ED Roteiro 1

Roteiro Teórico n o 1 SINAIS ELÉTRICOS E SISTEMAS No mundo eletrônico moderno, cada vez mais automatizado, proliferaram circuitos e equipamentos que processam sinais elétricos “portadores” de informações diversas. Estas, por sua vez, são “codificadas” sob duas técnicas básicas, conhecidas como “analógica” e “digital”. A principal diferença entre elas está na maneira como os sinais representativos se comportam em relação ao tempo. Na operação analógica, pode-se lidar, idealmente, com infinitos valores de amplitude, enquanto na digital consideram-se apenas alguns valores localizados ou “quantizados”. Essa classificação é feita principalmente para facilitar o estudo de circuitos considerados isoladamente, pois, em muitos casos práticos, emprega-se tecnologia mista, combinada. Além disso, a fronteira prática entre um e outro tipo de comportamento nem sempre é bem definida. Aí, a distinção passa a depender de pontos de vista ou de referenciais adotados. Este capítulo fornece alguns elementos para facilitar a discussão e o entendimento dos sistemas digitais e das formas como eles se relacionam com o mundo analógico.

1.1 Conceitos básicos de circuitos elétricos A Eletricidade, vista como área de conhecimento, é uma ramificação da Física que trata de fenômenos que envolvem cargas elétricas em repouso ou em movimento. A energia elétrica, particularmente aproveitada das cargas em movimento, é muito importante porque oferece uma grande versatilidade de conversão de/para outras formas, como mecânica, térmica, luminosa etc. Os arranjos empregados nessas transformações de energia são conhecidos por circuitos. Um circuito elétrico é basicamente um percurso, um caminho para a circulação de corrente, formado de componentes (geradores e receptores) e fios de ligação. O circuito é dito “fechado” quando é possível começar e terminar o percurso no mesmo ponto, sem interrupção. Se no percurso existir um gerador, haverá circulação de corrente. Os geradores são elementos de circuito que elevam o potencial elétrico entre os pontos em que se inserem, enquanto os receptores reduzem o potencial. Em outras palavras, uma carga elétrica, percorrendo um circuito fechado, ganha energia nos trechos de elevação e perde nos elementos de queda, voltando à mesma energia no ponto inicialmente considerado (princípio da conservação). Assim, resulta em zero a soma algébrica de todas as elevações e quedas de potencial de um percurso fechado (Lei de Kirchhoff para as tensões). Um exemplo de circuito extremamente simples, composto por uma fonte, um interruptor (opcional), uma lâmpada e os fios de conexão é ilustrado na Figura 1.1. Ao se fechar o circuito (no interruptor), a corrente circula e a lâmpada acende. Figura 1.1 – Esquemas de um circuito elétrico rudimentar.

Interruptor aberto

Interruptor fechado

Diagrama

A complexidade de um circuito pode chegar, por exemplo, a um sistema completo de computador ou uma rede de distribuição de energia. Para efeito de simplificação, à medida que vão se tornando mais complexos, os circuitos digitais são encapsulados em blocos, dos quais interessa avaliar qual resposta (saída) corresponde a uma dada excitação de entrada ( Figura 1.2). Em geral, quando não se interessa pela organização interna do sistema, ele é representado em um bloco chamado de caixa preta.

Sinais Elétricos e Sistemas Figura 1.2 – Exemplo de Sistema Digital com Circuitos Encapsulados.

Pulsos

Contador Binário

Decodificador para 7 Segmentos Mostrador de 7 Segmentos

1.1.1 Grandezas Eletrodinâmicas As principais grandezas eletrodinâmicas relacionadas com os circuitos digitais são: corrente, tensão, resistência e potência elétrica. Um estudante de sistemas digitais normalmente não se envolve muito com a implementação elétrica ou eletrônica das células básicas dos circuitos, mas com a alimentação e interconexões dos circuitos integrados ou chips vistos como caixas pretas, pois interessa examinar somente a resposta lógica que proporcionam, a partir dos sinais de excitação colocados à entrada. O presente conteúdo, entretanto, foi incluído neste capítulo para chamar a atenção para noções básicas de segurança a se observar durante as montagens. Os portadores de carga – partículas iônicas, elétrons ou lacunas – movimentam-se ordenadamente (de um pólo ao outro do gerador), passando por condutores (bons e maus) e, assim, fazendo funcionar um determinado aparelho elétrico. A intensidade (média) da corrente elétrica é dada pela Equação 1.1. I

