto 1 (H) para que la salida también esté a nivel alto H, en la tabla de verdad A y B son (nombres) las variables de entrada y S es la salida, ver la tabla que sigue.
AND
A B S
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

En el caso de una puerta OR (O) de 2 entradas, en su tabla de verdad se establece que, la salida se encontrará a nivel alto H, cuando al menos una de sus entradas esté a nivel alto H, ver la tabla que sigue.
OR
A B S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

El caso especial de una puerta inversora INV (NO), sólo dispone de una entrada y una salida y su tabla de verdad establece, que su salida siempre será el complemento del nivel de la entrada, de ahí que algunos le llamen puerta complementaria o negada, es decir, un nivel alto H en la entrada dará un nivel bajo L en la salida, ver la tabla que sigue.
INV
A S
0 1
1 0

Vistas estas puertas, podemos imaginar la inclusión de un inversor en cada una de las entradas de una puerta, esto produce lo que se llama una puerta con lógica negativa, existen dispositivos lógicos con representación lógica positiva y otros con lógica negativa, en la lógica negativa el "1" es representado por el valor eléctrico más negativo 0 V y el "0" por el más positivo +5 V. De ahí la necesidad de saber la lógica con la que trabaja un circuito para interpretar sus resultados.

Tanto en la lógica negativa como en la lógica positiva, las tablas de verdad de cada uno de las puertas, da como resultado la misma salida. En cuanto al comportamiento electrónico es el mismo, solo cambia el modo de interpretar el álgebra de Boole, pero no vamos a entrar en este tema para no generar más confusión al estudiante.

Bien, dicho lo anterior, se entiende que al aplicarse un inversor en cada entrada de una puerta AND, ésta en su conjunto independientemente de la lógica, se convierte en lo que se conoce como una puerta NAND (negada AND), y su tabla de verdad así lo demuestra, compárense ambas tablas AND y NAND y se apreciará que ambas salidas son complementarias entre sí, ver la tabla que sigue.
NAND
A B S
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0

Un inversor en cada entrada de una puerta OR, en su conjunto independientemente de la lógica, se convierte en lo que se conoce como una puerta NOR (negada OR) y su tabla de verdad así lo demuestra, compárense ambas tablas OR y NOR y se apreciará que ambas salidas son complementarias entre sí, ver la tabla que sigue.
NOR
A B S
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0

Un paso más, cuando a una puerta OR se conecta su salida S a una de sus entradas A, qué ocurre. Al aplicar un 1 a la entrada libre B, la salida pasa a 1 que, lo realimenta por la mencionada entrada A, permaneciendo así hasta cortar el suministro de energía que lo mantiene, esto es la realimentación, un comportamiento como una memoria de 1 solo bit.

Existen unas puertas especiales, las cuales disponen de tres estados (puertas triestado), en ese caso el tercer estado es de alta impedancia (Z), de algún modo no tiene referencia de tensión respecto al +Vcc ni a masa. Cuando la salida de una puerta, no se conoce de antemano que estado intervendrá, la salida de esta puerta se pone en alta impedancia Z hasta cumplir las condiciones adecuadas y de esta forma, se evita dañar la puerta, este es el motivo básicamente.

La puerta Trigger-schmitt, es un caso especial, se comporta de forma lógica como una puerta NAND, pero el circuito que la constituye, además recorta la señal y la escuadra, de manera que su salida es realmente cuadrada, utilizándose esencialmente para este cometido. Véase la figura 1.

fig101.gif
figura 1

Obsérvese que, el pulso a la salida Q es ligeramente más largo que los rebotes del interruptor I, así debe ser, para lo cual se adecuará el valor del condensador C, esta puerta la estudiaremos con más detalle mas adelante.

En esencia estas son las puertas y sus tablas de verdad, es lo que hay que saber sobre ellas, por ese motivo no era esencial saber cómo funcionan internamente, ahora bien, no se debe olvidar que las tensiones que se aplicarán a las entradas está en función de la tensión de trabajo que viene determinada por el tipo de tecnología a la que pertenece y en función de la tecnología también dependerá la carga que se puede aplicar a la salida de una puerta que, por lo general es muy baja, estamos hablando de unos pocos miliamperios. Para más detalles es conveniente acudir a las características específicas de cada fabricante.

