Los circuitos
electrónicos se pueden dividir en dos amplias categorías: digitales y
analógicos. La electrónica digital utiliza magnitudes con valores discretos,
mientras que la electrónica analógica emplea magnitudes con valores continuos.
Un sistema
digital es cualquier dispositivo destinado ala generación, transmisión
procesamiento o almacenamiento de señales digitales. También un sistema digital
es una combinación de dispositivos diseñado para manipular cantidades físicas o
información que estén representadas en forma digital; es decir, que solo pueden
tomar valores discretos.
La mayoría
de las veces estos dispositivos son electrónicos, pero también pueden ser mecánicos,
magnéticos o neumáticos.
Para el
análisis y la síntesis de sistemas digitales binarios se utiliza como
herramienta el algebra de Boole.
Los sistemas digitales pueden ser de dos tipos:
·
Sistemas digitales combinacionales: son aquellos en los que la salida del sistema solo depende de
la entrada presente. Por lo tanto, no necesita módulos de memoria, ya que la
salida no depende de entradas previas.
·
Sistemas digitales
secuenciales: la salida depende de la entrada actual y de las entradas anteriores. Esta clase de sistemas necesitan
elementos de memoria que recojan la información de la historia pasada del
sistema.
Para la
implementación de los circuitos digitales, se utilizan puertas lógicas (AND, OR
Y NOT) y transistores. Estas puertas siguen el comportamiento de algunas
funciones booleanas.
Se dice que
un sistema es analógico cuando las magnitudes de la señal se representan
mediante variables continuas, esto es análogas a las magnitudes que dan lugar a
la generación de esta señal. Un sistema analógico contiene dispositivos que
manipulan cantidades físicas representadas en forma analógica. En un sistema de
este tipo las cantidades varían sobre un intervalo continúo de valores.
Así, una
magnitud analógica es aquella que toma valores continuos. Una magnitud digital
es aquella que toma un conjunto de valores discretos.
La mayoría
de las cosas que se pueden medir cuantitativamente aparecen de la naturaleza en
forma analógica. Un ejemplo de ello es la temperatura: a lo largo de un día la
temperatura no varia entre, por ejemplo, 20 ⁰C o 25 ⁰C de forma instantánea sino que
alcanza todos los infinitos valores que entre ese intervalo. Otros ejemplos de
magnitudes analógicas son el tiempo, la presión, distancia, el sonido.
Señal Analógica
Una señal
analógica es un voltaje o corriente que varia suave y continuamente. Una onda
senoidal es una señal analógica de una sola frecuencia. Los voltajes de la voz
y del video son señales analógicas que varían de acuerdo con el sonido o
variaciones de la luz que corresponden a la información que se esta
transmitiendo.
Señal Digital
Las señales
digitales, en contraste con las señales analógicas, no varían en forma
continua, sino que cambian en pasos o en incrementos discretos. La mayoría de
las señales utilizan códigos binarios o de dos estados.
Ventajas de los Circuitos Digitales
La
revolución electrónica ha estado vigente bastante tiempo; la revolución del
“estado solidó” comenzó con dispositivos analógicos y aplicaciones como los
transistores y los radios transistorizados. Cabe preguntarse ¿Por qué ha
surgido ahora una revolución digital?
De hecho,
existen muchas razones para dar preferencia a los circuitos digitales sobre los
circuitos analógicos:
Reproducibilidad de resultados. Dado el mismo conjunto de entradas (tanto en valor como en
serie de tiempo), cualquier circuito digital que hubiera sido diseñado en la
forma adecuada, siempre producirá exactamente los mismos resultados. Las
salidas de un circuito analógico varían con la temperatura, el voltaje de la
fuente de alimentación, la antigüedad de los componentes y otros factores.
Facilidad de diseño. El diseño digital, a menudo denominado “diseño lógico”, es lógico. No se necesitan habilidades matemáticas
especiales, y el comportamiento de los pequeños circuitos lógicos puede
visualizarse mentalmente sin tener alguna idea especial acerca del
funcionamiento de capacitores, transistores u otros dispositivos que requieren
del calculo para moderarse.