=

∆q ∆t

( Equação Equação 1.1 )

onde: I representa representa a intensidade (média) da corrente elétrica no condutor, ∆q é a quantidade de carga atravessa a seção transversal do condutor e ∆t o intervalo de tempo considerado. A unidade de medida da intensidade da corrente elétrica, no SI (Sistema Internacional de Unidades), é o ampère, cujo símbolo é A. Um ampère representa a passagem de 1 coulomb durante 1 segundo. Na prática, a intensidade da corrente experimenta valores de ordem variada de grandeza. Em experimentos de eletrônica básica, é muito comum o uso de submúltiplos do ampère: o microampère (1µA = 10-6 A) e o miliampère (1mA = 10-3 A). Antes de se descobrir o Elétron (no final do século XIX) e a natureza de sua carga, toda a teoria da Eletricidade já tinha sido desenvolvida, usando cargas de prova “positivas”, estabelecendo um sentido para a corrente nos receptores: do potencial positivo para o negativo – hoje chamado de sentido convencional . Considerando agora os elétrons, portadores negativos típicos, a corrente obviamente flui do pólo negativo para o positivo (que os atrai), sentido conhecido como eletrônico . Quando a corrente elétrica se constitui de íons positivos e negativos, o que se dá costumeiramente em líquidos e gases, adota-se o sentido dos íons positivos (convencional). Em materiais semicondutores os portadores podem ser elétrons ou lacunas (consideradas cargas positivas), mas o sentido usualmente adotado é, mais uma vez, o convencional. Uma carga elétrica só pode se movimentar (de um ponto para outro de um circuito) se houver algo que a force a tal. Esta força é causada por uma diferença de potencial , também chamada de tensão e, às vezes, erroneamente, de voltagem. A unidade de medida da tensão elétrica no SI é o volt , cujo símbolo é V . Existem duas formas básicas disponíveis da tensão elétrica: a de corrente contínua (fornecida por pilhas e baterias) e a de corrente alternada (obtida na tomada da concessionária de energia). Os aparelhos elétricos das residências, bem como os dos laboratórios escolares, são geralmente ligados a uma rede elétrica de 110V ou ou 220V . No caso de se usar uma tensão muito maior que a especificada pelo fabricante, o equipamento se queima quase que imediatamente. Se o

2

REVISÃO JULHO 2012

Eletrônica Digital

equipamento for ligado a uma tensão menor que a especificada, talvez funcione, precariamente, mas também corre riscos de se danificar. Como já foi mencionado, para que circule uma corrente por um elemento ou entre dois pontos de um circuito, é necessário aplicar-se uma tensão. A relação entre essas duas grandezas foi estabelecida em 1827 pelo físico alemão Georg Simon Ohm. Ele percebeu que, para um dado elemento de circuito, diferentes tensões produziam diferentes intensidades de corrente. Ohm definiu a resistência elétrica de um elemento (ou associação) como sendo a razão entre a tensão aplicada sobre ele e a corrente que o atravessa (Equação 1.2). R

=

V I


onde: R é a resistência elétrica, a diferença de potencial e V a I a a intensidade da corrente circulante. No SI, a unidade de resistência resist ência elétrica e létrica é o ohm, simbolizada por Ω (Omega maiúsculo), que corresponde ao quociente de 1 volt por por 1 ampère. A forma mais conhecida da Lei de Ohm, usada para estabelecer uma função linear entre tensão e corrente está representada na Equação 1.3. Valem as mesmas notações da Equação 1.2 para as letras.

v = R ⋅ i


A potência dissipada ( Equação 1.4) representa o consumo de energia elétrica do dispositivo em cada unidade de tempo de seu funcionamento. A unidade de potência elétrica no SI é o watt , cujo símbolo é W , e corresponde ao produto de 1 volt por 1 ampère. Dizer que uma lâmpada gasta 100 watts, significa que ela dissipa 100 joules de energia em cada segundo que fica acesa. A energia consumida, na realidade transformada ou convertida, é diretamente proporcional à potência elétrica e ao tempo de funcionamento.

P = V ⋅ I =

E ⇒ E = P ⋅ ∆t ∆t


onde: V é é a diferença de potencial aplicada, a intensidade da corrente circulante, I a a energia total convertida e E a ∆t o tempo de funcionamento. Não se deve confundir potência dissipada com capacidade de dissipação de potência. Por exemplo, se um fabricante especifica seu resistor para ½ watt , isto quer dizer que ele não garante as características ou a vida útil do produto sob condições elétricas que exijam uma dissipação de calor maior que esta. Em geral, entre dois dois resistores fabricados de acordo com a mesma tecnologia, o de maior tamanho tem maior capacidade de dissipação (Figura 1.3). Figura 1.3 – Resistores de Diferentes Capacidades de Dissipação.

REVISÃO JULHO 2012

3

Sinais Elétricos e Sistemas

1.1.2 Noções de Segurança Os circuitos elétricos e eletrônicos são considerados perigosos, pela possibilidade de causarem choque elétrico, explosão, fogo e danos mecânicos. Por isso, é importante o conhecimento dos efeitos da eletricidade, estabelecer e seguir normas de segurança ( Quadro 1.1) para o manuseio de circuitos, equipamentos e ferramentas. Choque elétrico é uma condição (acidental, supõe-se) a que uma pessoa é submetida, de modo que parte do seu corpo, se torna elemento de um circuito elétrico fechado, em que está presente uma fonte de energia elétrica de capacidade considerável. A soma dos estímulos nervosos e musculares resulta em contração e dor. Dependendo da parte envolvida, da intensidade e da duração da corrente, os efeitos podem ser muito graves. Por exemplo, quando o trecho do corpo submetido à tensão elétrica tem como extremidades as duas mãos, o risco é maior porque a corrente atravessa atra vessa o coração, podendo provocar fibrilação e morte em poucos minutos. Todo aparelho elétrico deve ter um folheto com instruções e informações sobre seu uso seguro. De um modo geral, os fusíveis evitam sobrecorrente no equipamento, enquanto os disjuntores protegem as instalações. O sistema de aterramento é dedicado principalmente ao usuário. Quadro 1.1 – REGRAS BÁSICAS DE SEGURANÇA

