Mini apostila de eletrônica, Notas de estudo de Eletrônica

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MINICURSO

ELETRÔNICA DIGITAL

• Sistemas de Numeração

• Portas Lógicas

• Multiplexadores / Demultiplexadores

• Displays

• Decodificadores

• Contadores

• Temporizadores

Organização:

Grupo PET Engenharia Elétrica – Universidade do Estado de Santa Catarina

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APRESENTAÇÃO

A. Regras Gerais do Laboratório 1.1 Evitar a presença no laboratório enquanto um professor responsável ou laboratorista não estiver presente. 1.2 Somente utilizar os equipamentos especificados pelo orientador responsável. B. Procedimentos dos alunos 2.1 Ler e estudar o conteúdo da apostila referente à aula previamente. 2.2 Preencher, no decorrer da experiência, os dados requisitados pelo relatório nos espaços indicados. 2.3 Antes de sair, os alunos devem providenciar para que o material utilizado seja recolocado nos seus devidos lugares. C. Laboratoristas São os responsáveis pela manutenção e organização dos laboratórios. Quaisquer materiais que se queira utilizar nas experiências, tais como resistores, capacitores, cabos para osciloscópio, etc., deverão ser pedidos aos laboratoristas e, após o término do experimento, a eles devolvidos. D. Ambiente de Laboratório O laboratório é composto por bancadas contendo um barramento de alimentação com tomadas de dois e três pinos para 220 Vrms – 60 Hz. A essas tomadas são ligados os equipamentos do laboratório utilizados nas experiências. E. Equipamentos Existentes Os equipamentos dividem-se em dois grupos principais: os equipamentos de medidas, caracterizados por fornecerem dados de saída como tensões e correntes, e os de alimentação, responsáveis pela alimentação dos circuitos implementados.

• Multímetro (Voltímetro, Amperímetro, Ohmímetro, etc.);
• Osciloscópio (Duplo Traço);
• Fontes de Tensão e Corrente Contínua (DC Power Suply);
• Gerador de Sinais (Senoidal, Quadrada, Triangular e etc.);

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PLANEJAMENTO DE AULAS

1ª Aula: (dia 20/03/07) 9 Apresentação do Minicurso 9 Introdução 9 Sistemas de Numeração 9 Instrumentos de Laboratório – Teoria e Laboratório 1

2ª Aula: (dia 21/03/07) 9 Portas Lógicas – Teoria e Laboratório 2

3ª Aula: (dia 23/03/07) 9 Multiplexadores e Demultiplexadores – Teoria e Laboratório 3

4 Aula: (dia 26/03/07) 9 Temporizadores – Teoria e Laboratório 4 9 Displays – Teoria 9 Decodificadores – Teoria 9 Contadores - Teoria

5ª Aula: (dia 28/03/07) 9 Contadores, Decodificadores e Displays - Laboratório 5 9 Relógio Digital - Laboratório 6

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tempo. O desenvolvimento da tecnologia dos Circuitos Integrados (CI´s), possibilitando a colocação em um único invólucro de diversos componentes já interligados, veio permitir um desenvolvimento muito rápido da Eletrônica Digital e conseqüentemente do projeto de sistemas digitais. Foi criada então uma série de circuitos integrados que continham numa única pastilha as funções lógicas digitais mais usadas e de tal maneira projetadas para que todas fossem compatíveis entre si. Estas séries de circuitos integrados formaram então as Famílias Lógicas (Exemplo: CMOS e TTL), a partir das quais os projetistas tiveram facilidade em encontrar todos os blocos para montar seus sistemas digitais. Os circuitos digitais possuem muitas vantagens, quando comparados com os circuitos analógicos, tais como:

• São mais simples e mais fáceis de serem projetados;
• A leitura dos resultados é única e livre da interpretação do usuário. Por exemplo, o resultado apresentado por um voltímetro digital independe do usuário e da sua posição em relação ao instrumento, enquanto para um voltímetro analógico é possível o registro de valores diferentes para uma mesma leitura dependendo da habilidade do usuário e da sua posição em relação ao equipamento;
• É possível fazer o armazenamento de dados de forma fácil e quase ilimitada, ao contrário dos circuitos analógicos onde, ainda que possível, o armazenamento é difícil e a capacidade é limitada;
• Os resultados obtidos são mais precisos, ou seja, representam medidas de grandezas mais próximas da realidade. Nos circuitos analógicos a precisão dos resultados é muito dependente dos componentes, tais como, resistores, capacitores e ruídos sobre as tensões e correntes envolvidas;
• Os resultados podem ser apresentados com maior número de dígitos, parâmetro conhecido como resolução. Por exemplo, é possível trabalhar com um voltímetro digital com seis casas após a vírgula, enquanto num voltímetro analógico com duas casas ou no máximo três.

