En los sistemas digitales, cualquier información está representada por códigos binarios. Existen muchos sistemas de código binario, como se menciona en el primer tutorial de esta serie. Un código binario de n bits puede representar 2 n símbolos discretos o elementos de información codificada. Los circuitos digitales que realizan la codificación de información digital se denominan codificadores, mientras que los circuitos digitales que decodifican la información digital codificada se denominan decodificadores. Un codificador con pines habilitados se llama multiplexor, mientras que un decodificador con pines habilitados se llama demultiplexor.
El codificador, decodificador, multiplexor y demultiplexor son circuitos lógicos combinacionales ya que su salida en cualquier momento depende de la combinación de señales de entrada presentes en ese instante únicamente y no depende de ninguna condición pasada. Aprendamos sobre cada uno en este tutorial.
Decodificadores –
Los decodificadores se utilizan para decodificar información binaria en un sistema digital. Las líneas de entrada a un decodificador se utilizan para alimentar datos binarios, mientras que, en función de los datos binarios, se selecciona una de las líneas de salida, que representa el mintérmino respectivo. Si un decodificador tiene n líneas de entrada, puede tener como máximo 2 n líneas de salida. Con un número n de líneas de entrada, el decodificador puede decodificar datos digitales de n bits. Al igual que con 3 líneas de entrada, un decodificador puede decodificar datos binarios de 3 bits y, por tanto, un máximo de 2 , 3 u 8 símbolos binarios. Si hay algunas combinaciones no utilizadas en la información codificada de n bits, el decodificador puede tener menos de 2n líneas de salida. Por lo tanto, cualquier decodificador es un decodificador de líneas n a m, donde m <= 2n .
En un decodificador, cada línea de salida representa un minitérmino que se selecciona en función de los datos binarios de entrada. Para cualquier dato de entrada dado, solo se activa una línea de salida a la vez. Se puede observar que en un decodificador el número de líneas de salida siempre es mayor que el número de líneas de entrada. Si el número de entradas y salidas en un circuito decodificador es igual, se llama convertidor.
Los decodificadores generalmente se construyen utilizando puertas AND o NAND. La salida de una puerta AND solo es ALTA cuando todas las entradas son ALTAS. Por lo tanto, la puerta AND es el elemento decodificador básico en un circuito decodificador. Por ejemplo, en un decodificador de 4 a 16 líneas, el circuito digital utilizado para decodificar el código binario 1001 será el siguiente:
Fig. 1: Imagen que muestra el circuito decodificador construido usando AND Gate
En el elemento de decodificación (decodificador de 4 a 16 líneas) que se muestra arriba, para hacer que todas las entradas de la puerta AND sean ALTAS, los dos bits del medio deben invertirse usando dos puertas NOT. Por lo tanto, cuando los datos binarios de entrada sean 1001, la única línea de salida conectada al circuito decodificador anterior se activará y se establecerá en ALTO.
Para simplificar, tomemos como ejemplo el decodificador de 2 a 4 líneas. Un decodificador de 2 a 4 líneas tiene dos líneas de entrada (digamos A y B). Con 2 entradas, se pueden representar 4 códigos binarios, por lo que puede haber 4 líneas de salida (digamos D0, D1, D2 y D3). Cada línea de salida representa un término mínimo como D0 representa A'B', D1 representa A'B, D2 representa AB' y D3 representa AB. Un decodificador de 2 a 4 líneas se puede representar mediante el siguiente diagrama de bloques:
Fig. 2: Diagrama de bloques del decodificador de 2 a 4 líneas
Obtendrá la siguiente tabla de verdad:
Fig. 3: Tabla de verdad del decodificador de 2 a 4 líneas
A partir de la tabla de verdad anterior, el circuito digital para el decodificador de 2 a 4 líneas se puede construir usando puertas AND y NOT de la siguiente manera:
Fig. 4: Diagrama de circuito de un decodificador de 2 a 4 líneas
Si se construye un decodificador utilizando puertas NAND, entonces la línea de salida respectiva se establecerá en BAJA en lugar de ALTA para un código binario. Por ejemplo, el circuito digital para un decodificador de 2 a 4 líneas construido con puertas NAND será el siguiente:
Fig. 5: Imagen que muestra la implementación del decodificador de 2 a 4 líneas con puertas NAND
Los decodificadores se utilizan en muchas aplicaciones como demultiplexación de datos, visualización digital, convertidores de digital a analógico, direccionamiento de memoria, etc.