• • • • • • •

Tomar conhecimento e seguir sempre os procedimentos recomendados pela administração do laboratório. Recorrer a manuais de serviço, se necessário e possível. Nunca se expor ou submeter os companheiros a risco de choque, mesmo que pequeno, a título de divertimento. Evitar trabalhar, quando estiver cansado ou sob efeito de medicamentos que causem sonolência. Evitar o uso de anéis, braceletes e colares, quando estiver trabalhando próximo a circuitos elétricos com pontos vivos expostos. Trabalhar inicialmente com o circuito sem energia e revisar tudo antes de colocar em funcionamento, esclarecendo as dúvidas com o professor, instrutor ou supervisor. Jamais desativar dispositivos de segurança. Observar uma metodologia segura de trabalho, mesmo nos equipamentos de baixa tensão, pois devem ter suas seções de tensão perigosa.

1.2 Sinais Elétricos Os circuitos dedicados ao processamento da informação trabalham com valores codificados em sinais elétricos. Neste ponto de estudo, um sinal elétrico é considerado, genericamente, o conjunto dos níveis instantâneos de uma grandeza elétrica. O sinal codificado é normalmente uma tensão de pequena amplitude, cujo conjunto dos valores corresponde ao de uma outra grandeza qualquer nele representada, por exemplo, uma forma de onda de tensão obtida a partir da atuação de um sensor de temperatura1. Do ponto de vista matemático, um sinal elétrico é uma função2 que exprime o comportamento de uma grandeza (variável dependente ou de saída, nas ordenadas) ao longo do tempo (variável independente ou de entrada, nas abscissas).

1.2.1 Sinais Contínuos e Sinais Discretos no Domínio do Tempo Examinando a resposta de um sinal, pode-se dizer que é contínuo quando, numa vizinhança arbitrariamente pequena de um dado ponto, dentro do intervalo de tempo considerado, existe outro ponto pertencente à sua função, suficientemente próximo. Há definições matemáticas bem mais elegantes para função contínua, inclusive envolvendo o conceito de limites, mas são desnecessárias no presente contexto. Grosso modo, uma função contínua é aquela cujas variações são suaves, ou seja, quando representada graficamente, não apresenta interrupções, como ilustrado na Figura 1.4. 1

Sensor de temperatura é um dispositivo que converte variações térmicas em variações elétricas. Função é uma relação entre um conjunto A (domínio) e um conjunto B (imagem), de modo que a cada elemento (variável independente) de A, corresponde um único elemento (variável dependente) de B. 2

4

REVISÃO JULHO 2012

Eletrônica Digital Figura 1.4 – Exemplo de Sinal Contínuo no Tempo.

v(t)

t

Logicamente, num dado intervalo de tempo, os sinais que apresentam interrupções são considerados descontínuos . A Figura 1.5 ilustra um exemplo de descontinuidade . Figura 1.5 – Exemplo de Sinal Descontínuo no Tempo.

v(t)

t

Um sinal é dito discreto quando, é definido somente para valores específicos do tempo, como exemplificado na Figura 1.6. A representação em “barras” adotada na Figura 1.6 não é muito precisa, mas é bem ilustrativa. Na realidade, os valores amostrados são os (pontos) dos extremos da barra. Figura 1.6 – Exemplo de Sinal Discreto no Tempo.

v(t)

t

1.2.2 Sinais Analógicos e Sinais Digitais Um sinal é classificado como analógico quando são válidos todos os possíveis valores de um considerado intervalo (das ordenadas). O sinal apresentado na Figura 1.4, e os sinais desenhados na Figura 1.7 (som captado por um microfone ou gerado em um oscilador, visualizado na tela de um osciloscópio) são exemplos de sinais analógicos que variam de forma contínua no tempo. O sinal da Figura 1.5 é um exemplo de sinal analógico que varia de forma descontínua no tempo. REVISÃO JULHO 2012

5

Sinais Elétricos e Sistemas Figura 1.7 – Sinais Analógicos Contínuos.

