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Eletronica Digital, Notas de estudo de Física

Eletronica Digital

Tipologia: Notas de estudo

Antes de 2010

Compartilhado em 23/07/2010

paola-cauduro-3
paola-cauduro-3 🇧🇷

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Grandezas Analógicas e Digitais
Grandezas analógicas são aquelas que podem variar em um intervalo contínuo
de valores. Por exemplo, a velocidade de um veículo pode assumir qualquer valor de 0 a
100 Km/h. Grandezas digitais, por sua vez, são aquelas que variam em passos discretos.
Por exemplo, o tempo varia continuamente, mas a sua apresentação através de um
relógio digital é feita em passos discretos, a cada minuto.
Um sistema analógico contém dispositivos que podem manipular quantidades
físicas analógicas. Por exemplo, a saída de um amplificador pode variar continuamente
dentro de um certo intervalo. Um sistema digital contém dispositivos capazes de
manipular informações lógicas (representadas na forma digital). Um exemplo seria um
computador.
Algumas das vantagens das técnicas digitais estão listadas a seguir:
- Sistemas digitais são mais fáceis de projetar;
- Fácil armazenamento de informação;
- Maior exatidão e precisão;
- A operação do sistema pode ser programada;
- Circuitos digitais são menos afetados pelo ruído;
- Um maior número de circuitos digitais pode ser colocado em um circuito integrado.
Em sistemas digitais, a informação geralmente apresenta a forma binária. Essas
quantidades binárias podem ser representadas por qualquer dispositivo que apresente
dois estados de operação. Uma chave, por exemplo, pode estar aberta ou fechada.
Podemos dizer que a chave aberta corresponde ao dígito binário “0” e a chave fechada
corresponde ao dígito binário “1”.
Em sistemas digitais eletrônicos, a informação binária é representada por níveis
de tensão (ou correntes). Por exemplo, zero volt poderia representar o valor binário “0”
e +5 volts poderiam representar o valor binário “1”. Mas, devido a variações nos
circuitos, os valores binários são representados por intervalos de tensões: o “0” digital
corresponde a uma tensão entre 0 e 0,8 volts enquanto o “1” digital corresponde a uma
tensão entre 2 e 5 volts. Com isso percebemos uma diferença significativa entre um
sistema analógico e um sistema digital. Nos sistemas digitais, o valor exato da tensão
não é tão importante.
O sistema binário de numeração é o mais importante em sistemas digitais. O
sistema decimal também é importante porque é usado por nós para representar
quantidades.
- Sistema decimal – contém 10 algarismos (0 a 9). A representação do número 273 no
sistema decimal pode ser pensada como
273 = (2 x 102) + (7 x 101) + (3 x 100)
- Sistema binário contém 2 algarismos (0 e 1) e a representação de um número no
sistema binário, pode ser convertido em decimal do mesmo modo que o apresentado
acima. Por exemplo, o número 1101 na base binária é
1101 = (1 x 23) + (1 x 22) + (0 x 21) + (1 x 20) = 13, na base decimal.
A tabela abaixo apresenta uma relação entre alguns números na base decimal e
sua respectiva representação na base binária
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Grandezas Analógicas e Digitais

Grandezas analógicas são aquelas que podem variar em um intervalo contínuo de valores. Por exemplo, a velocidade de um veículo pode assumir qualquer valor de 0 a 100 Km/h. Grandezas digitais, por sua vez, são aquelas que variam em passos discretos. Por exemplo, o tempo varia continuamente, mas a sua apresentação através de um relógio digital é feita em passos discretos, a cada minuto. Um sistema analógico contém dispositivos que podem manipular quantidades físicas analógicas. Por exemplo, a saída de um amplificador pode variar continuamente dentro de um certo intervalo. Um sistema digital contém dispositivos capazes de manipular informações lógicas (representadas na forma digital). Um exemplo seria um computador. Algumas das vantagens das técnicas digitais estão listadas a seguir:

  • Sistemas digitais são mais fáceis de projetar;
  • Fácil armazenamento de informação;
  • Maior exatidão e precisão;
  • A operação do sistema pode ser programada;
  • Circuitos digitais são menos afetados pelo ruído;
  • Um maior número de circuitos digitais pode ser colocado em um circuito integrado.

