3. Electrónica Digital:
Introducción a la
Lógica Digital
Teoría, Problemas y Simulación
Santiago Acha Alegre (Coordinador)
Julio Pérez Martínez (Coordinador)
Manuel-Alonso Castro Gil (Coordinador)
Miguel Ángel Rioseras Gómez (Coordinador)
Adolfo Hilario Caballero
Rafael Sebastián Fernández
África López-Rey García-Rojas
Francisco Mur Pérez
Fernando Yeves Gutiérrez
Juan Peire Arroba
6. A mi esposa Mª Ángeles e hijos Santi y Pablo,
que juntos buscamos aventuras y
recordamos momentos de felicidad.
Santiago
A mis padres, Manuel y Aurora,
por su constante apoyo y entrega de cariño.
Un recuerdo muy especial a la memoria de mi padre,
por su alto valor humano como persona y como padre.
Julio
A los alumnos de la UNED, Universidad de Burgos y Escuela Politécnica
Superior de Alcoy, y en especial a José Luis Beatobe, Rosa María
Calleja, Jesús Castellano, Santiago Monteso, Antonio Nevado, Enrique
Téllez y José Antonio Vernia.
Y a los profesores del DIEEC de la UNED por sus aportaciones.
Los autores
7. AUTORES
La presente obra ha sido desarrollada por un equipo de profesores y colaboradores del
Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Control de la Escuela Técnica Superior
de Ingenieros Industriales de la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED),
(http://www.ieec.uned.es/).
Santiago Acha Alegre
Ingeniero Industrial por la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la
UNED, especialidad Electrónica y Automática e Ingeniero Técnico en Electricidad por la
Escuela Universitaria Politécnica de Valladolid, especialidad Electrónica Industrial. Ha
obtenido el Premio a los mejores Materiales Didácticos en Ciencias Experimentales del
Consejo Social de la UNED en 1999.
Actualmente es Profesor Titular del Departamento de Electricidad y Electrónica en el I.E.S.
Simón de Colonia de Burgos y Profesor Asociado en el Área de Tecnología Electrónica en el
Departamento de Ingeniería Electromecánica de la Escuela Politécnica Superior de la
Universidad de Burgos.
Julio Pérez Martínez
Ingeniero Industrial por la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la
UNED, especialidad Electrónica y Automática e Ingeniero Técnico Industrial por la Escuela
Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de la Universidad de León, especialidad
Electricidad, intensificación Electrónica, Regulación y Automatismos. Está realizando el
Doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Control de la ETSII de
13. ÍNDICE
PRÓLOGO..................................................................................... XXI
INTRODUCCIÓN......................................................................... XXIII
LISTA DE TABLAS....................................................................XXVII
SIMBOLOGÍA Y NOMENCLATURA...........................................XXXI
PROGRAMAS UTILIZADOS......................................................XXXV
CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS GENERALES DE LA
ELECTRÓNICA DIGITAL ........................................ 1
1.1 Sistemas analógicos y digitales................................................................................. 2
1.2 Representación de la información ........................................................................... 7
1.2.1 Sistemas de numeración ..................................................................................... 7
1.2.1.1 Elección del sistema de numeración.......................................................... 9
1.2.1.2 Consideraciones importantes sobre sistemas polinomiales ..................... 11
1.2.1.3 Conversión entre bases ............................................................................ 13
1.2.1.4 Sistema binario ........................................................................................ 21
1.2.1.5 Sistema octal............................................................................................ 25
20. PRÓLOGO
La Electrónica es una disciplina que desde sus orígenes a comienzos del siglo XX
ha sufrido un avance espectacular, más aún desde la aparición de los semiconductores
a finales de los años cuarenta, principio de los cincuenta.
Este avance se caracteriza por una evolución constante de la tecnología de
componentes y dispositivos electrónicos, que ha permitido un aumento extraordinario
de la complejidad de los circuitos. La complejidad tiene a su vez un gran impacto en
los métodos y procedimientos de diseño, no siendo posible diseñar circuitos mediante
la simple interconexión de bloques funcionales conocidos, o mediante la prueba y
error en el montaje de un prototipo, según se van aumentando las funcionalidades y
características de los circuitos. Este hecho se manifiesta claramente en la Electrónica
Digital.
Hoy la simulación de circuitos se ha convertido en un paso obligado en cualquier
metodología de diseño por las innumerables ventajas que comporta su utilización. Los
simuladores han evolucionado muy rápidamente, junto a los modelos de componentes
de todo tipo, lo que unido a la evolución de los ordenadores sobre los que funcionan
estos programas, han convertido la simulación en una herramienta muy eficaz y por lo
tanto imprescindible.
Este libro aborda el estudio de la Electrónica Digital integrando en su metodología
de trabajo la utilización sistemática de las herramientas de simulación. Cualquier libro
de Electrónica moderno debe abordarse desde esta perspectiva, aprovechando las
22. INTRODUCCIÓN
Cuando se comenzó la realización de la presente obra, el objetivo era abarcar
dentro de la misma la mayor parte de los contenidos de la Electrónica Digital,
comenzando por el estudio de los aspectos que sientan la base de esta disciplina, y
finalizando con la descripción de la lógica digital integrada, habiendo pasado, en todo
este gran salto, por la descripción de los distintos componentes que forman parte de
este campo. Observando la gran extensión que constituía este ambicioso proyecto, se
decidió desarrollar dos tomos, que sean a la vez complementarios en su contenido e
independientes en su estudio, en función de los conocimientos y del interés que tenga
cada lector, en centrarse más en el primero, en el segundo o en ambos.