v(t)

v(t)

t

t

Dos sinais analógicos não-contínuos, os que têm maior interesse no estudo de sistemas digitais são os sinais discretos amostrados no tempo, como aquele que está ilustrado na Figura 1.6. Há muita controvérsia envolvendo os conceitos de analógico e digital, de modo que, muitos autores preferem “radicalizar”, identificando analógico com contínuo. Neste caso, o sinal amostrado da Figura 1.6 escaparia do conceito de analógico e ficaria difícil de se classificar o da Figura 1.5. Este texto segue a primeira orientação: analógico é o sinal que pode assumir qualquer amplitude dentro de um intervalo contínuo das ordenadas. Os sinais elétricos (contínuos ou não) são ditos digitais quando se considera válido apenas um número (finito) de patamares da grandeza elétrica, desprezando-se (por quantização, aproximação) os valores intermediários, tomados apenas como de transição, entre um degrau e outro. Idealmente, haveria uma descontinuidade a cada patamar, mas, na melhor das situações práticas, ocorrem rampas quase verticais – supondo-se muito rápidas as transições, em comparação com os intervalos de tempo em que a grandeza permanece num determinado patamar. Dessa forma, a cada valor representativo de degrau pode ser associado um algarismo (dígito) de um sistema de numeração ou de codificação. Daí vem a denotação digital . Um sinal digital, portanto, é aquele varia no tempo na forma de sobressaltos (ou degraus) como mostrado na Figura 1.8. Um exemplo típico é o trem de pulsos gerado por um (antigo) discador telefônico (Figura 1.8a). Um sinal digital também pode ser amostrado no tempo, como visto na Figura 1.8c. Figura 1.8 – Exemplos de Sinais Digitais.

a) Trem de Pulsos

b) Degraus

v(t)

c) Amostrado

v(t)

(a)

t

t

(b)

v(t)

(c)

t

Na Eletricidade, a representação gráfica de uma grandeza elétrica no plano cartesiano, tomando o tempo como variável independente – no eixo das abscissas – é chamada de forma de onda . Neste contexto, a expressão “contínua” se refere à polaridade da corrente, ou seja, as grandezas de corrente contínua , como as tensões elétricas das pilhas e baterias, mantêm sua polaridade constante, ainda que os valores instantâneos possam variar (Figura 1.9a). Quando os valores de uma grandeza elétrica varrem uma sequência positiva e, em seguida, uma negativa, periodicamente , a grandeza é chamada de corrente alternada periódica (Figura 1.9b).

6

REVISÃO JULHO 2012

Eletrônica Digital Figura 1.9 – Formas de Onda Usuais.

(a) Tensão de Corrente Contínua

v(t)

(b) Tensão Corrente Alternada

v(t)

t

(a)

t

(b)

1.3 Sistemas Analógicos e Sistemas Digitais Um sistema físico é uma combinação de órgãos coordenados entre si, de modo a se obter, do conjunto, um desejado resultado (função, finalidade ou papel). Particularmente, num sistema elétrico/eletrônico, tais órgãos são compostos de circuitos, por sua vez, implementados com componentes (transistores, diodos, resistores etc.). Os sistemas ao manipular um ou mais sinais para realizar sua função, geram novos sinais. É muito comum e prático utilizar-se a tensão elétrica como grandeza representativa de outras grandezas físicas, mas o sistema empregado pode ser mecânico, hidráulico, pneumático ou, ainda, combinado de várias grandezas físicas, desde que seja possível controlar, manipular e medi-las adequadamente. Raramente se encontra um sistema representativo puramente analógico ou digital, por isso, se usa fazer a classificação de acordo com o comportamento predominante dos seus componentes. O conceito de sistema é recorrente: cada dispositivo pode ser encarado como um sistema também constituído, por sua vez, de componentes interrelacionados. Por outro lado, um sistema e seu sistema de controle correspondente podem ser vistos como formando um sistema de controle maior e se constituem nos componentes deste novo sistema. Nestes casos, os componentes podem ser chamados de subsistemas.

1.3.1 Comportamento e Sistema Analógico Uma associação ou representação analógica faz referir um conjunto de dados que se deseja manipular a um intervalo contínuo de valores de uma grandeza representativa (força, tensão elétrica, corrente elétrica, vazão, pressão etc.). Supondo-se que um conjunto de números reais de 0 a 100 deva ser representado analogicamente por tensões, no intervalo de 0 a 10 volts, uma tensão de 1,2V estaria estaria representando o número 12; o número 7,6 seria seria representado pela tensão 0,76V , e assim por diante. Neste exemplo, a correspondência foi linear, mas poderia ser não-linear (logarítmica, por exemplo). Um outro caso típico de comportamento analógico é a variação gradual da luminosidade de uma lâmpada, através de um dimmer : a quantidade de luz, que varia de acordo com a posição do potenciômetro de controle aleatoriamente operado, pode apresentar um gráfico semelhante ao da Figura 1.10.