Flexibilidad y funcionalidad. Una vez que un problema se ha reducido a su forma digital podrá
resolverse utilizando un conjunto de pasos lógicos en el espacio y el tiempo.
Por ejemplo,
se puede diseñar un circuito digital que mezcle o codifique su voz grabada de
manera que sea absolutamente indescifrable para cualquiera que no tenga su
clave (contraseña) , pero esta podrá ser escuchada virtualmente sin distorsión
por cualquier persona que posea la clave. Intente hacer lo mismo con un
circuito analógico.
Programabilidad. Usted probablemente ya este familiarizado con las computadoras
digitales y la facilidad con la que se puede diseñar, escribir y depurar
programas para las mismas. Pues bien, ¿adivine Que? Una gran parte del diseño
digital se lleva a cabo en la actualidad al escribir programas, también, en los
lenguajes de descripción de lenguaje de descripción de hardware (HDLs, por sus
siglas en ingles).
Estos
lenguajes le permiten especificar o
modelar tanto la estructura como la función de un circuito digital. Además de
incluir un compilador, un HDL típico también tiene programas de simulación y
síntesis. Estas herramientas de programación (software) se utilizan para
verificar el comportamiento del modelo de hardware antes que sea construido,
para posteriormente realizar la síntesis del modelo en un circuito, aplicando
una tecnología de componente en particular.
Velocidad. Los dispositivos digitales de la actualidad son muy veloces.
Los transistores individuales en los circuitos integrados mas rápidos pueden
conmutarse en menos de 10 picosegundos, un dispositivo completo y complejo
construido a partir de estos transistores puede examinar sus entradas y
producir una salida en menos de 2 nanosegundos. Esto significa que un
dispositivo de esta naturaleza puede producir 500 millones o mas resultados por
segundo.
Economía. Los circuitos digitales pueden proporcionar mucha
funcionalidad en un espacio pequeño. Los circuitos que se emplean de manera
repetitiva pueden “integrarse” en un solo “chip” y fabricarse en masa a un
costo muy bajo haciendo posible la fabricación de productos desechables como
son las calculadoras, relojes digitales y tarjetas musicales de felicitación. (Usted
podría preguntarse, “¿acaso tales cosas son algo bueno?” ¡No importa!)
Avance tecnológico constante. Cuando se diseña un sistema digital, casi siempre se sabe que
habrá una tecnología más rápida, más económica o en todo caso, una tecnología
superior para el mismo caso poco tiempo.
Los
diseñadores inteligentes pueden adaptar estos avances futuros durante el diseño
inicial de un sistema, para anticiparse a la obsolencia del sistema y para
ofrecer un valor agregado a los consumidores. Por ejemplo, las computadoras
portátiles a menudo tienen ranuras de expansión para adaptar procesadores más rápidos
o memorias más grandes que las que se encuentran disponibles en el momento de
su presentación en el mercado.
De este
modo, esto es suficiente para un matiz de mercadotecnia acerca del diseño
digital.
Ventajas del
procesado digital de señales frente al analógico.
Existen
muchas razones por las que el procesado digital de una señal analógica puede
ser preferible al procesado de la señal directamente en el dominio analógico.
Primero, un sistema digital programable permite flexibilidad a la hora de
reconfigurar las operaciones de procesado digital de señales sin más que
cambiar el programa. La reconfiguración de un sistema analógico implica
habitualmente el rediseño del hardware, seguido de la comprobación y
verificación para ver que opera correctamente.
También
desempeña un papel importante al elegir el formato del procesador de señales la
consideración de la precisión. Las tolerancias en los componentes de los
circuitos analógicos hacen que para el diseñador del sistema sea extremadamente
difícil de controlar la precisión de un sistema de procesado analógico de señales.
En cambio,
un sistema digital permite un mejor control de los requisitos de precisión.
Tales requisitos, a su vez, resultan en la especificación de requisitos en la
precisión del conversor A/D y del procesador digital de señales, en términos de
longitud de palabra, aritmética de coma flotante frente a coma fija y factores
similares.
