Electrónica digital: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 6 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Sistemas de numeración

Valores posicionales
binario 2k, octal 8k, hexadecimal 16k
A decimal
Σ dk·bk
Desde decimal
divide entre la base y lee los restos de abajo arriba
Hexadecimal ↔ binario
un dígito hexadecimal = 4 bits
Complemento a dos
invierte los bits y suma 1

Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Puertas básicas
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Reglas de Boole
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Orden del mapa de Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Grupo de 2ᵏ celdas
pierde k variables
Multiplexor de 4 a 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Biestables
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Contadores
n bits: 2ⁿ estados; módulo N: el menor n con 2ⁿ ≥ N; fsal = fclk/N
Contador asíncrono
fmax = 1/(n·tpd)
Contadores en anillo y Johnson
n y 2n estados

Método

  1. En un circuito, trabaja desde las entradas hasta la salida puerta por puerta y escribe el valor en cada hilo, o escribe su expresión y rellena la tabla de verdad.
  2. Para simplificar, coloca los 1 (y las indiferencias como X) en un mapa de Karnaugh con filas y columnas en código Gray: 00, 01, 11, 10.
  3. Cubre los 1 con los menos grupos posibles y lo más grandes posible, de 1, 2, 4, 8 o 16 celdas, envolviendo los bordes; cada grupo es un término producto formado por las variables que permanecen constantes. Agrupa los 0 para la forma POS.
  4. En biestables y contadores, lee las entradas en cada flanco activo del reloj, anota el estado tras cada flanco y recuerda que un contador de n bits da la vuelta tras 2ⁿ estados.

Adquisición de datos y muestreo

Criterio de Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Frecuencia de aliasing
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Tamaño del paso
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Error de cuantización (redondeo)
±½ LSB
Código del ADC con truncamiento
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bits para una resolución r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR ideal, senoide a fondo de escala
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Tasa de datos
canales × fs × N bit/s
ADC multiplexado
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baudios; 8N1 = 10 bits por byte; bytes/s = baudios/bits por trama
Divisor de la tasa de baudios
baud = fclk/(16·D)

Método

  1. Anota los datos: frecuencia de muestreo, frecuencias de la señal, número de bits, rango de entrada, tasa de baudios.
  2. En las preguntas de muestreo, compara cada frecuencia con fs/2; una frecuencia mayor aparece en fa = |f − k·fs|, con el múltiplo de fs más cercano.
  3. En las preguntas de resolución, halla 1 LSB = VFSR/2ᴺ, o el menor N con 2ᴺ ≥ rango/resolución.
  4. En las tasas de datos y los enlaces UART, cuenta todo lo que se envía: canales, muestras por segundo, bits o bytes completos por muestra, y los bits de inicio, paridad y parada de cada trama.

2Problemas de práctica

1.Sistemas de numeraciónMedia
complemento a dos de 8 bits0−12806403201608040201

Pon los bits para que almacenen −20 en complemento a dos de 8 bits. Leído como un número sin signo, ¿cuál es el valor U del patrón?

N = −208 bit
U =
2.Sistemas de numeraciónDifícil
haz clic en los bits para ponerlos012806403201608040201

Pon los bits al resultado de 8 bits de 1010 0111 >> 3. ¿Cuál es el valor R del resultado en decimal?

1010 0111>> 3
R =
3.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesMedia
ABC00011110011011131214150706

Usa el mapa de Karnaugh para hallar la forma mínima de suma de productos (SOP) de F(A, B, C) = Σm(0, 1, 2, 3, 4, 5). ¿Cuántos literales, L, contiene en total (una variable con prima cuenta como un literal)?

F(A, B, C) = Σm(0, 1, 2, 3, 4, 5)
L =
4.Lógica digital: puertas, mapas K y biestablesDifícil
ABCD000111100001111010010312041507X6012X13015X140819111110

Para F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 5, 9, 10, 11) + d(6, 13, 14), donde d marca las condiciones indiferentes, halla el número N de implicantes primos esenciales.

F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 5, 9, 10, 11) + d(6, 13, 14)
N =
5.Adquisición de datos y muestreoMedia
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​PTb​12·Tb​115200 Bd, 8E2

Una UART envía bytes a 115200 baudios en el formato 8E2: 8 bits de datos, un bit de paridad par y 2 bit(s) de parada, además del bit de inicio. Halla el mayor número de bytes de datos por segundo que puede transferir.

baud = 115200 Bd8E2
RB = B/s
6.Adquisición de datos y muestreoDifícil
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​1/fbaud​32 MHz / (16·D)

Un microcontrolador con un reloj de 32 MHz fija su tasa de baudios de la UART como fclk/(16·D), con D un número entero redondeado al valor más cercano. El objetivo es 57600 baudios. Halla el error porcentual de la tasa de baudios real (positivo cuando es demasiado rápida).

fclk = 32 MHzobjetivo = 57600 Bd
e = %

3Disoluciones

1.Sistemas de numeración

Respuesta: U = 236

Poner bits: cada bit vale una potencia de dos (128, 64, …, 1). Un dígito hexadecimal son exactamente cuatro bits, y en complemento a dos de 8 bits el bit de más a la izquierda vale −128. Las operaciones bit a bit actúan sobre cada posición de bit por separado.