REVISÃO JULHO 2012

7

Sinais Elétricos e Sistemas Figura 1.10 – Variação de Luminosidade num Dimmer .

lum (t)

Luminosidade máxima

t

Um sistema é classificado como analógico quando seus elementos têm comportamento predominantemente analógico. O uso deste termo tem origem no fato de uma grandeza poder ser representada por outras grandezas, por comparação ou analogia. Por exemplo, ao se medir uma intensidade de corrente elétrica num instrumento analógico, a grandeza observada é, na realidade, o ângulo de deflexão de um ponteiro, que representa a grandeza investigada, guardando alguma analogia. São exemplos clássicos de sistemas analógicos as antigas réguas de calcular (calculadoras analógicas), os velocímetros da maioria dos automóveis e alguns relógios de ponteiro ( Figura 1.11). Figura 1.11 – Exemplos de Sistemas Analógicos: Velocímetro e Relógio de Ponteiro.

km/h

CAlex

3 7 3 0 9 2 CAlex

Obs.: Este contador de quilômetros rodados não é analógico

1.3.2 Comportamento e Sistema Digital Numa associação digital, a grandeza representativa é trabalhada em estados, definidos por níveis ou faixas de valores considerados válidos, intercalados por faixas ou zonas de valores proibidos. A grandeza representativa representat iva pode assumir valores de transição, entre um degrau e outro, por um período de curta duração, comparando com o tempo de permanência em um estado. A cada estado se faz corresponder um dígito. Representações numéricas podem ser construídas combinando-se os dígitos segundo um código preestabelecido. A título de exemplo, um sistema de cinco estados, codificado em faixas de tensão no intervalo total de 0 a 13 volts, poderia ter uma definição dos estados conforme indicado na Figura 1.12.

8

REVISÃO JULHO 2012

Eletrônica Digital Figura 1.12 – Estados de um Sistema Digital Quinário (Exemplo).

12 a 13 V

O sistema reconhece como Dígito “4”

10 a 12V

“Faixa Proibida”

9 a 10V


7 a 9V


6 a 7V


4 a 6V


3 a 4V


1 a 3V


0 a 1V


A Figura 1.13 ilustra um exemplo (comportamento) de sistema quinário que descreve a luminosidade de uma sala, onde há quatro lâmpadas, comandadas (acesas ou apagadas) das seguintes maneiras: uma por vez (I); duas a duas (II) e quatro de uma só vez (III). A luminosidade resultante da forma escolhida de comandar pode ser representada por um dos dígitos de 0 (todas apagadas) até 4 (todas acesas), no eixo das ordenadas. Figura 1.13 – Luminosidade de uma Sala em Função do Número de Lâmpadas Acesas.

lum 4 3 2 1 0

I

II

III

t

Quando o comportamento de um conjunto considerado é predominantemente digital, o sistema é digital. Um sistema digital também não precisa ser eletrônico (como o relógio digital da Figura 1.14), pode ser mecânico (como o odômetro destacado à direita). O odômetro, um instrumento que acumula os quilômetros rodados por um automóvel, é um equipamento tipicamente digital, enquanto o velocímetro, que indica a velocidade instantânea do veículo, geralmente é analógico, isto é, a grandeza que está sendo medida (velocidade) é proporcional ao ângulo de excursão do ponteiro. Figura 1.14 – Exemplos de Sistemas Digitais: Relógio e Odômetro.

1 0 2 3 8 5 CAlex

REVISÃO JULHO 2012

9


1.3.3 Bits e Níveis Lógicos Os arranjos mecânicos utilizados nas obsoletas caixas registradoras e calculadoras mecânicas e os mecanismos das impressoras antigas são alguns exemplos de sistemas digitais decimais. Com a substituição dos componentes mecânicos e eletromecânicos por componentes eletrônicos, iniciada nos anos 40 (séc. XX), o sistema binário – que trabalha com apenas dois estados – mostrou-se mais Binary confiável, rápido e econômico. A unidade de informação digital binária é conhecida por Bit ( Binary = Algarismo Binário). Os dois níveis ou estados binários, usualmente representados por L (de Digit = Low = Baixo) e H (de High = Alto), bem como por 0 e 1, formam o alicerce da lógica digital. Os circuitos digitais binários, e seus respectivos sistemas, são chamados de lógicos3 pela semelhança de comportamento entre os estados elétricos H e L (1 e 0) e os valores VERDADEIRO e FALSO, que respondem às proposições da lógica formal. Os circuitos lógicos eletrônicos são elaborados para produzir saídas (tensões) em resposta às excitações de entrada. Nos dispositivos eletrônicos práticos não convém associar níveis exatos de tensão para se associar aos símbolos lógicos. Por isso, são definidas faixas em que os fabricantes garantem o funcionamento dos componentes digitais. Assim, uma determinada saída assume um de dois níveis previsíveis, dentro das faixas reconhecíveis com segurança. A Figura 1.15 ilustra uma situação genérica de valores de tensão adotados como níveis lógicos de entrada. A faixa que separa as duas faixas de tensão dos níveis lógicos é denominada por zona ou faixa de incerteza ou, ainda, margem de ruído (noise margin), localizada entre o limite superior para a gama de tensões associadas ao símbolo 0 e o limite inferior para a gama de tensões associadas ao símbolo 1. Quando há algum extravio na tensão da(s) entrada(s), o circuito responde de acordo com suas características construtivas mas pode não ser previsível, o que deve ser evitado: os níveis nominais de tensão para representar o 0 e para o 1 devem ser adequadamente escolhidos. Figura 1.15 – Níveis Lógicos Codificados em Níveis Níveis de Tensão.