2. SISTEMAS DE NUMERAÇÃO

2.1 SISTEMA DECIMAL

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Quando ouvimos pronunciar a palavra número, automaticamente a associamos ao sistema decimal com o qual estamos acostumados a operar. Este sistema está fundamentado em certas regras que são bases para qualquer outro. Vamos, portanto, estudar estas regras e aplicá-las aos sistemas de numeração binária e hexadecimal, que são utilizados em computadores digitais, circuitos lógicos em geral e no processamento de informações dos mais variados tipos. O número decimal 573 pode ser também representado da seguinte forma, denominada forma polinomial: 573 = 500 + 70 + 3 = 5 x 10^2 + 7 x 10^1 + 3 x 10^0 Isto nos mostra que, um dígito no sistema decimal tem na realidade dois significados. Um, é o valor propriamente dito do dígito, e o outro é o que está relacionado com a posição do dígito no número (peso). Por exemplo: o dígito 7 no número acima representa 7 x 10, ou seja 70, devido a posição que ele ocupa no número. Este princípio é aplicável a qualquer sistema de numeração onde os dígitos possuem "pesos", determinados pelo seu posicionamento. Sendo assim, um sistema de numeração genérico pode ser expresso da seguinte maneira: N = d (^) n. Bn^ +... + d3. B^3 + d 2. B^2 + d 1. B^1 + d 0. B^0 Onde:

• N = Representação do Número na Base Decimal
• d (^) n = Dígito na Posição N
• B = Base do Sistema Utilizado
• n = Valor Posicional do Dígito

Exemplo 1: Escrever o número 1587 na forma polinomial. N = d 3. B^3 + d 2. B^2 + d 1. B^1 + d 0. B^0 1587 = 1. 10^3 + 5. 10^2 + 8. 10 1 + 7. 10^0

2.2 SISTEMA BINÁRIO

O sistema binário utiliza dois dígitos 0 e 1 (base 2), para representar qualquer quantidade. De acordo com a definição de um sistema de numeração qualquer, o número binário 1101 pode ser representado na forma polinomial, como segue abaixo, e a partir deste obtemos o decimal equivalente:

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Tabela 1 – Sistema Hexadecimal

Note que as letras A, B, C, D, E, F representam dígitos associados às quantidades 10, 11, 12, 13, 14, 15, respectivamente. 2.4 SISTEMA BCD

O código BCD é um sistema de representação dos dígitos decimais desde 0 até 9 com um código binário de 4 bits. Esse código BCD usa o sistema de pesos posicionais 8421 do código binário puro. O usual código 8421 BCD e os equivalentes decimais são mostrados na tabela abaixo. Exatamente como binário puro, pode-se converter os números BCD em seus equivalentes decimais simplesmente somando os pesos das posições de bits onde aparece 1. Observe, entretanto, que existem apenas dez códigos válidos. Os números binários de 4 bits representando os números decimais desde 10 até 15 são inválidos no sistema BCD. Para representar um número decimal em notação BCD substitui-se cada dígito decimal pelo código de 4 bits apropriados, conforme mostra a Tabela 2.