Al combinar distintas puertas entre sí, podemos obtener distintas soluciones a problemas planteados por las necesidades de aplicación en nuestros circuitos y aquí es donde entra a trabajar la iniciativa o ingenio de cada individuo, obteniendo resultados inverosímiles de simples en algunos casos. Una de las primeras combinaciones que se nos presenta poner en practica es realizar un dispositivo que cambie su estado de salida con un pulso en su entrada y permanezca en él mientras no le apliquemos un nuevo impulso en la entrada, se trata de una báscula.

Ahora, repasemos el caso de la báscula, así llamada por sus dos entradas de RS (Reset y Set). Dispone también de dos salidas que son complementarias entre sí, Q y Q negada. Su salida Q estará a 1, al alimentarla y funciona así:

  • 1. - Al aplicar un 1 en su entrada R, la salida Q pasa a 0 y permanece así, aunque se aplique un nuevo 1 en la misma entrada R, el estado de la salida Q, continua a 0 y la salida complementaria Q en 1.

  • 2. - Al aplicar un 1 en la entrada S, la salida Q pasa de nuevo a 1, con el primer impulso y permanece a 1, hasta repetir el paso anterior.

Se comporta como una memoria guardando un 1 (dato) de forma permanente. Es decir, al aplicarle un impulso en su entrada Set (puesta a 1), su salida Q pasa a estado alto 1. Si volvemos a aplicar otro impulso en la misma entrada S, nada cambia, si queremos que cambie su estado, se deberá aplicar un nuevo impulso, esta vez, en la otra entrada Reset o Puesta A Cero. 

Una vez establecido el estado inicial, en las entradas set S y reset R, conectaremos sendas resistencias a masa y además conectar un conmutador entre las entradas y la alimentación al común, de modo que desde él podamos introducir cambios sucesivos en las entradas y por consiguiente obtener una salida que cambie su nivel a nuestra voluntad. Este tema de las básculas, por su complejidad lo veremos con mayor profundidad en otra parte.

En electrónica digital es una práctica habitual, tanto en el plano teórico como en el práctico que, todo tipo de señales con las que se trata, son consideradas señales digitales (perfectamente cuadradas), y se da por sentado o por lo menos no se menciona que, están exentas de rebotes y aquí reside el primer y quizás el mayor problema para un principiante. No considerar los efectos de los rebotes.

Nunca des por sentado que, la señal que necesitas está exenta de rebotes. ¡ASEGÚRATE!

Ya que ésta es, como todos debemos saber, la principal fuente de fallos o errores. Si no te aseguras que no hay rebotes, corres el riesgo de no saber si el resultado es el esperado. Por lo tanto:

  • - Asegúrate que la señal está bien generada. Y que un pulso, es uno y no una sucesión de pulsos (un tren de impulsos).

  • - Comprueba siempre el tipo de lógica que sigue el circuito. Estudia el modo en que trabaja una puerta, para ver si se trata de lógica positiva o negativa.

En principio y solo en principio, un circuito electrónico creado mediante circuitos integrados (IC) estándar, bien sea de la familia TTL o CMOS, suele emplearse en su diseño la lógica positiva.

Aunque es frecuente encontrar lo que se llama lógica mixta, también llamada funcional, que utiliza la lógica positiva y la negativa. Mediante este método, se pueden simplificar los circuitos.

Cuando se trata de un circuito en el que esté incorporado un IC de LSI (larga escala de integración), en el que talvez lleve un microcontrolador, se puede decir que, sus E/S y de BUS, se han de realimentar, es decir, tienen que conectarse a positivo (+Vcc) a través de sendas resistencias (su valor depende de la alimentación +Vcc, para 5Vcc, sobre 4k7 ohmios) véase la fig. 2, de manera que puedan ser excitadas a su nivel, con la señal que introduzcamos o las puertas que les siguen. La razón para usar este tipo de realimentación es que, al poner a positivo las E/S, se evitan en parte los parásitos electrónicos.

fig102.gif
Figura 2

Si sigues estos consejos, estarás en el buen camino. 

A continuación, veremos cómo podemos generar un impulso sin rebotes.

De todos es conocido que, al cerrar un interruptor, se produce un rebote mecánico de sus contactos que no se puede evitar y consecuentemente, estos saltos son lo que producen más de un cierre del circuito, (esto que en electricidad, tiene una importancia relativa, cuando se trata de electrónica digital, es un problema muy grave), lo que queríamos era un único pulso, o sea que ha aparecido el rebote, produciendo un número indeterminado de pulsos, que serán considerados como datos a tratar.

