Eletrônica
Digital
tradução da 5a edição norte-america norte-americana na
James W. Bignell e Robert Donovan
ELETRÔNICA DIGITAL 5ª EDIÇÃO NORTE-AMERICANA James Bignell Robert Donovan
Tradução All Tasks Revisão técnica Wânderson de Oliveira Assis
Austrália • Brasil • Japão • Coreia • México • Cingapura • Espanha• Reino Unido • Estados Unidos
SUMÁRIO Prefácio XII
1
SISTEMAS NUMÉRICOS 1
1.1
Sistema Numérico Binário 2
1.2
Conversão de Binário em Decimal 4
1.3
Conversão de Decimal em Binário 5
1.4
Sistema Numérico Octal 8
1.5
Conversão de Binário em Octal 10
1.6
Conversão de Octal em Binário 11
1.7
Sistema Numérico Hexadecimal 12
1.8
Conversão de Binário em Hexadecimal 14
1.9
Conversão de Hexadecimal em Binário 15
1.10
Decimal Codificado em Binário (BCD) 15
1.11
Adição Binária 21
1.12
Subtração Binária 24
1.13
Diagnóstico e Solução de Problemas de um Somador de 4 Bits 26 Aplicação Digital 28 Resumo 29 Questões e Problemas 30 Lab 1A
Somador Completo de 4 Bits 7483 32
Lab 1B
Somador Completo de 4 Bits 4008 38
2
PORTAS LÓGICAS 41
2.1
Portas 42
2.2
Inversores 42
2.3
Portas OR 44
2.4
Portas AND 49
2.5
Portas NAND 55
2.6
Portas NOR 58
2.7
Habilitação/Inibição do Controle de Dados 62
2.8
Habilitação/Inibição de Portas AND 62
2.9
Habilitação/Inibição de Portas NAND 63
2.10
Habilitação/Inibição de Portas OR 64
2.11
Habilitação/Inibição de Portas NOR 65
2.12
Resumo: Habilitação/Inibição 66
VIM M M
ELETRÔNICA DIGITAL
2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20
NAND como um Inversor 67 NOR como um Inversor 67 Expansão de uma Porta AND 67 Expansão de uma Porta NAND 68 Expansão de uma Porta OR 68 Expansão de uma Porta NOR 68 Programação de um PLD (Opcional) 69 Diagnóstico e Solução de Problemas de Portas 74 Aplicação Digital 75 Resumo 76 Questões e Problemas 78 Lab 2A Portas 84 Lab 2B Portas 87
3
FORMAS DE ONDA E ÁLGEBRA BOOLEANA 91
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11
Análise de Formas de Onda 92 Formas de Onda de Clock Atrasado e Contador de Deslocamento 94 Lógica Combinacional 101 Teoremas Booleanos 102 Teoremas de DeMorgan 109 Projeto de Circuitos Lógicos 114 Portas AND-OR-INVERT 124 Redução de Expressões Booleanas Utilizando Mapas de Karnaugh 127 Dispositivos de Lógica Programável 129 Programação de um PLD (Opcional) 133 Diagnóstico e Solução de Problemas de Circuitos Lógicos Combinacionais 136 Aplicação Digital 138 Resumo 139 Questões e Problemas 140 Lab 3A Álgebra Booleana 149 Lab 3B Conversor de Lógica 152
4
PORTAS EXCLUSIVE-OR 155
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
Exclusive-OR 156 Habilitação/Inibição 159 Análise de Formas de Onda 160 Exclusive-NOR 161 Paridade 163
S U M Á R I O M M M VII
4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12
Gerador de Paridade Par 164 Gerador de Paridade Par/Ímpar 167 Verificador de Paridade 169 Gerador/Verificador de Paridade de 9 Bits 172 Comparador 176 Programação do CPLD (Opcional) 182 Diagnóstico e Solução de Problemas em Circuitos Exclusive-OR 186 Aplicação Digital 187 Resumo 188 Questões e Problemas 189 Lab 4A Exclusive-OR 194 Lab 4B Gerador/Verificador de Paridade 196
5
SOMADORES 199
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12
