En la primera entrega de este curso, aprendimos que los valores digitales son cantidades “escalonadas” y solo pueden tomar un número finito de valores. Los sistemas lógicos actuales solo manejan dos posibles estados de señal, lógica verdadera (1) y lógica falsa (0), y los convierten al voltaje apropiado. En notación lógica positiva, una señal de 5 V representa los estados “verdadero”, “sí” y “1 lógico”. Una señal de 0-V (tierra) representa los estados Falso, No y 0 lógico. Por una variedad de razones, los circuitos lógicos a menudo toman valores de voltaje diferentes e impredecibles como entradas y no pueden cuantificar correctamente las entidades digitales. Tales situaciones se denominan incertidumbres lógicas.
Tabla de contenido
incertidumbre lógica
La incertidumbre digital o lógica, también llamada “zona de incertidumbre” o “zona de transición”, es un fenómeno que ocurre cuando una señal digital se encuentra en un rango de tensión donde el valor de la señal se interpreta de forma ambigua como un 0 o un 1 lógico. Si las entradas de un circuito están en la región de incertidumbre, su salida es impredecible. En otras palabras, la salida no está definida porque el sistema no puede determinar el estado digital correcto de la información transmitida.
Una lógica ideal donde todos los niveles de voltaje entre 0 V y 2,5 V se tratan como estados lógicos falsos (0) y todos los niveles de voltaje por encima de 2,5 V se tratan como estados lógicos verdaderos (1): Tener un sistema es muy conveniente. Puedes verlo en la Figura 1. Esto solo sucede en teoría si el circuito comparador es perfecto. En la práctica, hay muchas formas de minimizar los fenómenos de incertidumbre, pero existen tolerancias estructurales que obligan a hacer concesiones.
Supongamos que queremos simular un sistema lógico de 5V. Un voltaje entre 0 V y 1 V interpreta correctamente una señal falsa, y un voltaje entre 4 V y 5 V interpreta correctamente una señal verdadera. En todos los demás casos (es decir, cuando el voltaje está entre 1 V y 4 V), el nivel lógico de la señal podría interpretarse como 0 o 1 sin certeza, dependiendo de la sensibilidad del circuito digital. Este fenómeno se debe al umbral de detección de la señal digital y varía según las especificaciones de los componentes electrónicos.
Para reducir la incertidumbre digital, podemos usar un circuito con un umbral de detección más agudo o reducir el ancho de la zona de transición. Esto se puede lograr mediante el uso de componentes electrónicos de especificación más estrecha o mediante el uso de técnicas de filtrado de señales para reducir el ruido eléctrico.
Figura 1: Sistema lógico ideal (izquierda) y sistema lógico real (derecha)
Cómo se manifiesta la incertidumbre lógica
La incertidumbre lógica puede presentarse de dos formas: en forma de distorsión de la señal y en forma de ruido o parpadeo de la señal. Observe la figura 2. Se muestra la codificación de señales digitales (ideal, real 1 y real 2) para una señal de entrada sinusoidal en el rango de 0 V a 5 V con una frecuencia de 10 Hz. El gráfico se puede leer así:
- El oscilograma superior muestra una señal de entrada sinusoidal y una señal digital de cuadrado perfecto. La señal de salida lógica es verdadera cuando la señal de entrada está entre 2,5 V y 5 V. Por el contrario, si la señal de entrada es inferior a 2,5 V, la señal de salida lógica será falsa. Por lo tanto, la interpretación de las señales lógicas es perfecta e ideal.
- El oscilograma central muestra una señal de entrada sinusoidal y una señal digital que sigue parcialmente a la señal de entrada. En la práctica, sube o baja gradualmente bajo la influencia de la demora, lo que hace que el sistema opere en la zona lineal. Esto también puede causar el calentamiento de los componentes y la pérdida de energía.
- El oscilograma en la parte inferior es un ejemplo real de incertidumbre lógica, funciona bien solo si la señal de entrada está por encima de 4 V o por debajo de 1 V, y la salida muestra una señal lógica perfectamente verdadera o falsa. Sin embargo, en la zona media, el sistema no interpreta correctamente la señal de entrada y genera aleatoriamente señales lógicas de 0 y 1 de manera impredecible y fortuita. Por lo tanto, los diseñadores deben evitar tales situaciones a toda costa.
Figura 2: Los diseñadores deben evitar estados de incertidumbre.
Estados ambiguos debido a puertas lógicas de transistor
La figura 3 muestra una solución que utiliza dos transistores, modelo 2N3904 para ser exactos, para implementar un puerto de búfer digital. Este circuito es un amplificador de transistor simple con ganancia máxima y la señal de salida está en fase con la señal de entrada. Su funcionamiento teórico es bastante simple, pero se puede explicar de la siguiente manera.