Las señales
digitales se almacenan fácilmente en soporte magnético (cinta o disco) sin
deterioro o perdida en la fidelidad de la señal, aparte de la introducida en la
conversión A/D. como consecuencia, las señales se hacen transportables y pueden
procesarse en tiempo no real en un laboratorio remoto.
El método de
procesado digital de señales también posibilita la implementación de algoritmos
de procesado de señal mas sofisticados. Generalmente es muy difícil realizar
operaciones matemáticas precisas sobre señales en formato analógico, pero esas
mismas operaciones pueden efectuarse de modo rutinario sobre un ordenador
digital utilizando software.
En algunos
casos, la implementación digital del sistema de procesado de señales es mas
barato que su equivalente analógica. El menor coste se debe a que el hardware
digital es mas barato o, quizás, es resultado de la flexibilidad ante
modificaciones que permite la implementación digital.
Como
consecuencia de estas ventajas, procesado digital de señales se ha aplicado a
sistemas prácticos que cubren un amplio rango de disciplinas.
Citamos, por
ejemplo, la aplicación de técnicas de procesado digital de señales al procesado
de voz y transmisión de imágenes, en sismología y geofísica, en prospección
petrolífera, en la detección de explosiones nucleares, en el procesado de
señales recibidas del espacio exterior, y en una enorme variedad de
aplicaciones.
Sin embargo,
como ya se ha indicado, la implementación digital tiene sus limitaciones. Una
limitación practica es la velocidad de operación de los conversores A/D y de
los procesadores digitales de señales. Veremos que las señales con anchos de
banda extremadamente grandes precisan conversores A/D con una velocidad de muestreo alta y
procesadores digitales de señales rápidos. Así, existen señales analógicas con
grandes anchos de banda para las que la solución mediante procesado digital de
señales se encuentra mas allá del “estado del arte” del hardware digital.
Ejemplos de
aquellos sistemas analógicos que ahora se han vuelto digitales.
Fotografías. La mayoría de las cámaras todavía hacen uso de películas que
tienen un recubrimiento de haluros de plata para grabar imágenes. Sin embargo,
el incremento en la densidad de los microcircuitos o “chips” de memoria digital
ha permitido el desarrollo de cámaras digitales que graban una imagen como una
matriz de 640 x 480, o incluso arreglos más extensos de píxeles donde cada píxel
almacena las intensidades de sus componentes de color rojo verde y azul de 8
bits cada uno.
Esta gran
cantidad de datos, alrededor de siete millones de bits en este ejemplo puede
ser procesada y comprimida en un formato denominado JPEG y reducirse a un
tamaño tan pequeño como el equivalente al
5% del tamaño original de almacenamiento dependiendo de la cantidad de
detalle de la imagen. De este modo las cámaras digitales dependen tanto del almacenamiento
como del procesamiento digital.
Grabaciones de video. Un disco versátil digital de múltiples usos (DVD por las
siglas de digital versátil disc) almacena video en un formato digital altamente
comprimido denominado MPEG-2. Este estándar codifica una pequeña fracción de
los cuadros individuales de video en un formato comprimido semejante al JPEG y codifica cada uno de los otros cuadros
como la diferencia entre este y el
anterior.
La capacidad
de un DVD de una sola capa y un solo
lado es de aproximadamente 35 mil millones de bits suficiente para grabar casi
2 horas de video de alta calidad y un disco de doble capa y doble lado tiene
cuatro veces esta capacidad.
Grabaciones de audio. Alguna vez se fabricaron exclusivamente mediante la impresión
de formas de onda analógicas sobre cinta magnética o un acetato (LP), las
grabaciones de audio utilizan en la actualidad de manera ordinaria discos
compactos digitales (CD. Compact discs). Un CD almacena la música como una
serie de números de 16 bits que corresponden a muestras de la forma de onda
analógica original se realiza una muestra por canal estereofónico cada 22.7
microsegundos. Una grabación en CD a toda su capacidad (73 minutos) contiene
hasta seis mil millones de bits de información.
Carburadores de automóviles. Alguna vez controlados estrictamente por conexiones mecánicas
(incluyendo dispositivos mecánicos “analógicos”
inteligentes que monitorean la temperatura, presión, etc.), en la actualidad
los motores de los automóviles están controlados por microprocesadores
integrados.