Invertir y sumar uno

20 = 0001 0100
invertido: 1110 1011
+1 → 1110 1100

Leerlo sin signo

1110 1100₂ = 256 − 20 = 236

Respuesta

U = 236
2.Sistemas de numeración

Respuesta: R = 20

Poner bits: cada bit vale una potencia de dos (128, 64, …, 1). Un dígito hexadecimal son exactamente cuatro bits, y en complemento a dos de 8 bits el bit de más a la izquierda vale −128. Las operaciones bit a bit actúan sobre cada posición de bit por separado.

Bit a bit

Desplazar a la derecha 3 mueve cada bit 3 posiciones a la derecha; los bits que salen por el extremo derecho se pierden y entran ceros por la izquierda.

1010 0111 >> 3
= 0001 0100

Valor del resultado

0001 0100₂ = 20

Respuesta

R = 20
3.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Respuesta: L = 2

Mapas de Karnaugh: las celdas están ordenadas en código Gray (00, 01, 11, 10), por lo que las celdas vecinas, incluidas las que están a través de los bordes, difieren en exactamente una variable. Agrupa los 1 en rectángulos de 1, 2, 4, 8 o 16 celdas, lo más grandes y los menos posibles, hasta cubrir todos los 1. Cada grupo es un término producto: las variables que permanecen constantes dentro de él. Un grupo de 2ᵏ celdas pierde k variables. Las indiferencias (X) pueden usarse para agrandar grupos, pero nunca hace falta cubrirlas. Agrupar los 0 en su lugar da la forma POS mínima.

ABC00011110011011131214150706

Agrupa los 1

Todo grupo es un rectángulo de 2ᵏ celdas; las celdas del borde son vecinas de las celdas del borde opuesto.

B′
A′

Forma SOP mínima

F = B′ + A′
L = 2

Respuesta

L = 2
4.Lógica digital: puertas, mapas K y biestables

Respuesta: N = 2

Mapas de Karnaugh: las celdas están ordenadas en código Gray (00, 01, 11, 10), por lo que las celdas vecinas, incluidas las que están a través de los bordes, difieren en exactamente una variable. Agrupa los 1 en rectángulos de 1, 2, 4, 8 o 16 celdas, lo más grandes y los menos posibles, hasta cubrir todos los 1. Cada grupo es un término producto: las variables que permanecen constantes dentro de él. Un grupo de 2ᵏ celdas pierde k variables. Las indiferencias (X) pueden usarse para agrandar grupos, pero nunca hace falta cubrirlas. Agrupar los 0 en su lugar da la forma POS mínima.

Implicantes primos

Los grupos más grandes que se pueden formar con 1 y X.

CD′, BC′D, AC′D, A′B′D′, AB′D, AB′C
ABCD000111100001111010010312041507X6012X13015X140819111110

Implicantes primos esenciales

BC′D, A′B′D′
N = 2

Respuesta

N = 2
5.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: RB = 9600 B/s

UART: un enlace serie asíncrono envía cada byte como una trama: un bit de inicio (nivel bajo), los bits de datos, un bit de paridad opcional y uno o dos bits de parada (nivel alto). La tasa de baudios es el número de bits por segundo, así que un bit dura Tb = 1/baudios y una trama de n bits dura n/baudios. El formato habitual 8N1 tiene 10 bits por byte. El generador de baudios divide el reloj: baudios = fclk/(16·D) con un número entero D, así que la tasa de baudios real difiere ligeramente de la deseada; un error inferior a aproximadamente el 2 % suele ser aceptable.

Bits por trama

1 + 8 + 1 + 2 = 12

Tasa de bytes

115200/12 = 9600 B/s

Respuesta

RB = 9600 B/s
6.Adquisición de datos y muestreo

Respuesta: e = −0,7937 %

UART: un enlace serie asíncrono envía cada byte como una trama: un bit de inicio (nivel bajo), los bits de datos, un bit de paridad opcional y uno o dos bits de parada (nivel alto). La tasa de baudios es el número de bits por segundo, así que un bit dura Tb = 1/baudios y una trama de n bits dura n/baudios. El formato habitual 8N1 tiene 10 bits por byte. El generador de baudios divide el reloj: baudios = fclk/(16·D) con un número entero D, así que la tasa de baudios real difiere ligeramente de la deseada; un error inferior a aproximadamente el 2 % suele ser aceptable.

Divisor

D = 32·10⁶/(16·57600) = 34,72 → 35

Tasa de baudios real

32·10⁶/(16·35) = 57143 Bd

Error

(57143 − 57600)/57600·100 = −0,7937 %

Respuesta

e = −0,7937 %

Un error inferior a aproximadamente el 2 % suele ser aceptable.

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