Salta al contingut
Classes de reforç

Exercicis d'electrònica analògica i digital — Tecnologia i Digitalització 4t ESO

Tots els aparells digitals treballen amb uns i zeros, i aquests exercicis t'expliquen com. Comences distingint el senyal analògic, que pot prendre qualsevol valor, del digital, i classifiques exemples quotidians. Després passes nombres del sistema binari al decimal i a l'inrevés, i estudies les portes lògiques i les seves taules de veritat. Al final dissenyes circuits combinacionals senzills, com una alarma que s'activa en certes condicions, i compares portes com la OR i la XOR. Les solucions mostren la taula de veritat de cada cas. Errors típics: pensar que un senyal digital pot tenir valors intermedis i creure que un circuit combinacional recorda els valors anteriors.

Nivell bàsic

Exercici 1

Digues quina és la diferència fonamental entre un senyal analògic i un de digital.

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 1

L'analògic varia de forma contínua i pot prendre infinits valors dins d'un rang. El digital només pot prendre valors discrets, normalment només dos: 0 i 1. La diferència clau és contínu (infinits valors) davant de discret (només 0 i 1).

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 2

Una porta NOT rep l'entrada A = 0. Quina és la sortida i per què?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 2

La sortida és 1. La porta NOT és un inversor: canvia el valor de l'entrada. Si entra un 0, en surt un 1; si entra un 1, en surt un 0. Com que aquí entra 0, la sortida és 1.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 3

Una resistència de 300 Ω es connecta a una pila de 9 V. Quina intensitat hi circula? Expressa-la en A i en mA.

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 3

Llei d'Ohm: I = VR=9\tfrac{V}{R} = 9 V300\tfrac{V}{300} Ω = 0,03 A = 30 mA.
El perquè: la intensitat és proporcional a la tensió i inversament proporcional a la resistència. Cal multiplicar per 1000 per passar d'A a mA.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 4

Tres resistències de 100 Ω, 220 Ω i 330 Ω estan connectades en sèrie. Quina és la resistència total?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 4

En sèrie les resistències se sumen: R = 100 + 220 + 330 = 650 Ω.
El perquè: en un circuit en sèrie el corrent ha de passar per totes, de manera que els seus efectes s'acumulen.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 5

Dues resistències iguals de 100 Ω estan connectades en paral·lel. Quina és la resistència equivalent? Serà més gran o més petita que 100 Ω?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 5

Dues resistències iguals en paral·lel donen la meitat: 1002=50\tfrac{100}{2} = 50 Ω.
És més petita que cadascuna.
El perquè: en paral·lel el corrent té dos camins per passar, i això facilita el seu pas; per tant, la resistència total disminueix.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 6

Escriu la taula de veritat d'una porta AND de dues entrades A i B. Quan val 1 la sortida?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 6

A = 0, B = 0 → S = 0.
A = 0, B = 1 → S = 0.
A = 1, B = 0 → S = 0.
A = 1, B = 1 → S = 1.
La sortida val 1 només quan les dues entrades valen 1.
El perquè: la porta AND es comporta com dos interruptors en sèrie: només passa el corrent si tots dos estan tancats.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 7

Passa a binari el nombre decimal 13. Pista: les potències de 2 són 1, 2, 4, 8, 16…

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 7

13 = 8 + 4 + 1.
Posicions 8, 4, 2, 1: hi ha un 1 a les posicions 8, 4 i 1, i un 0 a la posició 2.
Per tant 13 = 1101 en binari.
El perquè: cada xifra binària (bit) val una potència de 2, i el nombre és la suma de les posicions que tenen un 1.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 8

Un díode LED només s'il·lumina si es connecta en un sentit. Com s'anomenen els seus dos terminals? Per què sol col·locar-se una resistència en sèrie amb un LED?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 8

Els terminals són l'ànode (positiu) i el càtode (negatiu); el corrent només passa de l'ànode al càtode.
La resistència limita la intensitat: un LED no té prou resistència pròpia i, si hi circulés massa corrent, es cremaria.
El perquè: els díodes només deixen passar el corrent en un sentit, i el LED és un díode que emet llum.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 9

El senyal de rellotge d'un circuit digital oscil·la a una freqüència de 2,5 kHz (1 kHz = 1000 Hz). Calcula'n el període, en mil·lisegons, i quants cicles es produeixen en 3 s.