Somador Parcial (Meio-somador) 200 Somador Completo 201 Subtração Binária em Complemento de 1 209 Circuito de Adição/Subtração em Complemento de 1 211 Subtração Binária em Complemento de 2 215 Circuito de Adição/Subtração em Complemento de 2 218 Números em Complemento de 2 com Sinal 223 Adição de Decimal Codificado em Binário 230 Circuito Somador de Decimal Codificado em Binário 232 Unidade Lógica e Aritmética (ALU) 234 Programação de um CPLD (Opcional) 236 Diagnóstico e Solução de Problemas em Circuitos Somadores 243 Aplicação Digital 245 Resumo 245 Questões e Problemas 247 Lab 5A Somadores 251 Lab 5B Circuitos Somadores 253
6
ESPECIFICAÇÕES E PORTAS DE COLETOR ABERTO 257
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5
Subfamílias TTL 259 Características Elétricas do TTL 259 Correntes de Alimentação do TTL 265 Características de Chaveamento do TTL 266 Portas de Coletor Aberto do TTL 269
VIIIM M M
6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16
7
ELETRÔNICA DIGITAL
Aplicações de Coletor Aberto 272 CMOS 274 Subfamílias CMOS 274 Especificações do CMOS 277 Interface entre TTL e CMOS 280 CMOS de Baixa Tensão 282 Emitter Coupled Logic (ECL) 284 Interface entre ECL e Outras Famílias Lógicas 286 Tecnologia de Montagem em Superfície 288 Especificações de CPLD (Opcional) 290 Diagnóstico e Solução de Problemas de Dispositivos TTL CMOS 291 Aplicação Digital 292 Resumo 294 Questões e Problemas 294 Lab 6A Especificações e Portas de Coletor Aberto 297 Lab 6B Especificações e Inversores de Dreno Aberto 299 FLIP -FLOPS
301
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11
Introdução aos Flip-Flops 302 ––– ––––– Flip-Flops SET-RESET com Portas NAND 302 Flip-Flops SET-RESET com Portas NOR 304 Comparação entre Flip-Flops SET-RESET com NAND e NOR 306 ––– ––––– Utilização de um Flip-Flop SET-RESET como Debounce em Chaves 307 Flip-Flop SET-RESET Síncrono 308 Flip-Flop D Transparente 310 Flip-Flop D Mestre-Escravo 313 Flip-Flop D Acionado por Borda 319 Programação de um CPLD (Opcional) 319 Diagnóstico e Solução de Problemas em um Circuito Digital 324 Aplicação Digital 326 Resumo 327 Questões e Problemas 328 Lab 7A Flip-Flops 330 Lab 7B Flip-Flops 332
8
FLIP-FLOPS D MESTRE-ESCRAVO E JK
8.1 8.2 8.3
Alternando a Saída de um Flip-Flop D Mestre-Escravo 334 O Flip-Flop JK 335 Clock sem Sobreposição 338
333
S U M Á R I O M M M IX
8.4 8.5 8.6 8.7
Contador de Deslocamento 340 CIs de Flip-Flops JK Típicos 343 Programação de um CPLD (Opcional) 344 Diagnóstico e Solução de Problemas em Flip-Flops JK 348 Aplicação Digital 351 Resumo 352 Questões e Problemas 352 Lab 8A Contador de Deslocamento e Clock Atrasado 357 Lab 8B Flip-Flops JK 359
9
R EG IS TRA DOR ES DE DE SL OC AM ENT O
9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10
Registrador de Deslocamento Construído a partir de Flip-FlopsJK 362 Dados Paralelos e Seriais 363 Entrada Paralela e Saída Serial 364 Formatos de Transmissão de Dados Seriais 366 Circuitos Integrados Registradores de Deslocamento 370 Padrões de Dados Seriais 373 Código ASCII 376 Programação de um CPLD (Opcional) 378 Diagnóstico e Solução de Problemas em um Sistema RS-232C 382 Porta USB 384 Aplicação Digital 387 Resumo 387 Questões e Problemas 388 Lab 9A Registradores de Deslocamento 391 Lab 9B Registradores de Deslocamento 398
10
CONTADORES 399
10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9
Contador Assíncrono 400 Método “Decode-and-Clear” para Fazer um Contador Assíncrono de Divisão porN 401 Contador Síncrono de Divisão por N 403 Contadores Pré-ajustáveis 406 Contador Crescente-Decrescente 409 Circuitos Integrados de Contadores com Tecnologia TTL-MSI Típicos 411 Contador de Divisão por N e ½ 415 Programação de um CPLD (Opcional) 418 Diagnóstico e Solução de Problemas em Contadores 423 Aplicação Digital 425 Resumo 426