Demultiplexores –
Los demultiplexores son circuitos digitales que se utilizan para transmitir datos binarios de una línea a muchas. La palabra "demultiplexor" en sí misma significa uno entre muchos. Por lo tanto, la demultiplexación es el proceso de tomar información de una entrada y pasarla a través de una de varias salidas. Los demultiplexores tienen circuitos digitales similares a los decodificadores, excepto que tienen una sola línea de entrada y líneas seleccionadas para determinar la línea de salida para la transmisión de datos. Los datos se transmiten a través de una única línea de salida a la vez. Al igual que el decodificador, si un demultiplexor tiene n líneas de selección, puede haber 2 n o menos líneas de salida controladas por ellas en un demultiplexor. Un demultiplexor se puede representar mediante el siguiente diagrama de bloques:
Fig. 6: Diagrama de bloques del demultiplexor
Se puede observar que un demultiplexor tiene una señal de entrada, m señales de selección yn señales de salida donde n <= 2 l . Las entradas seleccionadas determinan a qué línea de salida se conectará la entrada de datos. Con la ayuda de un demultiplexor, los datos en serie se convierten en datos en paralelo.
Por ejemplo, en un demultiplexor de 1 a 4 líneas, hay una única entrada (digamos D), cuatro salidas (digamos Y0 a Y3) y dos líneas seleccionadas (digamos S1 y S2). La tabla de verdad del demultiplexor de 1 a 4 líneas es la siguiente:
Fig. 7: Tabla de verdad del demultiplexor
En la tabla de verdad, se puede ver que la entrada de datos está conectada a la salida Y0 cuando S1 = 0 y S0 = 0. La entrada de datos está conectada a la salida Y1 cuando S1 = 0 y S0 = 1. La entrada de datos la entrada está conectada a la salida Y2 cuando S1 = 1 y S0 = 0. La entrada de datos está conectada a la salida Y3 cuando S1 = 1 y S0 = 1. Se puede construir un demultiplexor utilizando puertas AND y NOT como circuitos decodificadores. En la tabla de verdad anterior, el circuito digital para el demultiplexor de 1 a 4 líneas es el siguiente:
Fig. 8: Diagrama del circuito demultiplexor de 4 salidas
Por lo tanto, el demultiplexor de 1 a 4 líneas se puede implementar utilizando cuatro puertas AND de 3 entradas y dos puertas NOT. La línea de datos de entrada está conectada a todas las puertas AND. Las dos líneas de selección S1 y S0 habilitan solo un puerto a la vez y los datos que aparecen en la línea de entrada pasan a través del puerto seleccionado a la línea de salida asociada.
Los demultiplexores se utilizan en sistemas de comunicación, chips de computadora para conectar ALU a registros y en convertidores de serie a paralelo.
Codificadores –
Los codificadores se utilizan para codificar datos binarios. Son lo opuesto a los decodificadores. Por tanto, realizan la operación inversa de un decodificador. Lo opuesto al proceso de decodificación se llama codificación. El codificador es un circuito lógico combinacional que convierte una señal de entrada activa en una señal de salida codificada.