Imaginemos que pretendemos aumentar el contador de tantos de un marcador, en un punto y el pulsador no está protegido contra los rebotes, es fácil suponer que, no sería posible añadir un único tanto al mencionado marcador, con las consecuencias que acarreará tal efecto.  En la siguiente figura, se aprecia lo expuesto.

fig103.gif
figura 3

En la figura 3, la señal de la derecha del interruptor, muestra lo que 'realmente' presenta el pulsador (I) a su salida, se puede apreciar que en realidad, se producen una serie de picos que el sistema interpretará como otras tantas señales individuales y esto, no es lo que deseamos.

En la misma figura, se representa una caja con una entrada de Datos y una salida Q, la cual representa el circuito que evita los rebotes. A su derecha la señal (O), como se aprecia, en ella existe un primer estado bajo L (pulsador en reposo) - seguido de un estado alto H (pulsador activo) - para terminar con otro estado bajo L (pulsador en reposo), formando así el conjunto un pulso. Justo lo que deseábamos, un único pulso.


ESQUEMA DEL CIRCUITO ANTIRREBOTE.

Veamos el esquema que podemos usar para proteger un pulsador del efecto rebote o sea, el circuito antirrebote. En electrónica existen una diversidad de formas de lograr un mismo resultado y todos son buenos, en otras palabras, siempre que el resultado sea el correcto, no importan los medios utilizados.

Por razones de peso, se debe considerar como mejor circuito, aquel que, utilizando un mínimo de componentes, de un resultado considerado excelente. En principio se presenta un circuito en la figura 4, que utiliza un interruptor I, una puerta lógica G (Trigger-Schmitt, 74LS13, CD4093) junto con un condensador electrolítico C cuyo valor se puede aumentar o reducir (1 uF/63V) y un par de resistencias R de 1k.


figura 4

Al utilizar este circuito, nos vemos obligados a considerar una red con la constante de tiempo del condensador C con una de las R y el disparador Schmitt G, para evitar los transitorios parásitos.

El esquema que se ve en la figura 4, en esencia esta basado en la constante de tiempo de carga/descarga formada por el condensador C con la resistencia R que lo alimenta, cuya respuesta es escuadrada mediante la puerta disparador Schmitt G.

ANÁLISIS:

Al cerrar I, el condensador C, se descargará a través de R (línea a trazos D), hasta la tensión de basculamiento 0,9V para TTL y su salida S, pasará a nivel alto (H). No obstante, cuando se abra I, el condensador se cargará de nuevo y cuando su tensión alcance los 1,7V la salida S, basculará a nivel bajo L.

Debido a las características del esquema, los rebotes de los contactos mecánicos, no tendrán efecto en la señal de entrada en G ya que cuando éstos se producen, el condensador se está cargando o en el otro caso se está descargando (como ya se vio en la parte 1), con lo que los rebotes serán absorbidos por el condensador.

La capacidad del condensador se podrá aumentar, en función del número de rebotes mecánicos del interruptor. Aunque, no es conveniente que sea muy alto, el efecto de histéresis, puede retrasar demasiado la carga y no podría generar un posterior impulso a tiempo. Normalmente su valor puede estar entre 0,020uf y 1uf o poco más

Un paso más

En el apartado anterior, vimos cómo evitar los rebotes de un interruptor, un buen procedimiento, si señor; cuando se trata de un interruptor, el cual se caracteriza por que permanece estático en una posición, hasta que decidimos cambiar la misma. El circuito, es bastante estable, pero su aplicación no se utiliza muy a menudo debido a que, no puede generar impulsos muy rápidos y a que cambia de estado con solo cambiar el estado del interruptor I.

Si lo que queremos es un sistema más seguro, es decir, que aunque se repita la operación de activarlo, éste no cambie. Hemos de pensar en otro esquema que se base en una especie de memoria.

El sistema que se ajusta a las exigencias especificadas, puede ser la báscula RS, la cual está compuesta por dos puertas realimentadas, NAND, aunque la estudiaremos con puertas NOR según se aprecia en la figura 5, así como su tabla de la verdad.

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Figura 5

Como ya se vio, el comportamiento de una puerta NOR realimentada, se puede considerar una célula de memoria, la cual una vez en estado alto H no pasa a nivel bajo L, mientras no se aplique una señal de puesta a cero PAC (Reset). De esta manera, se logra una alta seguridad, cuando se utiliza un conmutador, el circuito, es mucho más estable que en el anterior caso de la figura 5.