3 61
XM M M E L E T R Ô N I C A
DIGITAL
Questões e Problemas 427 Lab 10A Contadores 429 Lab 10B Contadores 432
11
ENTRADAS E CLOCKS SCHMITT-TRIGGER 433
11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6
Entrada Schmitt-Trigger 434 Utilização de um Schmitt-Trigger para Converter uma Onda Irregular em Onda Quadrada 434 Circuito de Clock Schmitt-Trigger 435 Temporizador 555 Usado como Circuito de Clock 438 Osciladores a Cristal 444 Diagnóstico e Solução de Problemas de Circuitos de Clock 445 Aplicação Digital 447 Resumo 448 Questões e Problemas 448 Lab 11A Schmitt-Triggers e clocks 451 Lab 11B Clocks 453
12
CI RC UIT OS D E DI SP ARO 4 55
12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8
Chave com Debounce Usando Circuito de Disparo 456 Circuito Alongador de Pulso 456 Circuito de Disparo com Reacionamento 458 Circuito de Disparo sem Reacionamento 459 O 555 como Circuito de Disparo Único 460 74121 e 74LS122 462 Separador de Dados 464 Diagnóstico e Solução de Problemas de Circuitos de Disparo 466 Aplicação Digital 468 Resumo 468 Questões e Problemas 469 Lab 12A Circuitos de Disparo 471 Lab 12B Circuitos de Disparo 472
13
CONVERSÕES DE DIGITAL PARA ANALÓGICO E DE ANALÓGICO PARA DIGITAL 475
13.1 13.2 13.3 13.4 13.5
Redes de Resistores para Conversão Digital-Analógico 476 Conversor Digital-Analógico TTL 480 Conversão Analógico-Digital Utilizando Comparadores de Tensão 482 Conversor Analógico-Digital de Contagem e Comparação 486 Conversor Analógico-Digital de Aproximação Sucessiva 487
S U M Á R I O M M M XI
13.6 13.7 13.8
Circuito Integrado de Conversor Digital-Analógico DAC0830 490 Desenvolvimento da Lógica de um Conversor Analógico-Digital com Comparador de Tensão de 3 Bits 493 Diagnóstico e Solução de Problemas de Conversores Digital-Analógicos 494 Aplicação Digital 496 Resumo 497 Questões e Problemas 497 Lab 13A Digital-Analógico e Analógico-Digital 499 Lab 13B Conversores Analógico-Digital 501
14
DECODIFICADORES, MULTIPLEXADORES, DEMULTIPLEXADORES E DISPLAYS 503
14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 14.7 14.8 14.9 14.10 14.11
Decodificadores 504 Demultiplexadores 506 Multiplexadores 507 Utilização de um Multiplexador para Reproduzir uma Tabela-Verdade Desejada 507 CI de Multiplexador e Demultiplexador 511 Multiplexador de Osciloscópio de 8 Traçados 513 Diodo Emissor de Luz 515 Display de Sete Segmentos 516 Display de Cristal Líquido (LCD) 520 Programação de um CPLD (Opcional) 524 Diagnóstico e Solução de Problemas em Decodificadores 533 Aplicação Digital 536 Resumo 537 Questões e Problemas 538 Lab 14A Multiplexadores, LEDs e Displays de Sete Segmentos 541 Lab 14B LED 544
15
PORTAS DE TRÊS ESTADOS E INTERFACE COM CORRENTE ALTA 547
15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8
Portas de Três Estados 548 Inversores e Buffers de Três Estados 550 Barramentos de Computadores e Porta de Três Estados 553 Buferização para Alta Corrente e Alta Tensão 554 Multiplexação de Displays de LEDs de Sete Segmentos 558 Isolamento de Circuitos com Optoacopladores 560 Transistor Bipolar de Porta Isolada (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor) 560 Diagnóstico e Solução de Problemas em Circuitos Digitais de Alta Corrente 562
XIIM M M E L E T R Ô N I C A
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Aplicação Digital 564 Resumo 565 Questões e Problemas 566 Lab 15A Portas de Três Estados 567 Lab 15B Interface de Alta Corrente 568