Tiene n líneas de entrada, de las cuales solo una está activa en cualquier momento en las líneas de salida. Codifica una de las entradas activas en una salida binaria codificada en m bits. En un codificador, el número de líneas de salida es menor que el número de entradas. Si un codificador tiene n líneas de entrada en líneas de salida, entonces n<= 2 i . Un codificador se puede representar mediante el siguiente diagrama de bloques:
Fig. 9: Diagrama de bloques del codificador
Por ejemplo, consideremos el codificador prioritario. Es un tipo especial de codificador en el que se da prioridad a las líneas de entrada. Si dos o más líneas de entrada están en ALTO al mismo tiempo, se considerará la línea de entrada con mayor prioridad. En un codificador de prioridad de 4 a 2 líneas, hay cuatro entradas, digamos D0, D1, D2 y D3, y dos salidas, Y0 e Y1. De las cuatro entradas, D3 tiene la prioridad más alta y D0 tiene la prioridad más baja. Esto significa que si D3 = 1 entonces Y1 Y0 será igual a 11 independientemente de las otras entradas. De manera similar, si D3 = 0 y D2 = 1, entonces Y1 Y0 será igual a 10 independientemente de las otras entradas. Un codificador de prioridad de 4 a 2 líneas se puede representar mediante el siguiente diagrama de bloques:
Fig. 10: Diagrama de bloques del codificador de prioridad de 4 entradas
Existe la siguiente tabla de verdad:
Fig. 11: Tabla de verdad del codificador de prioridad de 4 entradas
Se puede construir un codificador utilizando puertas AND, OR y NOT. A partir de la tabla de verdad anterior, el circuito lógico digital para codificador de 4 a 2 líneas se puede diseñar de la siguiente manera:
Fig. 12: Diagrama de circuito del codificador de prioridad de 4 entradas
Multiplexores –
Los multiplexores se utilizan para enrutar datos digitales de muchas a una línea. Convierten datos paralelos en datos en serie. El término múltiplex en sí significa muchos a uno. La multiplexación es el proceso de transmitir una gran cantidad de información a través de una sola línea.
Un multiplexor digital es un circuito combinacional que selecciona información digital única de múltiples recursos y transmite la información seleccionada en una única línea de salida. Un multiplexor también se llama selector de datos, donde selecciona una de las muchas entradas y envía la información a la salida. Los multiplexores son similares a los codificadores excepto que tienen múltiples líneas de entrada de datos y una única línea de salida. La selección de una línea de entrada específica está controlada por un conjunto de líneas de selección. Un multiplexor se puede representar mediante el siguiente diagrama de bloques:
Fig. 13: Diagrama de bloques del multiplexor
Se puede observar que un multiplexor tiene n líneas de entrada, m señales de selección y una línea de salida donde n <= 2 l . La línea de selección decide el número de líneas de entrada de un multiplexor específico. Si el número de n líneas de entrada es igual a 2 i , entonces se requieren m líneas de selección para seleccionar una de las n líneas de entrada. Por ejemplo, para seleccionar una de las 4 líneas de entrada, se requieren dos líneas de selección y para seleccionar una de las 8 líneas de entrada, se requieren 3 líneas de selección.
Como en un multiplexor de cuatro entradas, hay cuatro líneas de entrada de datos (digamos D0 a D3), una única línea de salida (digamos Y) y dos líneas de selección (digamos S0 y S1) para seleccionar una de las cuatro líneas de entrada. Un multiplexor de 4 entradas se puede representar mediante el siguiente diagrama de bloques:
Fig. 14: Diagrama de bloques del multiplexor de 4 entradas
Existe la siguiente tabla de verdad:
Fig. 15: Tabla de verdad del multiplexor de 4 entradas
Un circuito multiplexor es similar al circuito codificador. Al igual que los codificadores, los multiplexores se pueden construir utilizando puertas AND, OR y NOT. De la tabla de verdad anterior, el diagrama de puerta lógica para un multiplexor de 4 entradas es el siguiente:
Fig. 16: Diagrama de circuito del multiplexor de 4 entradas
En el circuito lógico, se puede ver que cuando se aplica S1S0 igual a 00 para seleccionar filas, las dos entradas de puerta AND asociadas con D0 son iguales a 1 y la tercera entrada está conectada a los datos D0. Las otras 3 puertas AND tienen 0 en al menos una de sus entradas, por lo que sus salidas serán iguales a 0. Por lo tanto, la salida OR Y será igual a D0. Cuando se aplica S1S0 igual a 01 a las líneas seleccionadas, los datos de la entrada D1 aparecen en la línea de salida de datos. De manera similar, cuando se aplica S1S0 igual a 10 a las filas seleccionadas, los datos de la entrada D2 aparecen en la fila de salida de datos. Cuando se aplica S1S0 igual a 11 a las líneas seleccionadas, los datos de la entrada D3 aparecen en la línea de salida de datos.
Los multiplexores se utilizan en telefonía, sistemas de comunicación y memorias de ordenador. También se utilizan como convertidores de datos en paralelo a serie.
En el siguiente tutorial, aprenderá a diseñar circuitos codificadores y decodificadores utilizando circuitos integrados de puerta lógica de la serie 7400.
