Circuitos Digitais I. Notas de Aula

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1 Introdução Introdução 2 Introdução Circuitos Digitais I Notas de Aula Introdução Circuitos/sistemas em geral: têm o objetivo de PROCESSAR alguma INFORMAÇÃO para depois executar uma ação ou tomar uma decisão. Por exemplo: Num aparelho de ar condicionado, mede-se a temperatura do ambiente e compara-se com um valor de referência para ligar ou desligar o compressor; Em um automóvel mede-se a desaceleração para acionamento do airbag; Pode-se medir o nível de tensão em uma bateria para indicar necessidade de recarga; Num sistema de controle de acesso, pode-se detectar uma sequência de teclas ou uma imagem/padrão (digital, íris) para desbloquear uma porta. Ricardo Tokio Higuti Departamento de Engenharia Elétrica - FEIS - Unesp

2 Introdução 3 Informação A INFORMAÇÃO deve estar representada de alguma forma adequada, para poder ser visualizada, armazenada, processada e/ou transmitida. Alguns exemplos de fontes de informação: Voz, música; Texto; Imagem; Temperatura, velocidade, pressão, etc. A informação pode estar contida em SINAIS, que existem fisicamente por meio de tensões, correntes, campos(elétrico, magnético), etc., nos casos de interesse da Engenharia Elétrica. Sinal de voz (onda mecânica) microfone sinal convertido para tensão elétrica (sinal analógico) Conversor Analógico Digital sinal digital processamento Compactação Efeitos de som Armazenamento Encriptação Introdução 4 Sinais Os sinais representam alguma grandeza física que se deseja processar, e podem ser de diferentes naturezas. Nesta apresentação, consideraremos sinais que dependem do tempo. Sinal analógico ou de tempo contínuo Estão definidos para todos os instante de tempo(mesmo sendo iguais a zero), e por isso são também chamados de sinais de tempo contínuo. Praticamente a totalidade de sinais práticos são de natureza analógica. Exemplos: temperatura ambiente; velocidade de um carro; tensão elétrica da rede (27/22 V, 6 Hz); voz/música Sinal referente ao som da letra a 5 Sinal da rede 27 V, 6 Hz amplitude [V] -.2 amplitude [V] tempo [s] tempo [s]

3 Introdução 5 Sinal de tempo discreto Um sinal de tempo discreto está definido apenas em determinados instantes de tempo, e sua amplitude pode assumir quaisquer valores. Por exemplo, um índice de inflação pode ser calculado a cada quatro semanas, mas não estaria definido o índice para a primeira semana. 2.5 Índice de inflação INPC 23 Introdução 6 Sinais de tempo discreto e de tempo contínuo Sinais de tempo discreto também podem ser obtidos a partir da AMOSTRAGEM de sinais analógicos. No exemplo, o sinal analógico é amostrado a uma taxa de 5 amostras por segundo, significando que a cada,2 s há uma amostra de sinal, representada por uma tensão elétrica. No entanto, entre o instante de tempo s e,2 s não há uma amostra definida. [%] mês Uma simples sequência de números pode ser considerada como um sinal de tempo discreto, por exemplo: x = {2.5,.4, 3, π} Amplitude [V] Amplitude [V] sinal de tempo contínuo x c (t) tempo [s] sinal de tempo discreto x[n] amostra n E quanto à informação entre esses instantes? Será perdida? Quantas amostras por segundo é preciso armazenar? Você estudará essa teoria no sétimo/oitavo semestre do curso. Por exemplo, em sistemas telefônicos digitais pode-se usar taxas de 8 amostras por segundo, enquanto que para música digital pode-se usar 44 amostras por segundo. Essas taxas dependem da máxima frequência do sinal de informação que se deseja adquirir.

4 Introdução 7 Sinais digitais Um sinal DIGITAL é um sinal de tempo discreto que tem também AMPLITUDE DISCRETA. Por exemplo, o número de alunos e alunas que ingressam num curso de Engenharia Elétrica a cada ano. Introdução 8 Sinais binários Você já deve ter se deparado com sinais representados apenas por zeros e uns, em geral como uma sequência, como: x = { } Esses dados só podem assumir valores inteiros(número de alunos/as), para cada ano. Estessinaissãodigitais,emparticularchamadosdeBINÁRIOS, por terem apenas dois valores possíveis: / (bit - BInary digit); V / 5 V Verdadeiro/Falso; Aberto/Fechado; Aceso/Apagado, etc. Também existem casos ternários, quaternários, e assim por diante.

5 Introdução 9 Formas de Onda Como os sinais normalmente usados na área de Engenharia Elétrica são as tensões, correntes, etc., que são sinais analógicos, como faríamos para representar sinais digitais de forma que possam ser processados por circuitos? Por exemplo, os zeros podem ser representados por uma tensão com valor zero volts, enquanto que os uns, por uma tensão com valor 5 volts. Ou vice-versa. No primeiro caso tem-se a chamada lógica positiva, e no segundo lógica negativa. Introdução Exemplo: bits em um CD Como outro exemplo, num CD, os zeros e uns são armazenados a partir de pequenas ranhuras (pits) no disco, no qual a mudança de uma parte plana (lands) para uma ranhura (ou vice-versa) está relacionada com um dado igual a um, enquanto que a ausência de transição significa que foi armazenado um dado igual a zero. 5 V V 5 V V Essas formas de onda são(cuidado!) são chamadas de formas de ondas digitais, mas são sinais analógicos usados para REPRESEN- TAR sinais digitais. Em particular, são muito comuns em entradas e saídas de circuitos digitais, e é o que será utilizado ao longo das aulas teóricas e de laboratório. Dependendo da área (circuitos digitais, comunicação de dados, etc.), esta atribuição de uma forma de onda para o sinal digital pode mudar, e isto é chamado, no jargão de comunicações, como codificação de linha. 5 V V

6 Introdução Conversão analógico-digital Em sistemas reais que convertem um sinal analógico em digital (amostragem), há um número determinado de níveis de tensão de saída (níveis de quantização), que determinam a resolução do conversor. Para oito níveis (3 bits, como será visto adiante), com passos de volts e a correspondência entre tensão e código em bits da figura, ter-se-ia: amostras ideais amostras quantizadas T 2T 3T 4T No caso deste exemplo, a sequência de bits gerada seria: Introdução 2 Características de sistemas digitais Algumas características de sistemas digitais em comparação com os analógicos: Armazenamento mais fácil e eficiente; Muitas vezes podem ser tratados como programas ou algoritmos, que são mais facilmente modificados e implementados. Além disso, o funcionamento é mais previsível frente a ruídos; Menor influência do ruído, por ser baseado em níveis discretos de tensão(informação original pode ser recuperada com poucos erros - e retransmitida). amplitude sinal original sinal recebido limiar tempo

7 Introdução 3 Características de sistemas digitais Menor volume e consumo que analógicos; Podem ser exploradas técnicas como encriptação e compactação de dados, correção e detecção de erros, etc. No CD, se utiliza um código detector e corretor de erros (Cross Interleave Reed-Solomon Code) que corrige até 8232 bits consecutivos, detecta e corrige parcialmente até bits consecutivos; Em algumas aplicações pode chegar a taxas de erros de 2, ou seja, cerca de um bit errado a cada um trilhão de bits. Pode necessitar de conversão analógico-digital, com consequências na velocidade (taxa de amostragem) e resolução (número de bits); Deve-se lembrar que os circuitos digitais operam com sinais analógicos que representam os sinais digitais (tensões. correntes), e portanto não se deve tirar a importância da representação analógica, bem como de suas técnicas.