16 MEMÓRIAS E INTRODUÇÃO A MICROCOMPUTADORES 569 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.10 16.11 16.12
O Microcomputador e Suas Partes 570 Unidade Central de Processamento 570 Memória do Computador 574 ROM 574 PROM 575 EPROM 577 EEPROM 579 RAM Estática 580 RAM Dinâmica 582 Entrada/Saída do Computador 584 Programa 587 Microcontrolador 590 Aplicação Digital 592 16.13 Memória Flash 594 Resumo 600 Questões e Problemas 601 Lab 16 RAM 602
APÊNDICES 605 A B C D
Planos de Laboratório 607 Equipamentos Necessários para os Laboratórios 611 Pinagens 613 Portas NAND, MOS e CMOS 621
Glossário 627 Índice Remissivo 637
PREFÁCIO O livro Eletrônica digital , em sua quinta edição, apresenta um texto ágil e objetivo, ideal para estudantes universitários e para aqueles envolvidos com a ciência de modo geral, que precisam de sólida bagagem introdutória em eletrônica digital. Embora nenhum conhecimento prévio em eletrônica digital seja especificamente necessário, uma boa compreensão sobre como funcionam os circuitos CC permitirá que os alunos sintam mais confortáveis quanto aos conceitos de tensão, corrente e resistência. Aqueles que concluírem este curso estarão aptos para trabalhar aspectos relacionados ao hardware envolvido em um curso de microprocessadores.
ORGANIZAÇÃO DO TEXTO Este livro está organizado em dezesseis capítulos, um para cada semana de um semestre cheio. Cada capítulo termina com exercícios de laboratório estreitamente relacionados ao material do capítulo. Nesses laboratórios, a teoria é testada na prática e são aprendidas habilidades práticas, o que permite um equilíbrio entre teoria e prática. Esta edição está organizada da seguinte maneira:
Sistemas de Numeração O Capítulo 1 aborda os sistemas numéricos binário, octal, hexadecimal e decimal codificado em binário, juntamente com adição e subtração binária.
Portas Básicas Os capítulos 2 a 4 abordam as portas básicas e portas exclusive-OR, nos quais se detalham símbolos, símbolos de lógica invertida, expressões booleanas, tabelas-verdade, habilitação/inibição e expansão de portas. Formas de onda de contadores de deslocamento e cicuitos de clocks atrasados são utilizados para apresentar a análise de formas de onda. Métodos de álgebra booleana e mapas de Karnaugh são usados para a implementação das tabelas-verdade fornecidas. Utilizam-se as portas exclusive--OR como geradores de paridade, verificadores de paridade e comparadores de magnitudes.
Somadores O Capítulo 5 apresenta o método de subtração em complemento de 1 e 2 juntamente com a adição de decimais codificados em binário e números em complemento de 2 com sinal. Circuitos somadores/subtratores em complemento de 1 e 2 e circuitos somadores de decimais codificados em binário são criados por meio da utilização de portas básicas, em conjunto com somadores completos de 4 bits.
XIVM M M E L E T R Ô N I C A D I G I T A L
Especificações Saídas do tipo totem-pole e de coletor aberto são comparadas no Capítulo 6. Comparam-se também as características e os parâmetros das subfamílias TTL e CMOS. O capítulo apresenta a tecnologia Emitter-Coupled Logic. Abordam-se ainda o encapsulamento de circuitos integrados com montagem em superfície e resistores.
Flip-Flops Uma progressão de flip-flops é estudada nos capítulos 7 e 8, começando com flip-flops com portas NAND e avançando pelos flip-flops de porta, transparentes, de dados, mestre-escravo e JK . Os flip-flops e as portas JK são utilizados para a criação de formas de onda de contadores de deslocamento e circuitos de clock atrasados.