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 9

Període: T = 1 / f = 1 / 2500 = 0,0004 s = 0,4 ms.
Cicles en 3 s: 2500 · 3 = 7500 cicles.
El perquè: la freqüència són els cicles per segon i el període és el temps d'un cicle; són inversos. Com més alta és la freqüència del rellotge, més operacions pot fer un circuit digital per segon.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Nivell intermedi

Exercici 10

Classifica com a analògic o digital: (a) el volum d'un altaveu que gires suaument; (b) un interruptor de la llum; (c) la temperatura d'una habitació.

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 10

(a) Analògic: el volum canvia de forma contínua. (b) Digital: l'interruptor només té dos estats, encès o apagat. (c) Analògic: la temperatura varia contínuament i pot tenir infinits valors.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 11

Anomena dos avantatges del senyal digital respecte de l'analògic.

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 11

Primer, és robust davant del soroll: com que només ha de distingir entre 0 i 1, les petites interferències no el confonen. Segon, es pot emmagatzemar, copiar i processar sense perdre qualitat. (També es pot tractar amb ordinadors i circuits lògics.)

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 12

Passa a decimal els nombres binaris (a) 101 i (b) 1000.

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 12

(a) 101: posicions 4, 2, 1. Hi ha 1 a les posicions 4 i 1: 4 + 1 = 5. Per tant 101 = 5. (b) 1000: posicions 8, 4, 2, 1. Només hi ha un 1 a la posició 8: 1000 = 8.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 13

Què vol dir que en un circuit combinacional la sortida depèn només de les entrades del moment?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 13

Vol dir que el circuit no té memòria: la sortida es calcula exclusivament a partir dels valors que tenen les entrades en aquell instant. Amb les mateixes entrades s'obté sempre la mateixa sortida, sense que importi què hi havia abans.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 14

Dissenya (digues quina porta és) un circuit per a una alarma que soni si s'activa el sensor de la porta O el sensor de la finestra.

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 14

És una porta OR: soni (sortida 1) quan almenys un dels dos sensors s'activi (entrada 1). Només quedaria en silenci (sortida 0) si tots dos sensors estan a 0, és a dir, porta i finestra tancades.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 15

Un amplificador operacional ideal en configuració inversora té una resistència d'entrada de 10 kΩ i una de realimentació de 47 kΩ, i s'alimenta amb ±9 V (se suposa que la sortida no pot passar d'aquests ±9 V). El seu guany és G = −RfR_{f} / RinR_{\mathrm{in}}. (a) Calcula el guany. (b) Quina tensió de sortida dona per a una entrada de 0,3 V? (c) I per a una entrada de 2,5 V? (d) Fins a quina tensió d'entrada, en valor absolut, no se satura?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 15

(a) G = −47 / 10 = −4,7.
(b) Vout = G · Vin = −4,7 · 0,3 ≈ −1,41 V.
(c) El càlcul donaria −4,7 · 2,5 = −11,75 V, però l'amplificador no pot passar de ±9 V: se satura i la sortida queda a −9 V.
(d) |Vin| màxima = 9 / 4,7 ≈ 1,91 V.
El perquè: l'amplificador inversor multiplica la tensió d'entrada pel guany i en canvia el signe; la sortida mai no pot superar la tensió d'alimentació, així que si l'entrada és massa gran el senyal queda retallat.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 16

Dues resistències, R1 = 2 kΩ i R2 = 1 kΩ, estan en sèrie amb una font de 12 V. Quina tensió hi ha a la resistència R2? (Divisor de tensió.)