Ahora veamos el diagrama de tiempos.

fig106.gif
figura 6

Sin embargo, existe un estado de indeterminación según se aprecia en la tabla y sería conveniente disponer de un tipo de báscula que nos asegurara la no indeterminación. La solución pasa por disponer un inversor entre las entradas R y S, esto hará que estas entradas estén en oposición entre sí, evitando el estado de indeterminación. Se puede intercalar un inversor entre las dos entradas, de modo que no tengamos el estado de indeterminación.

Pero así, tendríamos una sola entrada de datos D, necesitando nuevas entradas en la báscula, para ponerla a 1 (Preset) y de borrado (Clear) para ponerla a 0, además de, una entrada de reloj (CLK).

En la figura 7, podemos apreciar todas estas entradas y las salidas Q y su complemento, los puntos P en el diagrama, indican que la salida Q sigue a la entrada D, mientras la señal de CLK esté alta. Además se puede apreciar un elemento nuevo, el Flanco de subida de la señal de reloj, que en las básculas establece el momento de intercambio del dato de entrada en D a la salida Q. En la figura se representa un IC 74LS74 o similar.

fig107.gif
figura 7

La diferencia entre el flip-flop D y la báscula D, está relacionado con la forma de utilizar la señal de reloj. Según se dijo, el estado de salida de la báscula aparece, sólo en el instante en que la señal de reloj pasa del nivel lógico bajo L al nivel alto H, y en ningún otro caso. Es decir con el flanco ascendente del reloj, tal como se aprecia en el diagrama de tiempos en la figura 7.

Es decir, la transición de un dato en la entrada D, a la salida Q, en las básculas D, se produce con el flanco de subida o flanco activo y en un Flip-Flop D, ocurre con el flanco de bajada o flanco de disparo. Esta es, en esencia la más importante diferencia.

Por lo tanto, para evitar las interferencias o rebotes, se optará por usar el sistema más adecuado para cada caso y sobre todo, dependerá del IC que tengamos disponible en ese momento o en todo caso, utilizar las puertas que nos "sobren" en el circuito electrónico general, cosa que es bastante usual. Lo que ahorrará espacio y dará más rendimiento a nuestro trabajo. Este tema de las básculas, por su complejidad lo veremos con mayor profundidad en otro tutorial.

En la anterior parte, estudiamos las diferentes opciones que podemos tomar, a la hora de ejecutar un diseño que nos permita entrar datos de forma manual, en un sistema digital. Ahora, se trata de su aplicación más concreta.

En ciertos casos, podemos elegir el IC más adecuado para una aplicación, cada situación y la experiencia, nos dirá cual es la más aconsejable o adecuada en ese momento.

En el caso de tener que aplicar un impulso de conteo en un sistema de control de personas que entran en un establecimiento, se tiene que generar con un nuevo circuito. Podemos emplear un simple interruptor junto a la puerta de entrada y cada vez que se activa, nos enviará una señal que nos dará el impulso que iluminará una lámpara o para contar el número de personas que entran durante un período de tiempo.

Esta es una posibilidad, podríamos utilizar una célula fotoeléctrica que tendría una mayor fiabilidad, para que nos proporcione dicha señal que igualmente debemos acondicionar, no obstante, si no disponemos de la mencionada fotocélula y sí el interruptor, usaremos el esquema de la figura 4.  Para utilizar la fotocélula, deberemos cuidar que la luz ambiente no interfiera con la fotocélula, para ello, instalaremos la misma dentro de un tubo para que no nos cree problemas

En la figura 4b, se presenta el esquema con la fotocélula, así pues, cuando F se encuentra iluminada, ésta ofrece una baja resistencia al paso de la corriente y por lo tanto en la entrada de la puerta G habrá un nivel lógico 1, lo que nos presentará un nivel lógico 0 de salida, porque la puerta, es inversora. Cuando un objeto o persona corta el haz de luz que ha de incidir en la fotocélula F, ésta ofrece un alto valor de resistencia al paso de la corriente y por lo tanto, no hay paso y se descarga el condensador C, lo que asegura que por un instante no haya ninguna tensión a la entrada de la puerta G que en ese momento tendrá un nivel lógico 0 y como consecuencia de esto, nos proporcionará un impulso de salida de nivel lógico 1 de duración proporcional al tiempo de cruce ante el mencionado haz de luz. Se debe utilizar un condensador C de poca capacidad (de 47 a 100nf) para permitir una carga rápida. 

fig104.giffig104b.gif
Fig. 4                                                                 Fig. 4b

El siguiente paso, consiste en hacer que, todos los impulsos tengan el mismo ancho, sea cual sea el tiempo de corte. Para lo cual, es conveniente hacer que dichos impulsos sean cortos independientemente del objeto que pase frente a la fotocélula, mediante la intervención de una báscula. 