Comunicações Digitais O Capítulo 9 apresenta circuitos integrados de registradores de deslocamento serial e paralelo. O padrão RS-232 e o código ASCII são estudados, e um receptor serial é criado a partir de portas flip-flop. Abordam-se também as portas de barramento serial universal (USB). No exercício de laboratório de “relações humanas”, quatro alunos trabalham em equipe para criar um receptor serial com flip-flops, portas e circuitos integrados de registradores de deslocamento. O sistema inclui circuitos de registradores de deslocamento e circuitos de clock atrasado estudados no Capítulo 8. O laboratório estará concluído quando cada membro do grupo for capaz de receber e decodificar os sinais ASCII RS-232 procedentes de um computador.
Circuitos de Temporização Contadores do tipo “decode-and-clear” e síncronos são apresentados no Capítulo 10. Estudam-se os circuitos integrados de contadores e os contadores criados a partir de flip-flops e portas. O aluno aprende a projetar e criar contadores síncronos que contam em qualquer sequência. Portas Schmitt-trigger são apresentadas no Capítulo 11. Portas Schmitt-trigger, temporizadores 555, portas CMOS e cristais são utilizados para a criação de uma variedade de circuitos de clock. Circuitos de disparo, com e sem reacionamento, são abordados no Capítulo 12. Estudam-se os circuitos de disparo em circuito integrado e circuitos de disparo criados com portas Schmitt-trigger e temporizadores 555.
Circuitos de Interface O Capítulo 13 apresenta uma sequência de tópicos relativos ao interfaceamento entre circuitos de controle digital e o mundo externo. Conversores digital-analógico e analógico-digital são abordados no Capítulo 13. Contadores e comparadores, conversores de flash e conversores de aproximação sucessiva são criados com flip-flops, portas e comparadores de tensão. O circuito de aproximação sucessiva começa com os
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circuitos de contadores de deslocamento e circuitos de clock atrasados desenvolvidos no Capítulo 8. Apresentam-se ainda conversores de circuitos integrados. O Capítulo 14 apresenta circuitos integrados de multiplexadores e demultiplexadores e displays de LED e cristal líquido de sete segmentos. O Capítulo 15 apresenta as portas de três estados e os drivers de barramentos. São fornecidos exemplos de interfaceamento entre circuitos de controle e dispositivos de alta corrente e alta tensão.
Introdução a Microcomputadores O Capítulo 16 é uma ponte entre a eletrônica digital e os microcomputadores. Abordam-se as partes básicas de um microcomputador, e apresentam-se circuitos integrados de memória, além de aspectos relacionados aos CIs de memória flash e à sua utilização em cartões inteligentes (SmartMedia). Neste livro, há uma continuidade do temas estudados: as habilidades desenvolvidas em um capítulo são utilizadas e expandidas nos capítulos subsequentes. Por exemplo, no Capítulo 3, utilizam-se formas de onda de clock atrasado e contador de deslocamento como entradas para o estudo da análise das formas de onda das portas básicas. Esse tópico prossegue no Capítulo 8, onde as formas de onda de clock atrasado e contador de deslocamento são produzidas como aplicação dos flip-flops. No Capítulo 9, as formas de onda de clock atrasado e contador de deslocamento são incorporadas a um sistema de recepção serial, e, no Capítulo 13, um circuito de clock atrasado é utilizado em um circuito analógico-digital de aproximação sucessiva. Os exclusive-OR são utilizados para a apresentação de geradores de paridade, comparadores e somadores, e os flip-flops, para a apresentação de receptores seriais.
Apêndices O Apêndice A contém planos e diagramas esquemáticos para a construção de um kit de laboratório. O Apêndice B apresenta uma lista dos materiais necessários à construção dos circuitos de laboratório. As pinagens dos circuitos integrados utilizados nos exercícios de laboratório são mostradas no Apêndice C. Apesar de serem úteis, elas não substituem os manuais de especificações de bons dispositivos TTL e CMOS ( datasheet ). Recomendamos a obtenção dos datasheets de um ou mais dos principais fabricantes de circuitos integrados.