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 16

Resistència total = 2 + 1 = 3 kΩ. Intensitat = 12 V / 3000 Ω = 4 mA.
Tensió a R2 = 0,004 A × 1000 Ω = 4 V (i a R1: 8 V).
També es pot fer amb la fórmula VR2 = V · R2 / (R1 + R2) = 12 · 1 / 3 = 4 V.
El perquè: en sèrie, la tensió es reparteix en proporció a les resistències.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 17

Un circuit lògic té tres entrades A, B i C i la sortida S = (A AND B) OR C. Escriu la taula de veritat completa.

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 17

Escrivim A, B, C i, a continuació, S:
0, 0, 0 → 0
0, 0, 1 → 1
0, 1, 0 → 0
0, 1, 1 → 1
1, 0, 0 → 0
1, 0, 1 → 1
1, 1, 0 → 1
1, 1, 1 → 1
La sortida és 1 quan A i B valen 1, o quan C val 1.
El perquè: s'avalua primer la AND i, amb el resultat, la OR amb C.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 18

En un circuit, una resistència R1 = 60 Ω està en sèrie amb dues resistències en paral·lel, R2 = 30 Ω i R3 = 60 Ω, i tot el conjunt s'alimenta amb 12 V. Calcula la resistència total, la intensitat que dona la font i la tensió al grup en paral·lel.

Circuit mixt de 12 V: R1 = 60 Ω en sèrie amb un grup en paral·lel format per R2 = 30 Ω i R3 = 60 Ω
Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 18

R2 i R3 en paral·lel: 1 / R = 1/30 + 1/60 = 3/60, per tant R = 20 Ω.
Resistència total = 60 + 20 = 80 Ω.
Intensitat = 12 / 80 = 0,15 A.
Tensió al grup en paral·lel = 0,15 × 20 = 3 V.
Comprovació: les intensitats per R2 i R3 són 3/30 = 0,1 A i 3/60 = 0,05 A, que sumen 0,15 A.
El perquè: es resol primer la part en paral·lel, es substitueix per la resistència equivalent i després es treballa com un circuit en sèrie.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 19

(a) Passa el nombre decimal 45 a binari. (b) Suma en binari 1011 + 0110 i comprova el resultat passant els tres nombres a decimal.

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 19

(a) 45 = 32 + 8 + 4 + 1, per tant en binari és 101101 (posicions 32, 16, 8, 4, 2, 1: 1 0 1 1 0 1).
(b) 1011 + 0110 = 10001.
Comprovació: 1011 = 11, 0110 = 6, i 10001 = 16 + 1 = 17. 11 + 6 = 17.
El perquè: en binari 1 + 1 = 10 (es posa 0 i es porta 1), igual que en decimal 9 + 1 = 10.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Nivell avançat

Exercici 20

Un micròfon capta la veu (un so) i l'envia a un ordinador perquè la guardi com a arxiu. Quin tipus de senyal és la veu i què cal fer perquè l'ordinador la pugui guardar?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 20

La veu és un senyal analògic (varia de forma contínua). Perquè l'ordinador la pugui guardar cal convertir-la a digital amb un convertidor analògic-digital (ADC), que la transforma en una seqüència de 0 i 1.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 21

Quina diferència hi ha entre una porta OR i una porta XOR quan les dues entrades valen 1?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 21

La porta OR dona 1 si almenys una entrada és 1, així que amb A=1 i B=1 dona 1. La porta XOR dona 1 només si les entrades són diferents, així que amb A=1 i B=1 (iguals) dona 0. Aquí és on es diferencien: OR dona 1 i XOR dona 0.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 22

Per què es diu que la porta NAND és una porta universal?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 22

Perquè combinant només portes NAND es pot construir qualsevol altre circuit lògic (una NOT, una AND, una OR, etc.) i, per tant, qualsevol funció lògica. Com que amb un sol tipus de porta n'hi ha prou per fer-ho tot, es diu universal (la NOR també ho és).

