¿Qué hace que un circuito sea digital?

En primer lugar, me gusta el título de la pregunta, "¿Qué hace que un circuito sea digital?";).

El mundo que nos rodea es analógico, por lo que la electrónica comenzó con la exploración de componentes analógicos como los que mencionan sus resistencias, condensadores, etc. La necesidad de circuitos digitales se observó cuando comenzamos a construir dispositivos como computadoras, comenzamos a almacenar información digitalmente y muchos otras cosas.

Si te fijas bien, el mundo digital se basa en voltajes similares al mundo analógico. La única diferencia y la característica más ventajosa de digital es que hemos reducido el número de variables a solo 0 y 1 .

Considere un rango de voltaje 0V a 5V . Supongamos que 0V-2.5V es X y 2.5V to 5V es Y. Aquí hemos agrupado los voltajes en dos bloques, pero el fondo sigue siendo el mismo. Sam lo hicimos con 0 y 1 . Para que sea conveniente para nosotros, pensamos (solo por diversión) que X sea 0 e Y sea 1 y todo comenzó a partir de ahí. Si obtiene un voltaje de 1.1V o 2.4V , lo interpretaremos como un 0 . De manera similar, usted obtiene 3.5V o 4.9V , es un 1 para nosotros. Esta es la mayor ventaja de los circuitos digitales llamados Noise Margin .

Dado que su pregunta era sobre cómo un circuito se vuelve digital, no quiero entrar mucho en el tecnicismo. Pero si realmente quiere culpar a alguien por esto. contactar con este hombre Claude Shannon . Se cree que fue su artículo el que llevó al nacimiento de Revolución digital .

Digital significa tener o usar estados discretos o discontinuos.

Los sistemas electrónicos digitales modernos generalmente son binarios (emplean lógica con dos estados) pero se han desarrollado sistemas ternarios (3 estados) (al igual que algunos sistemas con incluso más niveles digitales por dígito.

En un sistema binario de 2 estados, se puede considerar que los dos niveles son:

• alto / bajo 1/0
  on off
  verdadero / falso
  etc

Un circuito que depende para su funcionamiento de circuitos que hacen y usan estados digitales es un circuito digital. Puede usar componentes que usan tecnología analógica para generar los estados digitales, pero si lo hacen, lo hacen a un nivel conceptual más bajo que es invisible para la abstracción digital.

por ejemplo, una fila de puertas puede considerarse como abierta o cerrada.
Sabemos que hay una ruta 'analógica' variable lineal continua entre abrir y cerrar, pero ignoramos eso al considerarlos como un sistema digital. Podemos decidir que hasta un 20% de abierto = cerrado.
Y que 80% + abierto = abierto.
Y que del 20% al 80% abierto no está definido.
Y que las puertas siempre deben abrirse rápidamente entre abrir y cerrar
Y esos estados transitorios del 20% al 80% ignorados.

Esto es EXACTAMENTE lo que se hace con el 'dispositivo analógico' que se usa en los sistemas digitales. Los estados son bajos o altos y, por ejemplo, < 20% alto bajo. > 80% alto = alto. Los niveles del 20-80% son ilegales y el sistema siempre cambia rápidamente entre ellos.

Los sistemas digitales de cualquier complejidad tienden a "sincronizarse" con el estado de cambio del sistema cuando el reloj cambia de estado y luego se lee 1/2 ciclo más tarde. como "sillas musicales" donde la gente cambia de asiento cuando suena la música y debe estar en un asiento cuando la música se detiene.

En el caso de las puertas, una puerta puede tener dos estados (0 o 1, abierto o cerrado)
Dos puertas pueden tener 4 estados 00 01 10 11
(abierto abierto, abierto cerrado, cerrado abierto, cerrado cerrado)
3 puertas pueden tener 8 estados
8 puertas pueden tener 256 estados
16 puertas pueden tener 65656 8 estados
Todos representados con puertas analógicas de estado digital cerrado / abierto 1/0.