V VH máximo VH mínimo

Nível Lógico ALTO (H ou 1)

Faixa de Incerteza (Ambíguo)

VL máximo VL mínimo

Nível Lógico BAIXO (L ou 0) t

O gráfico para os níveis codificados de saída seria semelhante ao da Figura 1.15: as “larguras” das faixas de tensão de saída não precisam ser as mesmas das faixas de entrada.

1.3.4 Sistemas Eletrônicos Digitais Binários Deste ponto em diante, o termo sistemas digitais se refere aos sistemas eletrônicos lógicos ou binários, por ser maioria. Assim, um sistema digital pode ser definido como uma estrutura eletrônica capaz de processar entrada(s) binariamente codificada(s) para gerar saída(s) também sob forma binária, como fazem, por exemplo, os microprocessadores, relógios, cronômetros e instrumentos de medida. A Figura 1.16 ilustra em bloco4 um sistema digital de N entradas entradas e K saídas, saídas, onde N e e K são são 3

Circuitos lógicos são circuitos digitais utilizados para processar informações sob forma binária, obedecendo a um determinado conjunto de regras lógicas. 4 Os diagramas de blocos são utilizados quando não há interesse em mostrar todos os dispositivos e sim a função que representa os componentes físicos relacionados.

10

REVISÃO JULHO 2012

Eletrônica Digital

números naturais. As excitações de entrada X i são variáveis independentes, isto é, podem lhes ser arbitrados valores (um dos dois níveis elétricos válidos) a que as saídas, variáveis dependentes, respondem instantaneamente. Figura 1.16 – Bloco Representativo de um Sistema Digital Genérico. Genérico.

Entradas

Saídas

X0

Y0

X1 X2

Sistema Digital

XN-1

Y1 Y2 YK-1

O sistema representado na Figura 1.16 é responsável apenas pelo processamento binário da informação. Se a grandeza considerada não é digital binária, são necessárias interfaces para a conversão e a modelagem da informação. Por exemplo, o aparelho de CDs ( compact discs) de áudio tem um sistema óptico que recupera a informação armazenada sob forma binária – cadeias de bits que representam valores instantâneos amostrados do som. Os códigos binários são as entradas fornecidas a um sistema digital capaz de processar a informação, por exemplo, modificando algumas formas, filtrando componentes espectrais etc. As saídas digitais passam por um sistema de conversão para o mundo analógico que disponibiliza o sinal a ser transformado em som. A taxa de amostragem deve ser suficientemente grande para garantir fidelidade, isto é, tão baixa discrepância para grandezas físicas associadas (frequência, timbre, amplitude etc.) do som original que o ouvido humano seja incapaz de perceber.

1.3.5 Circuitos Lógicos Combinacionais e Sequenciais O processamento digital consiste na dedução lógica de uma resposta em função das condições de entrada. As funções lógicas podem ser representadas utilizando-se expressões algébricas e diagrama de blocos lógicos. Os blocos funcionais usados para representar as funções lógicas elementares são denominados de portas lógicas (detalhadas nos próximos roteiros). Funções lógicas mais complexas podem ser obtidas em termos de combinações das funções elementares. Os circuitos lógicos podem ser classificados em combinacionais e sequenciais ( Figura 1.17). Nos circuitos combinacionais, a(s) saída(s), em um dado instante, depende(m) apenas da combinação atual de valores da(s) entrada(s) naquele instante. As células destes circuitos são as portas lógicas. Nos circuitos sequenciais, a(s) a (s) saídas, em um dado instante, dependem também do(s) seu(s) estado(s) anteriores, por isso, suas células são dispositivos de memória de escrita e leitura . Tipicamente, os circuitos combinacionais compõem as estruturas de processamento, enquanto os sequenciais são empregados em controle. Figura 1.17 – Blocos representativos dos circuitos circuitos lógicos.

Entrada(s)

Circuito

Saída(s)

Entrada(s)

Circuito

Lógico

Lógico

Combinacional

Sequencial

REVISÃO JULHO 2012

Saída(s)

11


Para realizar a observação do comportamento do sistema ao longo do tempo, são selecionadas propriedades observáveis (saídas). O conjunto dos valores destas propriedades em um dado instante caracteriza o sistema e é denominado de estado. O estado pode ser a combinação de saídas do sistema.

1.3.6 Outras classificações interessantes De acordo com o modo como os bits individuais dos dados são processados, é possível classificar os sistemas digitais em: • Paralelos: os bits de um vetor de dados (cadeia de bits) são processados simultaneamente. • Seriais: os bits de cada vetor de dados são processados individualmente, ou seja, de modo sequencial. A escolha entre um sistema serial ou paralelo deve levar em conta o compromisso entre custo e velocidade. O sistema paralelo é mais rápido, porém, mais caro, pois utiliza a multiplicação de dispositivos e trilhas para realizar o processamento simultâneo. Por outro lado, o sistema serial – mais barato – é mais lento, pois utiliza o compartilhamento de dispositivos para processar um bit de de cada vez. Os circuitos sequenciais ainda podem ser classificados como: • Assíncronos: uma nova operação é iniciada imediatamente após o término da que a precede no fluxo de dados. Para tanto, cada tarefa deve produzir um sinal de status que sinalize seu término para a Estrutura de Controle, de forma que esta possa comandar o início da seguinte. • Síncronos: utiliza um sinal de controle geral, normalmente um sinal periódico do tipo pulso denominado relógio (clock ). ). Todas as operações ou eventos ocorrem em sincronismo com o pulso.