COMO UTILIZAR O LIVRO 1. Em cada capítulo, a seção “Objetivos” identifica as habilidades que o aluno irá adquirir após a leitura do material, e uma lista de “Termos-chave” destaca os principais tópicos e novos termos a serem estudados. 2. Cada capítulo contém questões de “Autoavaliação” que permitirão que os alunos se mantenham atentos ao material estudado e que fornecerão feedback imediato sobre o seu progresso. As respostas se encontram no site www.cengage.com.br, na página do livro. 3. Um resumo do capítulo lista os fatos pertinentes para uma rápida revisão e para fins de reforço. 4. No final de cada capítulo, a seção “Questões e problemas” oferece uma revisão do material e da prática, com o propósito de fazer funcionar os materiais. As respostas às questões com numeração ímpar estão no final do livro.
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5. Dois laboratórios estão incluídos no final de cada capítulo. O primeiro é um projeto prático de construção, e o segundo, uma análise em software Multisim® e um projeto de diagnóstico e solução de problemas. A competência em diagnóstico e solução de problemas é desenvolvida no primeiro laboratório por meio de fiação e diagnóstico e solução de problemas dos circuitos do laboratório, e no segundo laboratório, por meio de análise e diagnóstico e solução de problemas dos circuitos Multisim®. A utilização de ambos os tipos de laboratórios permite um equilíbrio entre a construção física de um circuito e a análise/diagnóstico e solução de problemas dos circuitos, utilizando ferramentas de simulação por computador, como o Multisim®. Os alunos precisam praticar ambas as abordagens para entender totalmente os problemas dos circuitos. 6. Muitos dos termos e das frases aqui utilizados estão definidos de forma sucinta no “Glossário”. Recomendamos sempre sua consulta para familiarização com a terminolog ia utilizada aqui. 7. Num estilo conciso e de fácil compreensão, são apresentados os conceitos fundamentais de forma clara e compreensível. 8. Este livro é acompanhado por diagramas esquemáticos e ilustrações que ajudam a esclarecer o material.
NOVIDADES DESTA EDIÇÃO 1. No Capítulo 1, as sequências de calculadora são apresentadas para as calculadoras TI-86 e para a calculadora científica incorporada aos sistemas operacionais Windows. Essas calculadoras são utilizadas para efetuar operações binárias, octais e hexadecimais, além de conversões decimais entre sistemas numéricos. 2. Seções opcionais abordando os Dispositivos Lógicos Programáveis Complexos (CPLD) foram integradas nesta edição. O Capítulo 2, Seção 2.19 (Programação de um PLD), apresenta um procedimento de treze passos que orienta o aluno através do processo completo de desenvolvimento de um projeto no qual as portas em um CPLD são configuradas para implementar uma função particular. Os passos 7 a 10 envolvem a criação de um arquivo de forma de onda vetorial que simula a operação do circuito. Mais adiante, no Capítulo 3, esses passos são apresentados em detalhe, após o estudo da análise da forma de onda. O procedimento de treze passos é reforçado nos capítulos 4, 5, 7, 8, 9, 10 e 14. Os passos 4 e 5 do procedimento de treze passos envolvem a codificação de um programa que descreve a configuração desejada de hardware. Os programas são desenvolvidos por meio do sistema de desenvolvimento Quartus II® da Altera Corporation*. A linguagem de programação utilizada no Quartus II® é a VHDL (Very High-Speed Hardware Description Language). Em cada um dos capítulos mencionados anteriormente, os programas em VHDL são criados, compilados, simulados e transferidos via download ao CPLD. Os exemplos apresentados referem-se ao kit ex p erimental RSR PL DT-2®*. O PLDT-2 contém um CPLD da família MAX 7000S, um EPM7128SLC84-15. Entretanto, o procedi-
* Não fornecidos pela Editora Cengage.
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3.
4.
5.
6.