"Digital" y "analógico" son conjuntos de técnicas de diseño e interpretaciones de circuitos. Ambas son simplificaciones del mundo real centradas en conjuntos particulares de propiedades.

Has pedido un comentario de aclaración:

  

¿Cómo se toma un circuito analógico y se hace digital? ¿Cómo puede hacer que deje de tratar una señal como analógica y comenzar a tratarla como digital, interpretando los valores de voltaje como por debajo de un umbral o por encima de un umbral, a.k.a. 0 o 1?

Hay dos partes en esto. El primero es reconocer que los transistores tienen tres regiones operativas: corte, lineal y saturación ("totalmente activado"). Los diseñadores analógicos organizan transistores para que operen en la región lineal. Los diseñadores digitales los organizan para que los modos de corte y saturación se utilicen tanto como sea posible.

El segundo es considerar la forma en que se utiliza la retroalimentación. En un amplificador, la retroalimentación será generalmente negativa. Esto da como resultado un voltaje de salida que es un múltiplo lineal del voltaje de entrada. Se compensará una fluctuación en la salida y se reducirá la salida. En estructuras de compuertas lógicas, como el flip-flop, se utiliza la retroalimentación positiva : estar encendido lo activará más y estar apagado lo hará más apagado. Estar en un estado ambiguo lo llevará a uno u otro.

El tercero es darse cuenta de que estas son simplificaciones ("mentiras contadas a los niños"), y que a veces las propiedades análogas son importantes después de todo. A los flip-flops no les gustan las entradas en el medio de su rango de voltaje, y pueden convertirse en osciladores ("metastables"). Las entradas CMOS que constan de dos transistores tampoco les gustan las entradas ambiguas, y tratan de estar encendidas y apagadas, lo que genera una pérdida de corriente y posiblemente daños. Las señales descritas como "on" u "off" no tienen una transición de borde limpia entre las dos, tienen una pendiente. Si lo conduces lo suficientemente rápido, pueden convertirse en una onda sinusoidal. Visto en un diagrama de ojo . Las señales digitales pueden "ring" como pequeñas campanas.

Soy ingeniero eléctrico y esta pregunta no tiene sentido para mí. Permítanme comenzar con lo básico. Los circuitos analógicos usan componentes discretos como resistores, condensadores, inductores, transistores, diodos, etc. En primer lugar, durante toda la escuela escuché que "el análogo se va, el análogo está muerto". Cualquiera que diga que es un completo idiota. Los transistores son dispositivos analógicos inherentes que operan en una abstracción digital conveniente para brindarnos la funcionalidad digital que necesitamos.

Todos los circuitos tradicionales de RCL (resistencia, capacitor, inductor) que se rigen por ecuaciones diferenciales son analógicos. TODOS los circuitos del mundo real deben utilizar componentes analógicos y digitales. Los dos dominios coexisten y no se puede tener digital sin algunos componentes analógicos.

Su pregunta específicamente debe ser respondida en diferentes contextos. (Lo siento si ya sabes algo de esto!)

Desde un contexto de procesamiento de señal, una señal está en el dominio digital una vez que se ha muestreado una señal analógica (como la voz) en el dominio digital a través de un convertidor analógico a digital. Busque un diagrama de flujo del sistema DSP típico (procesamiento de señal digital). La señal comienza de forma analógica, se muestrea en el dominio digital, se procesa allí y finalmente se transforma nuevamente en analógica para que los humanos puedan entenderla. Un excelente ejemplo de esto es su teléfono.