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Tabela 2 - Código BCD

Por exemplo, o inteiro decimal 834 em BCD é 1000 0011 0100. Cada dígito decimal é representado pelo seu código BCD 8421 equivalente. Um espaço é deixado entre cada grupo de 4 bits para evitar confusão do formato BCD com o código binário puro. Uma vantagem do código BCD é que as dez combinações do código BCD são fáceis de lembrar. Conforme se começa a trabalhar com números binários regularmente, os números BCD tornam-se tão fáceis e automáticos como números decimais. Por esta razão, por simples inspeção da representação BCD de um número decimal pode-se efetuar a conversão quase tão rápido como se já estivesse na forma decimal. Como exemplo, converter o número BCD no seu equivalente decimal. 0110 0010 1000.1001 0101 0100 = 628, O código BCD simplifica a interface Homem-máquina, mas é menos eficiente que o código binário puro. Usam-se mais bits para representar um dado número decimal em BCD que em notação binária pura. Por exemplo, o número decimal 83 é escrito como 1000 0011. Em código binário puro, usam-se apenas 7 bits para representar o número 83. Em BCD, usam-se 8 bits. O código BCD é ineficiente, pois, para cada bit numa palavra de dado, há usualmente alguma circuitaria digital associada. A circuitaria extra associada com o código BCD custa mais, aumenta a complexidade do equipamento e consome mais energia. Operações aritméticas com números BCD também consomem mais tempo e são mais complexas que aquelas com números binários puros. Com quatro bits de informação binária, você pode representar um total de 24 = 16 estados diferentes ou os números decimais equivalentes desde o 0 até o 15. No sistema BCD, seis destes estados (10-15) são desperdiçados.

2.5 CONVERSÃO BINÁRIO-DECIMAL

DECIMAL BCD 8421 BINÁRIO 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0001 0000 0001 0001 0001 0010 0001 0011 0001 0100 0001 0101

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

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b)

2.7 CONVERSÃO HEXADECIMAL-DECIMAL

Aplicamos para o sistema hexadecimal a definição de um sistema de numeração qualquer, ou seja, podemos escrevê-lo na forma polinomial e assim obter o decimal equivalente, conforme segue abaixo: N = d (^) n. 16n^ +... + d2. 16^2 + d 1. 16^1 + d 0. 16^0 Para se efetuar a conversão, basta adicionar os membros da segunda parcela da igualdade, como ilustra o exemplo a seguir:

Exemplo 3 : Converter em decimal os seguintes números hexadecimais: a) 23 (^) H b) 3BH

Solução: a) 23 (^) H = 2. 16^1 + 3. 16^0 b) 3BH = 3. 16^1 + B. 16^0 (^23) H = 2. 16 + 3. 1 3BH = 3. 16 + 11 (^23) H = 35 (^) D 3BH = 59 (^) D

Observe que o dígito hexadecimal "B", no exemplo (b), equivale ao número 11 decimal, como mostra a Tabela 1.

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2.8 CONVERSÃO DECIMAL-HEXADECIMAL

A conversão decimal hexadecimal é efetuada através das divisões sucessivas do número decimal por 16, como demonstrado no exemplo a seguir.

Exemplo 4 : Converter em hexadecimal os seguintes números: a) 152 (D) b) 249 (D)

Solução:

Exercícios: 1) Transforme os números seguintes para a base decimal: 1011101B = AE0 (^) H = 101111B = E7A (^) H = ABC (^) H =

2) Transforme os números seguintes para a base binária: (^153) D = 3A5 (^) H = 123D = CFCH =

3) Transforme os números seguintes para a base hexadecimal: (^11101101) B = (^234) D =

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Figura 3 - Interligações das trilhas do protoboard As trilhas do protoboard são interligadas, por contatos internos compostos de uma liga de prata e níquel. Estas ligações podem ocorrer de duas maneiras diferentes. Conforme a Figura 3 , as trilhas do tipo A, chamadas de Base de Vias , são interligadas internamente no sentido horizontal, e as trilhas do tipo B, chamadas de Base Soquete , por sua vez, são interligadas internamente no sentido vertical. Os pinos de alimentação representados pelas letras C, D, E, são destinados a conexão de fontes de alimentação. A partir destes pinos que a alimentação é então, distribuída para o circuito por meio de fios rígidos de 0,3mm a 0,8mm.

