INTRODUZIONE ALL'ELETTRONICA DIGITALE


Credo si possa affermare che l'elettronica digitale è elettronica solo in parte; in effetti, le tecniche caratteristiche dell'elettronica lineare (tensioni, resistenze, caratteristiche di un transistor, ecc.) passano in secondo piano, per cedere il posto ad un modo di ragionare basato sulla logica. Non si lavora più con singoli componenti che richiedono di essere correttamente inseriti in un circuito, ma su blocchi già di per se completi, ognuno in grado di svolgere una determinata funzione. Tutte queste unità funzionali possono essere collegate l'una all'altra in schemi complessi quanto si vuole, unicamente seguendo un ragionamento logico, senza doversi preoccupare degli aspetti elettrici veri e propri.

figura 1 - integrato MM74C08 contenente 4 porte AND
figura 2 - circuito di prova per integrato MM74C08

Tanto per parlare di cose concrete, diremo che l'elettronica digitale utilizza, tra le varie unità funzionali, degli elementi chiamati "porte logiche"; esistono porte di vario tipo, tutte caratterizzate dall'avere uno o più ingressi ed uscite. Queste "porte logiche", che noi troviamo all'interno di circuiti integrati, devono solo essere alimentate con la giusta tensione: per esempio, 5 V. Sul terminale di uscita di una porta, noi potremo trovare solo due valori di tensione: un valore è lo zero (che viene anche detto "livello basso" o "low"); l'altro valore è la tensione di alimentazione (in tal caso si parla di livello alto o "high").
Tutti i possibili valori intermedi di tensione non esistono in elettronica digitale, o comunque non hanno significato.
Il circuito integrato di figura 1 è un MM74C08, con 14 piedini "dual in line"; esso contiene al suo interno quattro porte di tipo "AND", ciascuna dotata di due ingressi e di una uscita. Consideriamo una di queste porte, per esempio quella i cui ingressi fanno capo ai piedini 1 e 2; tutto quello che noi possiamo fare, è di applicare a ciascuno di questi piedini un livello logico, ovvero una tensione uguale a zero (livello basso o "low") oppure una tensione uguale a quella di alimentazione (livello alto o "high"); in funzione dei livelli che applicheremo in entrata, l'uscita (piedino 3) assumerà a sua volta uno stato logico alto o basso.
Naturalmente, perchè tutto funzioni regolarmente, dovremo alimentare il nostro circuito integrato, collegando il piedino 7 (marcato GND ovvero "ground") a zero ed il piedino 14 alla tensione di alimentazione.
Il comportamento di una porta logica, così come di qualsiasi altro integrato di questo tipo, viene indicato in un'apposita tabella, chiamata "tavola della verità". Per esempio, per una porta AND come quella appena vista, la tavola della verità è la seguente:

Tavola della verità di una porta AND
significati:
0 = livello basso
1 = livello alto
ingresso 1ingresso 2uscita
000
100
010
111

La tabella ci dice che se i due ingressi sono a tensione zero, l'uscita è a zero; altrettanto succede se applichiamo una tensione "high" su uno degli ingressi. Se invece colleghiamo a livello alto entrambi gli ingressi, l'uscita passa a livello alto (cioè alla tensione di alimentazione).

Vista così, in effetti, una porta può non apparire molto utile; bisogna tuttavia considerare che una rete logica si compone di molte porte, di questo tipo o diverse, collegate in cascata oppure affiancate. Vedremo presto come sia possibile utilizzare praticamente dei componenti logici, in applicazioni semplici ma significative.
In figura 2 viene fornito un esempio pratico del funzionamento delle porte AND; come si vede, il circuito integrato MM74C08 è alimentato a 4 volt (sul piedino 14) mentre il piedino 7 è collegato al negativo. All'uscita di ogni porta è collegato un led, che serve a mostrarne il livello: se il led è acceso, vuol dire che l'uscita è a livello alto. Osserviamo una ad una le singole porte:
1- gli ingressi della porta 1 (piedini 1 e 2) sono collegati a zero, per cui l'uscita è a zero
2- un ingresso della porta 2 (piedino 4) è collegato al positivo, mentre l'altro (piedino 5) è a zero; come si vede, l'uscita è a zero
3- un ingresso della porta 3 (piedino 10) è collegato al positivo, mentre l'altro (piedino 9) è a zero; l'uscita è a zero
4- gli ingressi della porta 4 (piedini 12 e 13) sono entrambi collegati al positivo; finalmente il led si accende perchè l'uscita è a livello alto.