El oscilador digital.

Cuando usamos un equipo electrónico podemos asegurar que en el noventa por cien de las ocasiones estamos usando un oscilador, el cual realiza la función más importante en el equipo, es 'su corazón', sin el cual nada puede cambiar. Esta es una entrada al tema como otra cualquiera, el caso es entrar.

Sin entrar en demasiados detalles, para producir una oscilación mediante un dispositivo digital, necesitamos usar un par de puertas inversoras, conectadas en cascada, de modo que lo que una invierte la siguiente lo vuelva a invertir, añadiendo un desfase entre ambas por la acción de un condensador y realimentando esta señal al primer inversor, obtenemos un oscilador sencillo.

En esencia un oscilador se produce mediante un inversor realimentado, esto siendo cierto no es todo, hay que tener en cuenta otros factores que intervienen en un oscilador, ya que para que tenga utilidad necesitamos tener algún control sobre el oscilador, esto hace que intervengan más elementos en el oscilador como veremos a continuación.

Para no entrar en demasiados detalles vamos a utilizar una puerta del tipo triger-schmitt, lo que nos proporcionará una estabilidad y oscilación mejor. Usaremos una puerta del 4093B, como sabemos este CI dispone de cuatro puertas NAND de este tipo, las patillas 1 y 2 son las entradas y la patilla 3 es la salida de la primera puerta. A esta puerta asociaremos un condensador de baja capacidad (empezaremos por uno de 1uf/25V) para producir un oscilador de muy baja frecuencia, además usaremos una resistencia de 47k y un potenciómetro ajustable de 47k y todo lo montaremos según la figura siguiente:

Este es un sencillo oscilador (en el artículo Lección5 y la practica 3 de electrónica digital, esta más desarrollado este tema) y será suficiente para indicar que las oscilaciones de la salida se verán afectadas por la carga, para evitar este efecto, es conveniente usar una segunda puerta como inversor para separar la carga y conseguir una mayor estabilidad del oscilador. La frecuencia que se obtiene en un oscilador, en algunas ocasiones se tiene que dividir si es demasiado alta y finalmente una frecuencia concreta es la que se usa en un equipo electrónico para que mediante distintos dispositivos podamos modificar su punto de funcionamiento.

Un sencillo Teclado.

Cualquier teclado sencillo, esta compuesto por sendos pulsadores montados en un bastidor para formar un grupo compacto y robusto. Por el tipo de contacto, se supone que generará los temidos rebotes de las piezas mecánicas que lo constituye y, es aquí donde reside el problema que vamos a abordar.

Crearemos un circuito que elimine los parásitos que suele generar el rebote mecánico de los elementos utilizados en general. El circuito integrado que vamos a utilizar, pertenece a la familia CMOS, por comodidad ya que no exige demasiada exactitud en la tensión de alimentación, cualquier fuente de alimentación de doble onda, de una tensión entre 6 Vcc y 12 Vcc, nos servirá.

El esquema del teclado presenta un CD40174B, un dispositivo formado por 6 básculas o flip-flop D, con reloj común y aclarado común. El equivalente en TTL es el 74LS174.

CD40174.gif
Fig. 8

El esquema al que nos referimos, es muy simple ya que se trata de utilizar cada una de las 6 entradas D del circuito para gobernar el contacto de un pulsador, obteniendo en la salida Qn correspondiente su señal exenta de parásitos, para lo cual, aprovecharemos la señal de reloj del sistema al cual se conectará el teclado. En el eventual caso, de no disponer de señal de reloj CL, deberá realizarse un sencillo oscilador con un inversor una resistencia de 4k7 ohmios y un condensador de 1uf/63V, de baja frecuencia (sobre 50 ciclos), lo cual debe ser suficiente.

En el esquema siguiente la señal de reloj se ha conseguido mediante un oscilador realizado con un UA555 y unos pocos componentes, los valores de la resistencia R3 y C1 se han escogido con estos valores de 100k para lograr un pulso de salida simétrica.

esquema del teclado antirebote de 6 teclas
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Fig. 9

Y ya tenemos realizado el pequeño teclado. En un próximo tutorial abordaremos un teclado más complejo. Por ahora solo era un esbozo para su descripción.

 

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   Creado: Ago. 21, 2000
Revisado: 16/02/2006