- Si la entrada lógica es baja, la salida lógica también será baja.
- Si la entrada lógica es alta, la salida lógica también será alta.
El circuito que se muestra opera en la región lógica positiva de 0 V y 5 V y funciona perfectamente cuando se prueba teóricamente. En la práctica, lamentablemente, las tolerancias y las no linealidades de los componentes conducen a un comportamiento anómalo, especialmente en las zonas de ambigüedad.
- Para señales de entrada entre 0 V y 1,5 V, la salida proporciona una señal lógica baja (aproximadamente 0,1 V).
- Para señales de entrada entre 1,5 V y 2,1 V, la salida proporciona una señal analógica sujeta a incertidumbre. Esto no debería suceder.
- Para señales de entrada entre 2,1 V y 5 V, la salida proporciona una señal lógica alta (5,0 V).
Para entradas netas estables, el circuito es seguro de usar sin ningún problema.
Figura 3: Búfer digital hecho con dos transistores
gatillo schmidt
Un Schmitt Trigger es un circuito electrónico muy útil que convierte una señal de entrada analógica en una señal de salida digital de dos niveles. Este tipo de circuito se utiliza para filtrar el ruido y proporcionar transiciones de señal más estables y fiables. Ampliamente utilizado en muchas aplicaciones. La conmutación de la salida debe ocurrir en tiempo cero, de hecho mucho menos tiempo que el tiempo que tarda en cambiar la señal de entrada.
Una de sus aplicaciones es generar ondas cuadradas a partir de señales sinusoidales. Como se puede ver en la Figura 4, un disparador Schmitt se puede hacer con solo dos transistores. Este tipo de circuito lógico proporciona histéresis en dos niveles de voltaje de umbral para flancos ascendentes y descendentes. Esto es muy útil ya que evita errores cuando desea obtener una señal de onda cuadrada limpia a partir de una señal de entrada ruidosa. Esta solución pertenece a la clase de circuitos biestables y tiene dos estados operativos opuestos. La señal de entrada puede ser una señal continua o una forma de onda alterna que cambia lentamente con el tiempo.
Figura 4: Los disparadores Schmitt permiten salidas de señal perfectamente cuadradas con flancos ascendentes y descendentes muy pronunciados, lo que elimina la incertidumbre.
Conclusión
Un estado en el que un componente digital no puede interpretar un nivel lógico como verdadero o falso se denomina “estado indefinido” o “estado ambiguo”. En este estado, los componentes digitales no pueden distinguir de forma fiable entre niveles lógicos altos y bajos, por lo que el comportamiento del circuito es impredecible y pueden producirse resultados imprecisos o inesperados. La causa de la condición indefinida puede deberse a varias causas, como la presencia de ruido en la señal, la falta de suministro de energía adecuado al componente, la presencia de fallas en el componente o en los circuitos circundantes, o el uso del componente. Condiciones de entrada inesperadas por el diseñador. Es importante seguir las especificaciones de los componentes digitales y usar solo condiciones de entrada que hayan sido previstas y probadas para garantizar el funcionamiento correcto del circuito.
La incertidumbre digital puede afectar en gran medida la precisión y la velocidad de los circuitos digitales. Por lo tanto, es importante considerar y seleccionar este fenómeno al diseñar circuitos electrónicos digitales. componentes electrónicos Tiene las especificaciones adecuadas para garantizar la máxima confiabilidad y rendimiento del circuito. Hay varias variantes en el mercado de puertas lógicas que se caracterizan por umbrales mínimos de incertidumbre y se activan. Esto significa que estas puertas lógicas pueden eliminar parte de la incertidumbre presente en las señales eléctricas y, por lo tanto, pueden operar con un mayor nivel de precisión que otras puertas lógicas. Una puerta lógica disparada se activa solo cuando la señal de entrada supera un cierto umbral. Este umbral puede ser establecido por el usuario o predefinido por el fabricante de la puerta lógica. Esto significa que la puerta lógica se activa para producir una señal de salida solo cuando la señal alcanza un nivel lo suficientemente alto. Este punto se explorará más a fondo en futuras entregas de este curso.
Lea también:
Curso de Electrónica Digital — Parte 1: Lógica Binaria y Señales
Curso de Electrónica Digital – Parte 2: Digital vs. Analógico
Curso de Electrónica Digital – Parte 3: Funciones de Numeración
Curso de Electrónica Digital – Parte 4: Álgebra Booleana y Funciones Booleanas
Curso de Electrónica Digital – Parte 5: Puertas Lógicas
Curso de Electrónica Digital – Parte 6: Otras Puertas Lógicas