1.3.7 Componentes Utilizados nos Circuitos Digitais Circuitos digitais, como calculadores aritméticos, conversores de código e contadores, podem ser decompostos em módulos funcionais que interagem entre si e trocam informações por meio de variáveis de entrada e saída. Cada dispositivo é responsável pela implementação de uma ou mais funções elementares. As células dos circuitos lógicos são os blocos lógicos fundamentais, conhecidos por portas. Os componentes mais presentes na construção destes blocos são transistores e resistores. O transistor é configurado para trabalhar nas regiões de saturação e corte, funcionando como uma chave. O transistor possui três terminais: coletor, emissor e base. Na saturação, coletor e emissor praticamente fecham em curto circuito ci rcuito e o componente funciona como uma chave fechada. No corte, os dois terminais ficam em alta resistência, funcionando como uma chave aberta. O terceiro terminal (base) é a entrada que controla de maneira binária se o dispositivo estará saturado ou cortado. As técnicas digitais utilizam circuitos construídos com dispositivos eletroeletrônicos de dois ABERTO ou FECHADO), a lâmpada ( APAGADA APAGADA ou ACESA), o relé (em estados, como o interruptor ( ABERTO REPOUSO ou em OPERAÇÃO), o diodo (em CONDUÇÃO ou BLOQUEADO), o transistor operando como chave (CORTADO ou SATURADO) e, modernamente, circuitos integrados (CIs), onde se LSI , Large Scale implementam circuitos com função lógica definida. A integração em larga escala ( LSI Integration ), iniciada nos anos 60 (séc. XX), permite construir-se em uma pequena pastilha de silício de frações de milímetros quadrados – que depois é encapsulada em um invólucro de alguns centímetros –, o equivalente a milhares de componentes discretos (diodos, transistores, resistores e capacitores), para aplicações analógicas (lineares) ou digitais. Considerando a espantosa redução de espaço e o número de conexões externas economizadas, o custo do CI é relativamente baixo. Além disso, os CIs digitais processam as informações, consumindo quantidades de energia quase desprezíveis. As várias técnicas de fabricação dos CIs se diferenciam, tanto nos elementos básicos utilizados para a implementação dos circuitos (transistores bipolares e de efeito de campo, MOSFETs), quanto nos arranjos projetados para proporcionar ou enfatizar algumas características, como a velocidade e a potência dissipada. Nos modernos sistemas digitais, quase todos os circuitos apresentam-se na forma integrada (CI). Dada a grande variedade disponível de CIs lógicos, tornou-se possível a construção de sistemas

12

REVISÃO JULHO 2012

Eletrônica Digital

digitais complexos bem menores e mais confiáveis do que os sistemas equivalentes construídos com componentes discretos. Os componentes usualmente empregados na montagem de experimentos de sistemas digitais são CIs encapsulados em pequenos tabletes de material plástico, com terminais de acesso dispostos em duas linhas paralelas ( DIP , Dual In-line Package ), semelhantes ao da Figura 1.18. Cada circuito integrado carrega um conjunto de informações impressas no seu corpo. A principal delas é o número que identifica suas características lógicas, por exemplo, 74LS00. O manuseio destas pastilhas ( chips) deve ser acompanhado do manual ou, pelo menos, de uma tabela com as características lógicas e a pinagem do componente, pois, externamente, os CIs são muito muito parecidos entre si. Figura 1.18 – Aspecto Externo e Tamanho Comparativo de um CI Digital DIP.

1.4 Considerações Finais A maioria dos avanços tecnológicos em marcha, nas mais diversas áreas de atividades humanas, como educação, transportes, medicina, telecomunicações, produção industrial etc., tem alguma ligação com o campo digital , cuja presença é marcada na forma de controladores de processos industriais, controles de elevadores, computadores pessoais, redes de comunicação ( Internet ), ), microprocessadores para veículos, DVDs, e várias máquinas domésticas. Os comandos eletrônicos digitais tendem a substituir totalmente os comandos convencionais (analógicos) no cotidiano profissional e doméstico, pela confiabilidade, pela redução de custos operacionais operaci onais e pela economia – de espaço, tempo e pessoal – que proporcionam. A preferência pelos sistemas binários deve-se, por um lado, à maior facilidade de construção de dispositivos binários e, por outro, à confiabilidade do funcionamento destes dispositivos. O crescimento das técnicas digitais, em substituição a operações anteriormente realizadas através de métodos analógicos, tem como principais razões as seguintes características comparativas: • Simplicidade de implementação: os circuitos digitais são mais simples porque utilizam, principalmente, elementos de chaveamento, em que os valores exatos da tensão ou corrente não são importantes, apenas os valores próximos aos extremos de um intervalo ( ALTO ou BAIXO) adotado. Os projetos são facilitados porque muitas funções lógicas (primitivas), contendo um grande número de circuitos digitais, já estão disponíveis em CIs. Os circuitos analógicos também foram beneficiados com a integração em larga escala, mas a utilização de componentes cujo encapsulamento é economicamente inviável (capacitores de alto valor, indutores, transformadores etc.) tem impedido que eles alcancem o mesmo nível de integração. Se as funções são muito complexas, o sistema que as executa requer um número elevado de componentes. A acumulação de imprecisões ao longo dos sistemas analógicos torna-os impraticáveis para a execução de funções que envolvam sequências com muitos blocos de processamento. • Facilidade de armazenamento das representações: devido às características de alguns circuitos especiais de chaveamento, é possível se capturar e reter a informação nos sistemas digitais pelo tempo que se desejar. REVISÃO JULHO 2012

