¿Cómo funcionan los sistemas electrónicos digitales?

¿Cómo funcionan los sistemas electrónicos digitales?
Para entender cómo funcionan los sistemas digitales, es necesario primero comprender qué es la electrónica digital y de dónde parte, siendo necesario tener unas buenas bases de electrónica analógica.

Tanto la electrónica digital como analógica emplean diferentes niveles de tensión para representar distintas magnitudes físicas, por lo que la electrónica digital no deja de ser un caso particular de la electrónica analógica. En la electrónica digital únicamente se restringen los valores de tensión con los que se trabaja, pasando de un rango de valores continuo, a uno discreto donde simplemente existen dos valores, que representan el 0 y el 1. Al igual que se discretizan los valores de la tensión, también se hace lo mismo sobre el tiempo, actualizado el valor de la tensión cada cierto tiempo fijo que viene determinado por el inverso de la frecuencia de funcionamiento del sistema digital.

Las principales ventajas de usar sistemas digitales radican en que las operaciones que se pueden llevar a cabo son mucho mayores y resultan mucho más sencillas de calcular. Por ejemplo, usando electrónica analógica, resulta verdaderamente complicado realizar una multiplicación de dos valores. Sin embargo, con electrónica digital y unos bloques lógicos (AND, OR, XOR, NAND, NOR) muy sencillos, se puede llevar a cabo rápidamente.

Estos bloques lógicos que constituyen la base de la electrónica digital y los sistemas digitales, están formados por elementos tales como resistencias, amplificadores operacionales, diodos y transistores, los cuales, por separado, se comportan como sistemas analógicos, pero que sin embargo, en conjunto, dotan de cierta “lógica” al sistema.

La nomenclatura utilizada para abreviar estas operaciones lógicas es la siguiente:

Debido a que existen únicamente dos niveles de tensión, pasa a ser necesario trabajar con un sistema numérico en base 2, en la que cada uno de los dígitos (También conocido como bit) un número pueda tener únicamente dos valores. Ésta es la razón por la cual en los sistemas digitales se trabaja con el sistema binario. Además, mediante el uso de esta base numérica, las operaciones aritméticas se ven reducidas a simples operaciones lógicas, por lo que se pueden usar los esquemas electrónicos antes mostrados para llevar a cabo cualquier operación.

Por ejemplo, en el caso de querer sumar dos números binarios de 1 bit cada uno, llamados A y B, tenemos el siguiente circuito lógico:

Donde Cin es el acarreo anterior (0 o 1), si es que existe, y Cout es el acarreo de salida (0 o 1)

Donde también se muestra la nomenclatura utilizada para abreviar la representación del sumador en los esquemas electrónicos.

Si ahora lo que se pretende es sumar números binarios con más bits, tal que A = (An-1, … , A1, A0) y B = (Bn-1, … , B1, B0) donde cada Ai y Bi toman o 1 o 0, basta con concatenar varios sumadores de la manera siguiente.

Así, mediante este proceso de síntesis que se ha llevado a cabo para la suma, se ha podido pasar de las operaciones lógicas sencillas, a bloques operacionales y sistemas digitales capaces de llevar a cabo operaciones aritméticas mucho más complejas. Esto se puede repetir para cada una de las operaciones aritméticas con números binarios que se pueda imaginar. Como resumen de este proceso, el gráfico siguiente:

Se observa que en la cúspide de la pirámide se encuentran los elementos más sencillos y menos numerosos, mientras que en la parte inferior se encuentran los más complejos y los más numerosos.

Por lo tanto, queda únicamente el reto de ser capaces de modificar esas conexiones entre los elementos primarios (Resistencias, diodos, transistores…) para poder implementar todas las operaciones aritméticas y poder tener un sistema digital programable. Esto se consigue mediante interruptores controlados, formados por transistores.

Se ha podido ver de forma muy simplificada, cómo se puede pasar de un sistema que está formado únicamente por resistencias, diodos y transistores, a un sistema programable de mucha mayor complejidad. Espero que este artículo les haya sido útil, para cuanto menos, poder entender grosso modo como trabajan los numerosos sistemas digitales que utilizamos en nuestra vida diaria.

Un saludo.