mento de programação é facilmente adaptado a outros instrutores, como as placas University® da Altera. Em cada capítulo que contém uma seção sobre programação de um CPLD (capítulos 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10 e 14), um ou mais projetos são desenvolvidos. No final de cada capítulo, a seção “Questões e problemas” apresenta problemas que requerem que o aluno escreva um programa que utilize o VHDL para implementar um circuito particular. Todos esses exercícios podem ser expandidos em um projeto que resulte na programação e nos testes do CPLD real. Todos esses projetos (mais de 70) encontram- se na página do livro, no site ww w .cengage.com.br. Como na edição anterior, um dispositivo lógico programável simples (SPLD) é utilizado (Capítulo 3, Seção 3.9) para explicar como as combinações AND-OR são programadas para a execução de funções lógicas específicas. Um exemplo de programação de um SPLD utilizando CUPL é incluído. Em cada exemplo a partir daí, o VHDL é utilizado para programar os CPLD. Se o leitor quiser saltar as seções referentes à programação de dispositivos programáveis, isso poderá ser feito sem nenhum prejuízo à continuidade do material restante. No Capítulo 6, especificações foram adicionadas para as três subfamílias de CMOS: CMOS Avançado de Alta Velocidade (AHC), CMOS Avançado de Alta Velocidade Compatível com TTL (AHCT) e CMOS Avançado Compatível com TTL de Baixa Tensão (ALVT). Os problemas 46 e 47 exigem que o aluno pesquise a subfamília 7aACTQ e a configuração e disponibilidade de CIs de porta única. Ainda no Capítulo 6, a abordagem dos encapsulamentos de montagem em superfície foi expandida para incluir resistores de montagem em superfície, bem como encapsulamentos estilos SOIC, SOP, SSOP e TSSOP, e seus espaçamentos de pinos. O Capítulo 9 apresenta uma seção sobre portas de barramento serial universal (USB). A abordagem inclui os conectores e o cabeamento das portas, método de transmissão, codificação de dados e formas de onda, além do processo para extração do clock do stream de dados. O Capítulo 16 contém uma nova seção sobre a memória flash utilizada em câmeras digitais e dispositivos de gravação de músicas. As formas de onda são apresentadas para explicar como os blocos de dados são programados, lidos e apagados. Além de abordar aspectos relacionados aos CIs de memória flash , aponta-se sua utilização em cartões de memória SmartMedia. Cada capítulo é finalizado com dois exercícios de laboratório. O primeiro é construído sobre uma placa protótipo e o segundo é executado utilizando Multisim®. Os laboratórios de Multisim® foram atualizados para a versão 9.0. Esses circuitos Multisim® estão no site da editora. Além disso, como mencionado anteriormente, todos os exercícios de programação de VHDL na seção de “Questões e problemas”, no final dos capítulos 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10 e 14, e os projetos de CPLD desenvolvidos nesses capítulos podem ser indicados como exercício de laboratório que resulte na programação e nos testes do CPLD real. Os arquivos de circuito Multisim® permitem a prática de diagnóstico e solução de problemas. Para este livro e o manual de laboratório, utilizam-se as versões 5, 8 e 9. Os arquivos Quartus® fornecem exemplos de como programar utilizando VHDL e também podem ser utilizados como projetos de laboratório.
CAPÍTULO
1
Sistemas Numéricos OBJETIVOS Após a conclusão deste capítulo, você deverá ser capaz de: ■ Contar em binário, octal, hexadecimal e decimal codificado em binário (BCD). ■
Converter decimal em binário e binário em decimal.
■
Converter binário em octal e octal em binário.
■
Converter binário em hexadecimal e hexadecimal em binário.
■
Converter decimal em BCD e BCD em decimal.
■
Adicionar e subtrair números binários.
TERMOS-CHAVE anodo
catodo
binário
decimal codificado em binário (BCD)
bit
diodo emissor de luz (LED)
carry de
entrada
carry de
saída
hexadecimal; octal.