Así, el resultado final de la obra son dos libros: “Electrónica Digital. Introducción a
la Lógica Digital. Teoría, Problemas y Simulación” y “Electrónica Digital. Lógica
Digital Integrada. Teoría, Problemas y Simulación”. El primero de ellos, es la presente
obra, tiene un carácter más analítico y de introducción a los fundamentos de diseño,
mientras que el segundo está más orientado a la síntesis e implementación de sistemas
electrónicos.
Centrándose en este primer tomo, el objetivo que se persigue en el mismo es dotar
al lector de una forma distinta de acercarse al mundo de la Electrónica Digital, ya que
en él se muestran los aspectos teóricos propios de la Electrónica Digital, pero tratados
de una forma práctica, basándose en el uso de las herramientas y aplicaciones
informáticas de simulación más utilizadas en el mundo profesional.
En este primer libro, se pretende que el lector adquiera los conocimientos teóricos
propios de un curso de Introducción a la Lógica Digital Integrada a la vez que se
26. LISTA DE TABLAS
Tabla 1.1. Ejemplos de sistemas de numeración.......................................................................... 7
Tabla 1.2. Proceso de conversión de base 10 a base b2 en parte entera de un número.............. 14
Tabla 1.3. Conversión del número 324(10 de decimal a binario................................................ 15
Tabla 1.4. Proceso de conversión de base 10 a base b2 en parte fraccionaria de un número .... 18
Tabla 1.5. Conversión del número 0,375(10 de decimal a binario............................................. 18
Tabla 1.6. Números binarios de 4 bits........................................................................................ 24
Tabla 1.7. Números octales y su relación con decimales y binarios .......................................... 25
Tabla 1.8. Números hexadecimales y su relación con decimales y binarios.............................. 27
Tabla 1.9. Representación de números binarios de 4 bits mediante el convenio de
complemento a dos.................................................................................................... 42
Tabla 1.10. Representación de números binarios de 4 bits mediante el convenio de
complemento a uno ................................................................................................... 47
Tabla 1.11. Números binarios con signo de cuatro bits representados en las tres diferentes
formas estudiadas...................................................................................................... 49
Tabla 1.12. Casos especiales de representación del número N, en coma flotante, según el
estándar IEEE 754..................................................................................................... 56
Tabla 2.1. Ejemplo de código..................................................................................................... 63
Tabla 2.2. Ejemplo de código uniforme y no singular ............................................................... 63
Tabla 2.3. Extensión de orden dos de un código........................................................................ 64
Tabla 2.4. Ejemplos de códigos unívocamente decodificables .................................................. 65
Tabla 2.5. Código A y sus prefijos............................................................................................. 66
Tabla 2.6. Código B y sus prefijos ............................................................................................. 66
Tabla 2.7. Código C y sus prefijos ............................................................................................. 67
29. SIMBOLOGÍA Y NOMENCLATURA
En el texto escrito a lo largo de este libro se han utilizado distintos tipos de letra
dependiendo de qué se pretende expresar en cada caso.
Así, el texto plano tiene el aspecto de este mismo párrafo, mientras que los tipos
especiales que se han utilizado en otros casos son los que se muestran como ejemplo
en los siguientes términos.
Analysis Se trata de un elemento de menú o de una opción de un cuadro de
diálogo. Se representa en cursiva y negrita, con la letra correspondiente
subrayada.
Modelo Se trata de un término o una definición que se desea resaltar dentro de un
párrafo. Se representa en negrita.
.MODEL Cuando se hace referencia a un término o expresión que debe aparecer de
forma literal en la aplicación o herramienta que se esté utilizando en ese
momento, se expresará en el tipo de letra Courier-New.
Duty cycle Cuando sea necesario incluir un término en otro idioma, normalmente en
inglés, éste se expresará en cursiva. Este estilo también se ha utilizado
para resaltar alguna definición o concepto que se utiliza principalmente
en electrónica.
33. PROGRAMAS UTILIZADOS
Electronics Workbench
Electronics Workbench Demo es la versión de demostración de Electronics
Workbench 5, una herramienta para el análisis y la simulación de circuitos
electrónicos analógicos y digitales asistida por ordenador. El sistema está integrado
por tres módulos, un editor de esquemas con una interfaz gráfica muy fácil de utilizar,
un simulador SPICE y un visualizador de señales eléctricas en pantalla.
Electronics Workbench permite implementar circuitos con gran facilidad, ya que
está basado en el entorno gráfico Microsoft Windows, funcionando bajo Windows 9x,
NT, 2xxx y mE.
La versión de demostración se diferencia de la versión profesional en los siguientes
aspectos:
• Tan sólo permite realizar la simulación de los circuitos que acompañan a la
misma.
• Permite realizar nuevos diseños de circuitos, pero no permite guardarlos.
• Tiene limitación de tiempo, transcurrido el mismo, el programa se cierra y es
necesario arrancarlo de nuevo para poder continuar trabajando.
39. CAPÍTULO 1
FUNDAMENTOS GENERALES DE LA
ELECTRÓNICA DIGITAL
Objetivos:
• Diferenciar entre sistemas digitales y analógicos.
Conocer sus ventajas e inconvenientes.
• Saber representar información numérica en los sistemas
de numeración más utilizados habitualmente (binario,
octal, hexadecimal, etc.) y realizar cambios de base.
• Manejar representaciones numéricas en coma fija y en
coma flotante.
Contenido: En este capítulo se exponen: las diferencias entre los
sistemas analógico y digital; la representación de la
información mediante el conocimiento de los sistemas de
numeración.
Simulación: Se utiliza la calculadora de Windows en modo “Científica”
para obtener las representaciones de números enteros con
signo, según el convenio del complemento a dos, en las
bases: binaria, octal, hexadecimal y decimal.