Em sistemas digitais, a informação geralmente apresenta a forma binária. Essas quantidades binárias podem ser representadas por qualquer dispositivo que apresente dois estados de operação. Uma chave, por exemplo, pode estar aberta ou fechada. Podemos dizer que a chave aberta corresponde ao dígito binário “0” e a chave fechada corresponde ao dígito binário “1”. Em sistemas digitais eletrônicos, a informação binária é representada por níveis de tensão (ou correntes). Por exemplo, zero volt poderia representar o valor binário “0” e +5 volts poderiam representar o valor binário “1”. Mas, devido a variações nos circuitos, os valores binários são representados por intervalos de tensões: o “0” digital corresponde a uma tensão entre 0 e 0,8 volts enquanto o “1” digital corresponde a uma tensão entre 2 e 5 volts. Com isso percebemos uma diferença significativa entre um sistema analógico e um sistema digital. Nos sistemas digitais, o valor exato da tensão não é tão importante.

O sistema binário de numeração é o mais importante em sistemas digitais. O sistema decimal também é importante porque é usado por nós para representar quantidades.

  • Sistema decimal – contém 10 algarismos (0 a 9). A representação do número 273 no sistema decimal pode ser pensada como 273 = (2 x 10^2 ) + (7 x 10^1 ) + (3 x 10^0 )
  • Sistema binário – contém 2 algarismos (0 e 1) e a representação de um número no sistema binário, pode ser convertido em decimal do mesmo modo que o apresentado acima. Por exemplo, o número 1101 na base binária é 1101 = (1 x 2^3 ) + (1 x 2^2 ) + (0 x 2^1 ) + (1 x 2^0 ) = 13, na base decimal.

A tabela abaixo apresenta uma relação entre alguns números na base decimal e sua respectiva representação na base binária

Decimal Binário 0 0 1 1 2 10 3 11 4 100 5 101 6 110 7 111 8 1000 9 1001 10 1010 11 1011 12 1100 13 1101 14 1110 15 1111

Portas Lógicas Em qualquer sistema digital, a unidade básica construtiva é a porta lógica. Portas lógicas são encontradas tanto circuitos com grande nível de integração (como em processadores de computadores, por exemplo) como circuitos mais simples com apenas algumas portas lógicas. O objetivo delas é trabalhar com sinais de tensão em sua entrada e produzir na saída um sinal que obedece a lógica para a qual ela foi concebida Os níveis de tensão com as quais as portas podem trabalhar dependem da tecnologia usada. A tecnologia TTL (lógica de transistor a transistor) foi projetada para trabalhar com tensões entre 0 e 5 V, enquanto que a tecnologia CMOS (junção Metal- Óxido-Semicondutor Complementar) trabalha com tensões entre 0 e 12 V. A primeira é também a mais antiga e que consome mais energia sendo substituída em muitos projetos por circuitos MOS, mais rápidos, confiáveis e de menor consumo de energia. O nível alto de tensão corresponde ao número binário 1 e o nível baixo ao número binário 0. Na prática os circuitos aceitam como 0 ou 1 níveis próximos a zero ou o valor máximo de tensão, mas deve-se ter claro que níveis intermediários podem ser tratados tanto como 0 ou 1 e o resultado final pode não corresponder à lógica para o qual ele foi construído.

  • Portas NAND e NOR (Não E e Não OU) As portas discutidas até agora podem também ter suas saídas invertidas (negadas na terminologia da eletrônica digital) com relação às originais. Isso dá origem às portas NAND e NOR, cuja tabela verdade e símbolos estão apresentados abaixo.

Entradas Saídas A B NAND NOR 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0

Figura 3 – Representação esquemática das portas NOR e NAND com as respectivas tabelas verdade.

  • Porta XOR (OU Exclusivo) e XNOR (Não exclusivo) A porta XOR estabelece em sua saída um sinal alto exclusivamente se apenas uma das entradas for alta. A XNOR é similar à XOR, mas com a saída invertida, ou negada.