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L E T RÔ N IC A D I GI TA L
1.1MSISTEMA NUMÉRICO BINÁRIO A eletrônica digital utiliza de forma extensiva o sistema numérico binário, pois o sistema binário utiliza somente dois dígitos, 1 e 0. Os dígitos binários são utilizados para representar os dois níveis de tensão utilizados na eletrônica digital, ALTO ou BAIXO. Na maioria dos sistemas digitais, um nível alto de tensão é representado por 1, e um nível baixo ou zero volt de tensão é representado por 0. Um interruptor, uma luz ou um transistor pode estar ligado e seu estado pode ser representado por 1, ou desligado e ser representado por 0. Um número decimal, como 32, precisa ser convertido para o formato binário e representado por “uns” e “zeros” antes de poder ser manipulado por um computador digital. Como utilizamos o sistema numérico decimal em nosso dia a dia, estamos mais familiarizados com ele. Antes de tudo, examinaremos uma característica do sistema numéri co decimal e, a seguir, iremos compará-lo com o sistema binário. No sistema decimal, trabalhamos com dez dígitos diferentes, zero a nove. Esses dez dígitos fazem do sistema decimal um sistema de base dez. No sistema binário, trabalhamos com dois dígitos diferentes, 0 e 1. Esses dois dígitos fazem do sistema binário um sistema de base dois. Para contar no sistema decimal, começamos na primeira coluna ou casa decimal com 0 e contamos de forma ascendente até 9. Quando atingimos o máximo valor na primeira casa (contagem completa), reinicializamos a coluna com 0 e adicionamos 1 na próxima coluna à esquerda. Após o 9, vem o 10. Agora, a primeira coluna pode ser novamente alterada a partir de 0. Após o 10, vêm o 11, o 12, o 13 etc. Quando a primeira coluna estiver novamente completa, reinicializamos para 0 e adicionamos 1 na próxima coluna à esquerda. Após o 19, vem o 20. Quando as duas colunas estiverem completas, ambas serão reinicializadas para 0 e adicionamos 1 na próxima coluna à esquerda. Após o 99, vem o 100. Para contar em binário, começamos na primeira coluna ou casa binária com 0 e contamos de forma ascendente até 1. A primeira coluna está completa. Reinicializamos e adicionamos 1 na próxima casa binária à esquerda. Após o 0, vêm o 1 e o 10. Agora, a primeira coluna pode ser novamente alterada a partir de 0. Após o 10, vem o 11. Ambas as colunas estão completas. Reinicializamos ambas e adicionamos 1 na próxima casa binária à esquerda. Após o 11, vem o 100. Agora a primeira coluna pode ser alterada novamente. Após o 100, vêm 101, 110, 111, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101 e assim por diante. Contando em binário, temos: 0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010
A primeira coluna está completa. Reinicializa e adiciona 1 na segunda coluna. As primeiras duas colunas estão completas. Reinicializa e adiciona 1 na terceira coluna.
As primeiras três colunas estão “completas”. Reinicializa e adiciona 1 na quarta coluna.
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Eletrônica Digital
tradução da 5a edição norte-americana Este livro oferece abordagem prática e de fácil compreensão dos fundamentos básicos de projeto digital, com informações sobre o hardware necessário para a implementação do projeto e a linguagem VHDL para programação de dispositivos PLD. Traz também informações completas de conceitos de programação básica para microprocessadores e microcontroladores, com abordagem atualizada das subfamílias CMOS e pacotes de CI, que refletem as mais recentes mudanças do setor. Um livro de destaque em sua categoria, Eletrônica Digital inclui laboratórios práticos e simulados por computador MultiSIMTM, além de oferecer aos usuários oportunidades de aplicação da teoria em situações reais, assim como a familiarização com a tecnologia de simulação de computadores.
Recursos Os exercícios de laboratório , ao final de cada capítulo, permitem que os alunos utilizem várias abordagens na construção e análise de circuitos, projeto e teste de circuitos, diagnóstico e correção de falhas e implementação de circuitos em um CPLD para ajudar a solidificar os conceitos. Muitos capítulos utilizam circuitos MultiSIMTM para diagnóstico e correção de falhas para que os estudantes adquiram experiência prática durante o desenvolvimento de habilidades de raciocínio analítico. As seções Aplicações digitais e Diagnóstico e correção de falhas apresentam circuitos e cenários projetados no setor para ilustrar os conceitos dos capítulos. A abordagem adicional sobre programação de dispositivos lógicos programáveis complexos (CPLD), utilizando linguagem VHDL, permitirá que os leitores/estudantes adquiram experiência valiosa nessa poderosa linguagem padrão de programação. Os programas em VHDL são criados, compilados, simulados e transferidos por download , utilizando o sistema de desenvolvimento Quartus II da Altera.
Aplicações Obra indicada para as disciplinas eletrônica digital e eletrônica básica dos cursos de Engenharia. Embora o conteúdo do livro seja relativamente abrangente, pode ser recomendado para leitura complementar em cursos técnicos de Eletrônica.
ISBN 13 978-85-221-0745-2 ISBN 10 85-221-0745-9
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