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 23

Un convertidor digital-analògic (DAC) de 4 bits té una tensió de referència de 5 V i dona una sortida V = 5 · N16\tfrac{N}{16}, on N és el nombre que representa el codi binari d'entrada (de 0 a 15). (a) Quants nivells de tensió diferents pot generar i quant val l'escaló entre dos nivells consecutius? (b) Quina tensió dona per al codi 1011? (c) Quin codi triaries per aproximar 3,0 V i quin error hi cometries?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 23

(a) Amb 4 bits hi ha 24 = 16 codis, és a dir, 16 nivells diferents. L'escaló és 5 / 16 = 0,3125 V.
(b) 1011 en binari és 8 + 2 + 1 = 11; V = 5 · 11 / 16 = 3,4375 V.
(c) N = 3,0 / 0,3125 = 9,6, que no és enter. Els dos codis més propers són N = 9 (1001), que dona 2,8125 V (error de 0,1875 V per sota), i N = 10 (1010), que dona 3,125 V (error de 0,125 V per sobre). Triem 1010, que s'hi acosta més.
L'error màxim possible d'un DAC així és la meitat de l'escaló: 0,156 V (dins del rang de sortida, de 0 a 4,6875 V).
El perquè: un senyal digital només pot prendre valors discrets; com més bits, més nivells i menys error de quantització.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 24

Una fotoresistència (LDR) i una resistència fixa de 10 kΩ formen un divisor de tensió amb una font de 5 V: la LDR es connecta al + de la font i la resistència fixa a massa, i la sortida és la tensió de la resistència fixa. Amb llum la LDR té 1 kΩ i en la foscor 100 kΩ. Calcula la tensió de sortida en cada cas. Quina d'aquestes situacions interpretaria un circuit digital com a 1 lògic (llindar 2,5 V)?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 24

Amb llum: V = 5 · 10(10+1)≈4,55\tfrac{10}{(10 + 1)} \approx 4{,}55 V.
En la foscor: V = 5 · 10(10+100)≈0,45\tfrac{10}{(10 + 100)} \approx 0{,}45 V.
Amb llum la sortida és 4,55 V, superior a 2,5 V: s'interpreta com a 1. En la foscor és 0,45 V, inferior al llindar: s'interpreta com a 0.
El perquè: la resistència de la LDR baixa quan rep llum, així que la tensió a la resistència fixa puja. Aquest circuit permet fer una alarma o un llum que s'encén sol quan es fa fosc.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 25

Una màquina només ha d'engegar el motor (S = 1) si la porta està tancada (A = 1), el botó de marxa està premut (B = 1) i no hi ha sobreescalfament (C = 0). Escriu la funció lògica i la taula de veritat. Quantes files fan S = 1?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 25

S = A AND B AND (NOT C).
Taula (A, B, C → S):
0, 0, 0 → 0
0, 0, 1 → 0
0, 1, 0 → 0
0, 1, 1 → 0
1, 0, 0 → 0
1, 0, 1 → 0
1, 1, 0 → 1
1, 1, 1 → 0
Només una fila (A = 1, B = 1, C = 0) fa S = 1.
El perquè: les tres condicions han de complir-se alhora; això és una AND de tres entrades en què una (C) passa per una porta NOT. Una funció així és típica d'un sistema de seguretat.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 26

Comprova amb taules de veritat que (a) una porta NAND amb les dues entrades unides (A, A) es comporta com una NOT, i (b) la funció NAND(NAND(A, B), NAND(A, B)) equival a una AND.

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 26

(a) NAND(A, A): A = 0 → NAND(0, 0) = 1; A = 1 → NAND(1, 1) = 0. És la funció NOT.
(b) Calculem X = NAND(A, B) i després NAND(X, X) = NOT X:
A = 0, B = 0: X = 1 → resultat 0.
A = 0, B = 1: X = 1 → resultat 0.
A = 1, B = 0: X = 1 → resultat 0.
A = 1, B = 1: X = 0 → resultat 1.
Coincideix amb la taula de la AND.
El perquè: demostra que amb portes NAND es poden fer NOT i AND (i, per tant, qualsevol funció lògica); per això la NAND és universal.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 27

Es vol un circuit que comparï dos nombres de 2 bits, A = A1AA_{1}A0 i B = B1BB_{1}B0, i doni Q = 1 només quan A i B són iguals. La porta XNOR dona 1 quan les seves dues entrades són iguals. (a) Amb 4 entrades, quantes combinacions hi ha i en quantes Q = 1? (b) Expressa Q amb portes XNOR i una porta AND. (c) Comprova el resultat amb A = 10 i B = 10, i amb A = 10 i B = 11. (d) Quantes portes necessita?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 27