Desde un punto de vista lógico y computacional puro: digamos que desea diseñar una máquina expendedora que le ofrezca su bebida y dispense el cambio. Dicha máquina semi-pensante puede manejarse completamente en el dominio digital usando el concepto de máquinas de estado, que es simplemente un mapeo de todos los eventos posibles a estados que pueden codificarse y almacenarse en la memoria. Por ejemplo, se coloca un níquel, ahora la máquina espera hasta que se coloca una moneda de diez centavos ... y luego, cuando el dinero total que se ha invertido es igual al costo de la bebida, la máquina dispensa la bebida. Sin embargo, incluso para realizar tal circuito en una placa de circuito de producción, todavía tendrá componentes analógicos para proporcionar energía o condensadores para limpiar la energía o quizás resistencias para configurar (sesgar) voltajes específicos para transistores.

La línea de fondo es cuando CUALQUIER circuito se realiza realmente en una placa de circuito, tendrá algunos componentes analógicos incluso si la mayoría del circuito se considera "digital". Realmente diría que todos los circuitos son completamente analógicos, pero algunos de los componentes realizan funciones analógicas, mientras que otros proporcionan una funcionalidad digital. El dominio digital es simplemente una conveniente abstracción computacional binaria realizada sobre componentes analógicos, como transistores y circuitos integrados. Recuerde, nuestro mundo es completamente analógico: solo vemos, escuchamos y procesamos en modo analógico no digital. Siempre habrá una necesidad de muestrear y procesar señales analógicas del mundo real y, finalmente, presentarlas de forma analógica.

Las señales, como yo las veo, son digitales cuando las interpretas como diferentes valores discretos.

Si ves que las señales en un circuito por encima de 2.5v son altas, y por debajo de eso son bajas, entonces estás interpretando el circuito como digital.

No podemos tener circuitos digitales "verdaderos" ya que, como usted dice, los componentes y las señales son todos analógicos. Es nuestra interpretación la que lo hace digital.

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Un intento de analogía: si dibujas un triángulo en un pedazo de papel y alguien lo mira, seguramente pensarán que es un triángulo. En realidad es solo grafito sobre papel. Es su interpretación común que le permite ver algo abstracto (como formas o circuitos digitales) en un medio no ideal (papel, voltajes analógicos).

Los circuitos digitales están hechos de muchos componentes analógicos (como los transistores), pero se denominan digitales porque se comportan así, utilizando el concepto 1 y 0. No se puede llamar "análogo" a un microcontrolador simplemente porque está hecho de componentes analógicos. lo mismo se puede decir acerca de los circuitos integrados que contienen puertas lógicas. Por otro lado, un solo transistor es analógico porque tiene un rango más amplio de manipulación de la señal. Además del corte y la saturación, puede funcionar en modo activo (entre los dos estados ) y en modo activo inverso. En conclusión, usted llama a un componente analógico o digital analizando la forma en que se comporta, no mirando de qué está hecho.

Todos los circuitos son fundamentalmente analógicos. Digital es solo una aproximación del comportamiento analógico subyacente, similar al modelo de pequeña señal.

Con los circuitos digitales, es común ejecutar componentes de bucle abierto con alta ganancia para que se saturen a la tensión del riel de alimentación, algo que solo hace en forma analógica con los comparadores.

Cuando considera un circuito en el dominio digital, todo el comportamiento analógico queda encajonado en el retardo de propagación, el tiempo de subida, el tiempo de caída, los niveles lógicos de entrada y salida, etc. El retardo de propagación depende de la tensión, por ejemplo. Puede analizar el circuito como un circuito analógico y averiguar qué es exactamente la relación si lo desea. En general, solo se mide en diferentes condiciones para obtener el mejor y el peor valor.

Esto permite analizar sistemas complejos para descifrar, por ejemplo, el retardo de propagación en el peor de los casos entre todas las entradas y salidas. Sería posible hacerlo con una simulación analógica completa, pero eso podría llevar muchas horas, mientras que la aproximación digital se puede hacer casi instantáneamente sumando los retrasos en el peor de los casos al agregar cada ruta. Estas técnicas se utilizan en el software para el diseño de circuitos integrados para garantizar que el diseño se ejecutará correctamente a una frecuencia de reloj determinada.