figura 3
Tenete presente che il circuito di fig. 2 costituisce soltanto un esempio di come si utilizza in pratica un integrato logico; in realtà non sarebbe possibile accendere un led collegandolo direttamente ad una porta logica, poichè l'uscita non ha la potenza sufficiente, ovvero non è in grado di erogare la corrente richiesta. In simili casi, è necessario interporre un "buffer", ovvero uno stadio intermedio, che agisca come interfaccia; per esempio, un semplice transistor, collegato come si vede in figura 3.
valore di D1valore di D2
00
10
01
11
figura 4
Si è detto che l'elettronica digitale utilizza solo due livelli logici:
- un livello prossimo al valore della tensione di alimentazione, detto livello alto oppure 1 logico;
- un livello di valore prossimo a zero, detto livello basso, oppure zero logico.
I due valori che può assumere l'uscita di un circuito digitale rappresentano la quantità minima di informazione, detta anche "dato binario" o "bit".
Ma come si può, allora, in elettronica digitale, rappresentare le diverse grandezze, usando come unici valori l'uno e lo zero? La risposta è semplice: utilizzando non uno, ma diversi circuiti affiancati. Se chiamiamo D1 l'uscita di un circuito digitale, avremo due possibilità: D1 = 0 oppure D1 = 1. Consideriamo poi un secondo circuito, la cui uscita sarà D2; avremo altre due possibilità: D2 = 0 oppure D2 = 1. Scrivendo uno di seguito all'altro il valore delle due uscite D1 e D2 (tabella di figura 4), noteremo che le combinazioni possibili sono quattro: 00 - 10 - 01 - 11 .
valore di D1valore di D2valore di D3
000
100
010
110
001
101
011
111
figura 5
Aggiungiamo poi un terzo circuito, la cui uscita rappresenterà il dato D3, e scriviamo le combinazioni possibili nella tabella di figura 5. Vediamo che adesso si possono formare fino ad otto diverse sequenze di cifre: al 4o rigo, per esempio, abbiamo la sequenza "110", mentre al penultimo abbiamo "011". Queste sequenze di cifre possono avere in realtà un loro preciso valore, nell'ambito di un sistema di calcolo adeguato. Senza scendere nei particolari, diremo che si tratta di cifre "binarie", formate cioè da soli "uno" e "zero". Similmente al sistema decimale, che usiamo nella nostra vita di tutti i giorni, il sistema binario permette di esprimere qualsiasi valore, purchè si usi un numero sufficiente di cifre. Tanto per fare qualche esempio, diremo che il numero 10 equivale, in binario, alla sequenza "110"; il numero 20 diventa "10100", il 50 diventa "110010", e così via.
Per concludere, osserviamo quindi che:
- con due sole cifre o circuiti binari, si possono esprimere quattro valori, da zero a 3
- con tre cifre (o circuiti binari) si possono esprimere otto valori, da zero a 7
- con quattro cifre si possono esprimere valori da 0 a 15, ecc.

Si conclude pertanto che, per ogni cifra che si aggiunge, il massimo valore esprimibile raddoppia; disponendo in parallelo 8 circuiti, e quindi con 8 cifre, si possono esprimere ad esempio 256 valori diversi, mentre con 16 cifre si arriva ad esprimere 65536 valori.
Nel linguaggio dei calcolatori si usano frequentemente i termini bit e byte:
- il termine bit, che abbiamo già incontrato, esprime la singola cifra, uno o zero, e costituisce l'unità elementare di informazione
- il termine byte individua una quantità più complessa di informazione, composta da un insieme di otto cifre, che a volte viene anche definito come "word" (ovvero "parola").

In altre pagine di prossima pubblicazione approfondiremo il significato di queste affermazioni e parleremo delle tecniche di campionamento e digitalizzazione.







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