4. PORTAS LÓGICAS

As portas lógicas são os componentes básicos da eletrônica digital. Elas são usadas para criar circuitos digitais e até mesmo circuitos integrados mais complexos, como por exemplo, processadores e microcontroladores. Como já visto anteriormente, em eletrônica digital utiliza-se o sistema numérico binário, onde apenas dois números são permitidos, “0” e “1”. Zero representa tensão de 0 V (nível baixo de tensão), enquanto que “1” representa uma tensão de +VCC (nível alto de tensão), cujo valor varia conforme a família do circuito que se está utilizando. Você pode pensar nos números “0” e “1” como uma lâmpada sendo acesa ou apagada quando você liga ou desliga o seu interruptor. Uma letra, também conhecida como variável, pode receber valores no sistema binário. Assim, “A” pode ser “0” ou “1”. Se A for um interruptor, A será “0” quando o interruptor

C

D

E

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estiver desligado e “1” quando o interruptor estiver ligado. Para melhor exemplificar pode-se verificar o circuito na Figura 4.

Figura 4- Circuito de Exemplificação

4.1 PORTAS LÓGICAS BÁSICAS

Não há um grande número de portas básicas, mas conhecendo-as pode-se obter diferentes funções lógicas, gerando assim portas mais complexas, ou seja, circuitos digitais. A seguir, tem-se a descrição das portas lógicas mais fundamentais. 4.1.1 Porta AND (E)

Uma porta lógica AND realiza uma operação lógica “AND” (“E”), que é uma multiplicação. Ela possui pelo menos duas entradas. Por isso, se A e B são suas entradas, na saída teremos o resultado de A x B (também representado como A · B). A porta lógica AND pode ser resumida através da fórmula L = A x B (ou L = A · B ). Pode-se visualizar seu símbolo na Figura 5 e sua tabela verdade na Tabela 3.

Figura 5 - Porta lógica AND

Tabela 3 - Tabela Verdade Lógica AND A B L (Saída) 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

Adicionando-se uma chave "B", em série, ao circuito da Figura 4, obtém-se o circuito da Figura 6, que exemplifica o funcionamento da porta AND, ou seja, apenas quando ambas as chaves "A" E "B" estiverem acionadas, a lâmpada "L" acende.

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você entrar o nível lógico “1”, obterá o nível lógico “0” na saída. O símbolo do inversor pode ser visto na Figura 8 e sua tabela verdade mostrada na Tabela 4.

Figura 8 - Porta lógica NOT

Tabela 4 - Tabela Verdade NOT A (Entrada) L (Saída) 0 1 1 0

O circuito da Figura 9 mostra como funciona uma porta inversora utilizando-se de uma chave. O resistor presente no circuito serve apenas para evitar o curto-circuito da fonte de alimentação.

Figura 9 - Circuito-exemplo da Porta NOT (Inversora)

Em circuitos lógicos, usamos o símbolo “o” como forma abreviada para o inversor. Você verá este símbolo em portas lógicas do tipo NAND, NOR e XNOR. O circuito integrado 7404 possui seis inversores e tem sua pinagem mostrada na Figura 10.

Figura 10 - CI 7404 - Seis inversores.

4.1.3 Porta OR (OU)

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Como o nome sugere, uma porta lógica OR realiza uma operação lógica “OR” (“OU”), que é uma adição. Ela possui pelo menos duas entradas. Por isso, se A e B são suas entradas, na saída teremos o resultado de A + B. Uma porta lógica OR pode ser resumida através da fórmula Y = A + B. Verifica-se seu símbolo na Figura 11 e sua tabela verdade na Tabela 5.

Figura 11 - Porta lógica OR

Tabela 5 - Tabela Verdade OR A B L 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Novamente se adicionarmos uma chave "B" ao circuito da Figura 4, mas agora em paralelo, obtém-se o circuito que nos exemplifica a porta OR, como pode ser visto na Figura

Figura 12 - Circuito-exemplo da Porta OR

Uma outra maneira de entender a porta lógica OR é a seguinte: sua saída será sempre “0” quando todos os valores de entrada forem iguais a “0”. Caso contrário, sua saída será “1”.

LEMBRETE: PORTA OR

Tendo pelo menos uma entrada "1" a saída será "1".

O circuito integrado da Figura 13 é o 7432, que possui quatro portas OR. Existem outros circuitos integrados que possuem portas OR com mais entradas, por exemplo, o 7427 possui três portas OR com três entradas cada.