Diversos
sensores electrónicos y electromecánicos convierten las condiciones de la
maquina en números que el microprocesador puede examinar para determinar como
controlar el flujo de gasolina y oxigeno hacia el motor. La salida del
microprocesador es una serie de números variante en el tiempo que activa a
transductores electromecánicos que a su vez controlan la maquina.
El sistema telefónico. Comenzó hace un siglo con micrófonos y receptores analógicos
que se conectaban en los extremos de un par de alambres de cobre (o, ¿era una
cuerda?). Incluso en la actualidad en la mayor parte de los hogares todavía se
emplean teléfonos analógicos los cuales transmiten señales analógicas hacia la
oficina central (CO) de la compañía telefónica. No obstante en la mayoría de
las oficinas centrales estas señales analógicas se convierten a un formato
digital antes de que sean enviadas a sus destinos, ya sea que encuentren en la
misma oficina central o en cualquier punto del planeta.
Durante
muchos años los sistemas telefónicos de conmutación privados (PBX. Prívate
branch exchanges) que se utilizan en los negocios han transportado el formato
digital todo el camino hacia los escritorios. En la actualidad muchos negocios,
oficinas centrales y los proveedores tradicionales de servicios telefónicos
están cambiando a sistemas integrados que combinan la voz digital con el tráfico
digital de datos sobre una sola red de Protocolo de Internet IP (por las siglas
en ingles de Protocolo de Internet).
Semáforos. Para controlar los semáforos se utilizaban temporizadores
electromecánicos que habilitaban la luz verde para cada una de las direcciones
de circulación durante un intervalo predeterminado de tiempo. Posteriormente se
utilizaron relevadores en módulos controladores que podían activar los
semáforos de acuerdo con el patrón del tráfico detectado mediante sensores que
se incrustan en el pavimento. Los controladores de hoy en día hacen uso de
microprocesadores y pueden controlar los semáforos de modo que maximicen el
flujo vehicular, o como sucede en algunas ciudades de California, sean un
motivo de frustración para los automovilistas en un sinnúmero de creativas
maneras.
Efectos cinematográficos. Los efectos especiales creados exclusivamente para ser
utilizados con modelos miniaturizados de arcilla, escenas de acción, trucos de
fotografía y numerosos traslapes de película cuadro por cuadro.
En la
actualidad naves espaciales, insectos, otras escenas mundanas e incluso bebes
(en la producción animada de Pixar, Tin Toy) se sintetizan por completo
haciendo uso de computadoras digitales. ¿Podrán algún día ya no ser necesarios
ni los dobles cinematográficos femeninos y masculinos?
Ejemplo de
un sistema electrónico analógico
Un ejemplo
de sistema electrónico analógico es el altavoz, que se emplea para amplificar
el sonido de forma que este sea oído por una gran audiencia. Las ondas de
sonido que son analógicas en su origen, son capturadas por un micrófono y
convertidas en una pequeña variación analógica de tensión denominada señal de
audio. Esta tensión varia de manera continúa a medida que cambia el volumen y
la frecuencia del sonido y se aplica a la entrada de un amplificador lineal.
La salida
del amplificador que es la tensión de entrada amplificada, se introduce en el
altavoz. Este convierte, de nuevo, la señal de audio amplificada en ondas
sonoras con un volumen mucho mayor que el sonido original captado por el
micrófono.
Existen
sistemas que utilizan métodos digitales y analógicos, uno de ellos es el
reproductor de disco compacto (CD). La música en forma digital se almacena en
el CD. Un sistema óptico de diodos láser lee los datos digitales del disco
cuando este gira y los transfiere al convertidor digital-analógico (DAC,
digital-to-analog converter). El DAC transforma los datos digitales en una
señal analógica que es la reproducción eléctrica de la música original. Esta
señal se amplifica y se envía al altavoz. Cuando la música se grabo en el CD se
utilizo un proceso que esencialmente, era el inverso al descrito, y que utiliza
un convertidor analógico digital (ADC, analog-to-digital converter).