(a) Amb 4 entrades hi ha 242^{4} = 16 combinacions. Q = 1 només quan A = B: 00 = 00, 01 = 01, 10 = 10 i 11 = 11, és a dir, en 4 combinacions (les altres 12 donen Q = 0).
(b) Dos nombres són iguals si els bits de cada posició són iguals: Q = XNOR(A1A_{1}, B1B_{1}) AND XNOR(A0A_{0}, B0B_{0}).
(c) A = 10, B = 10: XNOR(1, 1) = 1 i XNOR(0, 0) = 1, per tant Q = 1 AND 1 = 1. A = 10, B = 11: XNOR(1, 1) = 1 però XNOR(0, 1) = 0, per tant Q = 0.
(d) Dues portes XNOR i una AND: 3 portes.
El perquè: un circuit complex es pot construir combinant portes simples; comparar nombres bit a bit és la base dels comparadors que fa servir un processador.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 28

Un convertidor analògic-digital de 8 bits mesura tensions de 0 a 5 V i assigna a cada tensió V el valor n = part entera de (V5\tfrac{V}{5}) · 256. Quin valor binari dona per a una tensió de 3,2 V?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 28

(3,2 / 5) · 256 = 0,64 · 256 = 163,84. La part entera és 163.
Passem a binari: 163 = 128 + 32 + 2 + 1, que és 10100011.
El perquè: el convertidor representa la tensió amb un nombre binari de 8 bits (0 a 255); es perd la part decimal, i per això la conversió té un petit error.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Exercici 29

Un robot petit s'alimenta amb una bateria de 12 V i un regulador lineal que dona 5 V. El circuit consumeix 300 mA a 5 V i, en un regulador lineal, la bateria dona el mateix corrent que el circuit. (a) Calcula la potència que dona la bateria, la potència útil i la que dissipa el regulador. (b) Calcula el rendiment. (c) Dada inventada: sense dissipador, el regulador s'escalfa 50 °C per cada watt dissipat; la temperatura ambient és de 25 °C i el xip no pot passar de 125 °C. Quina temperatura assoliria? Cal posar-hi un dissipador? (d) Amb un dissipador, l'escalfament baixa a 20 °C per watt. Quina temperatura assoliria?

Mira la solucióAmaga la solucióde l'exercici 29

(a) Potència de la bateria: P = 12 · 0,3 = 3,6 W. Potència útil: 5 · 0,3 = 1,5 W. Potència dissipada: (12 − 5) · 0,3 = 2,1 W (és la diferència: 3,6 − 1,5).
(b) Rendiment: 1,53,6≈41,7\tfrac{1{,}5}{3{,}6} \approx 41{,}7 %.
(c) Escalfament: 2,1 W · 50 °C/W = 105 °C. Temperatura: 25 + 105 = 130 °C. Com que 130 °C > 125 °C, sí que cal dissipador.
(d) Escalfament: 2,1 · 20 = 42 °C; temperatura: 25 + 42 = 67 °C, que ja és segura (< 125 °C).
El perquè: un regulador lineal es «menja» en calor la tensió que sobra; com més gran és la diferència entre l'entrada i la sortida, pitjor és el rendiment. Un convertidor commutat perd molt menys.

T'has encallat amb aquest exercici? Pregunta-ho per WhatsApp · Ensenya-ho a casa

Preguntes freqüents

Com es passa un nombre binari a decimal?

Multiplicant cada xifra per la potència de 2 de la seva posició i sumant. 101 en binari és 1 · 4 + 0 · 2 + 1 · 1 = 5.

Quina diferència hi ha entre una porta OR i una XOR?

Totes dues donen 1 si una entrada és 1. Però si les dues entrades són 1, la OR dona 1 i la XOR dona 0.

Tornar a Tecnologia i Digitalització

Altres temes de Tecnologia i Digitalització 4t ESO