Introduzione all'elettronica digitale

Cosa è l'elettronica digitale

Dove si parla della natura del segnale digitale e sull'associazione di senso ( vero o falso) o di valore (0 o 1)

In figura 1 vediamo il segnale sonoro corrispondente alla voce umana. L'ho ottenuto registrando qualche parola con "registratore di suoni" di windows e visualizzando il file con "media player". 

Come si vede il segnale è fortemente irregolare ed è "analogo" alla voce, al suono delle parole registrate. Stiamo guardando un segnale analogico.

Diverso il caso rappresentato dalla immagine qui sotto:

Vediamo che i possibili livelli di tensione sono solamente due: "alto" o "basso", non ci sono vie di mezzo, o tutto o niente. Per questo motivo si usa anche associare logicamente ai due livelli alto e basso anche i valori logici   "1" o "0", ovvero ancora, in quella che chiameremo logica delle proposizioni, "vero" o "falso".

Adesso quindi abbiamo due immagini da associare ai concetti di analogico e digitale, teniamole di lato perché nel seguito ci serviranno!

Per rispondere alla domanda che da il titolo al capitolo diciamo allora per il momento: l'elettronica digitale è quella che si realizza tramite dispositivi che trattano segnali elettrici la cui natura corrisponde alla Fig. 2. Proseguendo diventerà tutto più chiaro!

Gli oggetti, i componenti dell'elettronica digitale

Presentazione degli integrati, foto di sistemi digitali 

Ancora una immagine per cercare di rendere concreto quello di cui stiamo parlando. 

L'integrato "7400" (si legge 74 zero-zero), un componente molto semplice, è un classico dei primi esperimenti di elettronica digitale. Il circuito interno ovviamente non è visibile, vediamo il contenitore nero e i piedini di accesso alle varie parti del circuito.

Quest'altro:

è già più complesso, si tratta del famoso "Arduino Uno", dispositivo fondamentale del cosiddetto movimento dei "makers" (per saperne di più consulta: www.repubblica.it/tecnologia/2012/03/08/news/inventori_futuro-31153935/ e http://it.wikipedia.org/wiki/Maker. 

Cosa significa "digitale"?

Con il termine digitale indichiamo tutti quei sistemi che, per rappresentare delle grandezze fisiche, adoperano "cifre": lettere e numeri. Un esempio di sistema digitale è quello alfabetico che comprende le lettere dalla A alla Z. Il sistema numerico decimale è anch'esso digitale e costituito dalle cifre da 1 a 9.

In elettronica adoperiamo un particolare sistema digitale detto "binario" in quanto i possibili valori, le possibili cifre, sono solamente due: "0" e "1". Ne abbiamo già parlato poco sopra.

Per contrasto, in che cosa si differenzia dall'analogico?

Spieghiamo più approfonditamente cosa vediamo nella figura 1.

Il segnale, in rosso, va variando in accordo alla voce che l'ha generato. Più tecnicamente, diciamo che stiamo rappresentando una tensione nel suo variare nel tempo cioè una v(t). Sull'asse orizzontale abbiamo il tempo, su quello verticale la tensione (in Volt). La v(t) si dice "continua" (per una definizione matematica vedi: http://it.wikipedia.org/wiki/Funzione_continua qui ci accontenteremo di capire intuitivamente che si tratta di una tensione senza interruzioni) così come continua è la grandezza "suono" presente nell'ambiente nel quale abbiamo fatto la registrazione. Da notare che anche il valore "zero" è un valore della funzione, corrisponde con "silenzio" e non con "niente", che significherebbe che non possiamo dir nulla del valore in quell'intervallo!  Semmai il concetto di niente andrebbe associato ad un intervallo di tempo nel quale la funzione "non esiste", la pressione sonora e la tensione non sono descritte in alcun modo (chiarire bene questo conecetto risparmierà molti errori). E ancora notiamo che quando la funzione passa da un valore all'altro percorre nel tempo tutti i valori intermedi: per passare da 1 a 2 per esempio deve necessariamente passare per 1,1 - 1,2 - etc. Lo stesso può dirsi per passare da 1,1 a 1,2. La v(t) assume cioè infiniti valori anche per un intervallo di tempo piccolissimo!

Nella figura 2 vediamo invece che sono presenti solamente due possibili valori: 0 V o 5 V. Non esiste cioè il valore 2 o 3,5! Vediamo inoltre anche graficamente una discontinuità (manca la linea) ad ogni commutazione tra i due valori.

Quindi:

• una grandezza analogica assume sempre infiniti valori per quanto piccolo sia l'intervallo di tempo che stiamo considerando
• una grandezza digitale assume solamente un numero finito e discreto di valori. Nel caso del sistema binario ( quello che ci interessa di più) i valori sono solamente due!

Applicazioni del digitale

Perché l'elettronica digitale è diventata così diffusa?

I motivi dell'affermazione tecnica e commerciale dell'elettronica digitale sono da ricercarsi nella possibilità di semplificare i dispositivi ( che comporta anche una diminuizione dei costi): due livelli di tensione sono più facilmente trattabili di infiniti livelli. Ma anche, forse soprattutto, perché ben si adatta a realizzare dispositivi "logici" e dispositivi di "calcolo". Vediamo di che si tratta.

La logica

Applicare la logica è una cosa che sappiamo fare tutti, in qualche modo è connaturata al processo di crescita dell'individuo. Date certe premesse ne conseguono determinate conclusioni. Espliciteremo tra poco quali siano le "funzioni logiche" che applicheremo in elettronica grazie alle tecnologie digitali.

Il calcolo

Cosa sia il calcolo non c'è certo bisogno di dirlo. Notiamo solamente, ma anche questo è risaputo, che prima dell'invenzione dei computer ( il dispositivo più complesso dell'elettronica digitale) i problemi di calcolo erano molto più onerosi e talmente lunghi da affrontare da costringere gli ingegneri a delle notevoli approssimazioni.

Esempi, esempi!

Qualche esempio di logica.

AND e logica delle proposizioni

La logica delle proposizioni è basata sul concetto di vero o falso. Se dico oggi è lunedì può essere vero o falso (durante gli altri giorni della settimana). Idem se dico oggi piove. Sto quindi considerando due distinte affermazioni ognuna delle quali, separatamente, può essere vera o falsa.

Ma se dico: oggi è lunedì e piove mi riferisco a due condizioni che possono verificarsi simultaneamente. Se non sono un bugiardo ed entrambe le affermazioni sono vere allora anche l'intera proposizione è vera. Basta però che una sola delle affermazioni sia falsa per rendere falsa la proposizione più generale.

Abbiamo appena conosciuto la "funzione logica" AND.

Per descrivere sinteticamente il comportamento della AND si usa la tabella della verità:

La stessa tabella vale quando a falso sostituiamo 0 e a vero sostituiamo 1:

In elettronica digitale esiste un componente chiamato "And" che si indica col seguente simbolo:

L'integrato corrispondente ha la sigla (in logica TTL) 7408:

L'integrato in figura ha ben 14 piedini di collegamento, il simbolo della And invece ne mostra solamente tre! Come mai? La seguente figura svela il "mistero":

L'integrato contiene 4 "AND". Più i piedini per la tensione di alimentazione Vcc e GND.

Aritmetica binaria

Apparentemente può sembrar strano dover contare on le sole due cifre 0 e 1! Come facciamo? Molto semplice, è spiegato in questo video:

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