Entradas Saídas A B XOR XNOR 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1

XOR XNOR

Figura 4 – Portas lógicas OR Exclusivo e NOR Exclusivo com suas tabelas verdade.

Circuitos Combinacionais Os circuitos combinacionais são aqueles onde as saídas dependem apenas dos níveis lógicos colocados nas entradas. São formados pela associação de portas lógicas para atingir um objetivo bem determinado. Nesse tipo de circuitos a mesma combinação de entrada sempre produzirá o mesmo resultado na saída. Talvez circuito mais utilizado seja o somador, conforme o diagrama abaixo.

Figura 5 – Representação esquemática de um circuito somador

Nesse circuito a saída (Soma) é a soma binária do conteúdo das entradas A e B. A saída “Vai-um” é o análogo a soma decimal quando o resultado da soma é maior do que 10.

Parâmetros de Circuitos Integrados Digitais Os fabricantes de circuitos integrados digitais seguem praticamente o mesmo padrão de nomenclatura e terminologia quanto a especificação das propriedades dos seus componentes

a) Propriedades de Tensão e Corrente:

  • VIH(min) – Mínima Tensão de Entrada em Nível Alto.
  • VIL(max) – Máxima Tensão de Entrada em Nível Baixo.
  • VOH(min) – Mínima Tensão de Saída em Nível Alto.
  • VOL(max) – Máxima Tensão de Saída em Nível Baixo.
  • IIH – Corrente de Entrada em Nível Alto.
  • IIL – Corrente de Entrada em Nível Baixo.
  • IOH – Corrente de Saída em Nível Alto.
  • IOL – Corrente de Saída em Nível Baixo.

b) Fan-Out O Fan-Out corresponde ao número máximo de entradas lógicas que uma saída de um circuito lógico pode acionar. Se esse número for excedido, os níveis de tensão e corrente não serão garantidos.

c) Atrasos de Propagação Um sinal lógico, ao atravessar um circuito, sofre um atraso. Existem dois tipos de atraso:

  • tPLH – Tempo de atraso do estado lógico “0” para o “1”.

Figura 6 - Circuito lógico do flip-flop R-S e a sua tabela verdade.

O circuito acima mostra que o estado futuro das saídas Q e Q dependem do estado de R e S e também do estado atual dessas saídas.

  • Nos casos 0 e 1, com S = 0 e R = 0, as saídas Q e Q permaneceram inalteradas (memória).
  • Nos casos 2 e 3, com S = 0 e R = 1, a saída Q foi para 0 e Q foi para 1.
  • Nos casos 4 e 5, com S = 1 e R = 0, a saída Q foi para 1 e Q foi para 0.
  • Nos casos 6 e 7, com S = 1 e R = 1, as saídas Q e Q foram para 1, ocasionando problema, já que as saídas Q e Q devem ser complementares.

Figura 7 – Tabela verdade do Flip-Flop apenas com os casos válidos e seu diagrama esquemático.

Álgebra de Boole A álgebra Booleana trabalha somente com os valores 0 e 1 ( verdadeiro ou falso). O estudo da álgebra de Boole é muito importante para a compreensão dos circuitos lógicos, muito utilizados nos computadores digitais. A tabela abaixo representa um resumo das portas lógicas estudadas acima e a “aritmética” de Boole associada a cada uma delas

As funções Booleanas trabalham com variáveis Booleanas e operadores lógicos que podem ser transformados através de todas as possibilidades de 0 e 1, atribuídos as variáveis, em tabelas verdades e circuitos lógicos.

Exemplo: Dada a função Booleana F = A. B + B temos a seguinte tabela veradade:

A B B A.B F=A.B+ B

Já o circuito lógico associado a essa operação é

  1. Na saída de um estacionamento de um Shopping Center, existem 2 cancelas que controlam o tráfego de saída. Cada posição possui um sensor de presença de veículo para abrir ou não a cancela. Somente um cancela poderá ser aberta por vez para que não haja colisão.

Veículo Cancela