13


•

Flexibilidade de programação: é relativamente fácil projetar sistemas digitais cuja operação pode ser controlada por um conjunto de instruções – programa. À medida que a tecnologia avança, a programação de sistemas digitais vem se tornando cada vez mais simples. Apesar de ser possível também se produzir sistemas analógicos programados, a variedade e a complexidade das operações disponíveis são bastante limitadas. • Exatidão e precisão: nos sistemas analógicos, a precisão está limitada ao rigor com que se consegue trabalhar a grandeza representativa, o que na prática é quase impossível passar de quatro algarismos significativos, porque os valores de corrente e tensão são diretamente dependentes dos valores dos componentes dos circuitos e também são afetados por ruídos aleatórios (espúrias). Nos sistemas digitais pode-se manipular quantos dígitos de precisão forem necessários, bastando para isto adicionar um número maior de circuitos de chaveamento. Dependendo do número de elementos binários empregados pode-se obter uma precisão arbitrariamente grande, por exemplo o equivalente a 9 algarismos decimais significativos. Além disso, os circuitos digitais são menos afetados pelos ruídos. Flutuações espúrias (ruído) são menos críticas nos sistemas digitais porque o valor exato da tensão não é tão importante, desde que a amplitude do ruído também não seja tão grande a ponto de impedir a distinção entre os níveis lógicos. Há um outro aspecto relacionado à exatidão e à avaliação de uma medida elétrica: num equipamento de representação analógica, quando o ponteiro pára entre duas marcas ou divisões di visões da escala, um valor intermediário é arbitrado de acordo com um arriscado processo de interpolação (Figura 1.19); num processo digital, os componentes eletrônicos se encarregam de fazer a interpolação e apresentam o resultado em números, formados com dígitos, bastando saber lê-los para obter o valor com rapidez e segurança. Figura 1.17 – Medição Analógica e Interpolação.

4,45 ?

A Contrapartida Existe apenas uma relativa desvantagem em se utilizar os sistemas digitais: em sua maioria, os fenômenos interessantes da natureza, como a posição e a velocidade de um móvel, a temperatura, a pressão, a vazão e o nível de líquidos etc., os quais são freqüentemente as entradas e saídas processadas pelos sistemas, têm comportamento analógico. Para monitorar, realizar operações e controlar as grandezas físicas em sistemas digitais, é necessário converter as entradas analógicas para digitais, manipulá-las nesta forma e, muitas vezes, converter de volta à forma analógica. Assim, por DDD), mas para exemplo, a gravação dos CDs (Compact Disks) de áudio pode ser totalmente digital ( DDD se ouvir a música, se muda a informação para um sinal analógico (conversão D/A), que é amplificado e enviado aos alto-falantes. Já o “medidor de temperatura da praça” utiliza a conversão de analógica para digital (conversão A/D), processa e comunica a medida na forma digital, montando uma figura fi gura num mostrador (display). A necessidade de conversão entre formas analógicas e digitais é considerada uma desvantagem por causa do custo, da complexidade envolvida e do tempo extra, necessário para

14

REVISÃO JULHO 2012

Eletrônica Digital

realizar as conversões. Na maioria das aplicações, esta desvantagem é compensada pelas vantagens já relacionadas neste texto, mas há casos em que a utilização das técnicas analógicas é mais simples e econômica. Por exemplo: a amplificação simples de sinais é mais facilmente realizada com o auxílio de circuitos analógicos.

Bibliografia TOCCI, Ronald J. & WIDMER, Neal S. – “Sistemas Digitais - Princípios e Aplicações”, Sétima Edição, Editora LTC. IDOETA, Ivan V. & CAPUANO, Francisco G. – “Elementos de Eletrônica Digital”, Ed. Érica. BIGNELL, James W. & DONOVAN, Robert L. – “Eletrônica Digital - Lógica Combinacional”, Volume 1, MAKRON Books. MALVINO, Paul A. & LEACH, Donald P. – “Eletrônica Digital - Princípios e Aplicações - Lógica Combinacional”, Volume 1, MAKRON Books. TOKHEIN, Roger L. – “Princípios Digitais”, MAKRON Books.

REVISÃO JULHO 2012

15

ED Roteiro 1

Recommend Documents