V i CIRCUITOS DIGITAIS. Introdução

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1 CIRCUITOS DIGITAIS Introdução Quando escutamos o termo digital, pensamos em relógio digital ou calculadora digital, uma associação atribuída à popularidade que os equipamentos digitais adquiriram devido à queda acentuada em seus preços, tornando-se acessíveis à grande maioria das pessoas. Mas relógios e calculadoras digitais representam apenas uma pequena parcela das aplicações de circuitos digitais, os quais podem ser encontrados em muitos produtos eletrônicos como: computadores, aparelhos de TV, rádio, videogames, fornos de microondas, sistemas de controle automotivos, equipamentos de teste (medidores, geradores, osciloscópios,...), sistemas de telefonia, circuitos de controle, etc... As técnicas digitais vieram substituir alguns dos chamados circuitos analógicos utilizados em produtos de consumo, como rádios, TVs e equipamentos de áudio de alta fidelidade, além dos circuitos mistos, os quais possuem uma parte como digital. Basicamente, o que caracteriza um circuito digital é a utilização de sinais elétricos em somente dois níveis de tensão (ou corrente) para a representação do valor de um dígito binário: 0 ou 1 ; originando daí a denominação digital. Tal fato auxilia a representação do estado de dispositivos que trabalham em dois níveis ou estados, tais como nível alto/nível-baixo, ligado/desligado (on/off), verdadeiro/falso, fechado/aberto, presença/ausência, etc..., como também em virtude da vantagem que estes dispositivos levam em termos de confiabilidade, além da representação de valores numéricos no sistema binário. V i V ihmáx Nível lógico alto = "1" V ihmín V ilmáx Nível lógico baixo = "0" V ilmín Cefet/PR Cornélio Procópio 1

2 Existem princípios e técnicas que são comuns a todos os sistemas digitais, partindo da mais simples chave liga-desliga ao mais complexo computador. V 1110 = 1,4 V 1001 = 0,9V 0110 = 0,6V 0011 = 0,3V 0000 = 0V t Vantagens das Técnicas Digitais t 1 t 2 t 3 t 4... t 1 A utilização das técnicas digitais proporcionou novas aplicações da eletrônica bem como de outras tecnologias, substituindo grande parte dos métodos existentes. As principais razões que viabilizam a mudança para a tecnologia digital são: 1. Os sistemas digitais são mais fáceis de projetar pelo fato dos circuitos digitais serem circuitos de chaveamento, em que os valores exatos da tensão ou da corrente dos sinais manipulados não são tão importantes, bastando resguardar a faixa de operação (ALTO ou BAIXO) destes sinais; 2. O armazenamento da informação é fácil; 3. Precisão e exatidão maiores. Os sistemas digitais podem trabalhar com tantos dígitos de precisão quantos forem necessários, com a simples adição de mais circuitos de chaveamento. Nos sistemas analógicos, a precisão geralmente é limitada a três ou quatro dígitos, porque os valores de tensão e corrente dependem diretamente dos componentes empregados. 4. As operações podem ser programadas. É relativamente fácil e conveniente desenvolver sistemas digitais cuja operação possa ser controlada por um conjunto de instruções previamente armazenadas (programa). Os sistemas Cefet/PR Cornélio Procópio 2

3 analógicos também podem ser programados, mas a variedade e a complexidade das operações envolvidas são bastante limitadas. 5. Circuitos digitais são menos afetados por ruído. Ruídos provocados por flutuações na tensão de alimentação ou de entrada, ou mesmo induzidos externamente, não são tão críticos em sistemas digitais porque o valor exato da tensão não é tão importante, desde que o nível do ruído não atrapalhe a distinção entre os níveis ALTO e BAIXO. 6. Os circuitos digitais são mais adequados à integração. É verdade que o desenvolvimento da tecnologia de integração (CIs) também beneficiou os circuitos analógicos, mas a sua relativa complexidade e o uso de dispositivos que não podem ser economicamente integrados (capacitores de grande capacitância, resistores de precisão, indutores, transformadores) não permitiriam que os circuitos analógicos atingissem o mesmo grau de integração dos circuitos digitais. Limitações das Técnicas Digitais Só existe uma grande desvantagem para o uso das técnicas digitais: o mundo real é predominantemente analógico. A grande maioria das variáveis (quantidades) físicas são, em sua natureza, analógicas, como a medida de valores de e estas geralmente são as entradas e saídas que devem ser monitoradas, operadas e controladas por um sistema. Como exemplo temos a temperatura, a pressão, a posição, a velocidade, o nível de um líquido, a vazão e outros mais. Via de regra, expressamos estas variáveis digitalmente como quando dizemos que a temperatura é de 64 0 (63,8 0 para ser mais preciso); na realidade, porém, estamos fazendo uma aproximação digital de uma quantidade analógica. Para se tirar proveito das técnicas digitais quando lidamos com entradas e saídas analógicas, três etapas devem ser executadas: 1. Converter o mundo real das entradas analógicas para a forma digital. 2. Processar (ou operar) a informação digital. 3. Converter as saídas digitais de volta para o mundo real, em sua forma analógica. A figura a seguir mostra o diagrama em blocos para um sistema de controle de temperatura, em que a temperatura, que é uma quantidade analógica, é medida, e seu valor é então transformado em uma quantidade digital por um conversor analógico-digital (ADC). O valor digitalizado é processado por circuitos digitais que poderão ou não incluir um computador digital. A saída digital é novamente convertida à sua forma analógica original por um conversor digital-analógico (DAC). O valor resultante alimenta um controlador que atua no sentido de ajustar a temperatura. Cefet/PR Cornélio Procópio 3

4 A necessidade das conversões AD/DA da informação pode ser considerada uma desvantagem, porque introduz complexidade e maior custo aos sistemas. Outro fator muito importante é o tempo extra gasto na conversão. Em muitas aplicações, este tempo é compensado pelas inúmeras vantagens advindas da técnica digital, sendo então muito comum o emprego de conversões AD/DA na tecnologia atual. Em determinadas situações, porém, o uso das técnicas analógicas é mais simples e econômico. Por exemplo, o processo de amplificação de sinais é muito mais fácil quando realizado por circuitos analógicos. Hoje em dia, é muito comum a utilização de ambas as técnicas em um mesmo sistema, visando às vantagens de cada um. No projeto destes sistemas híbridos, o mais importante é determinar quais partes serão digitais e quais serão analógicas. Finalmente, é importante observar que, devido aos benefícios econômicos proporcionados pela integração dos circuitos, as técnicas digitais serão utilizadas com intensidade cada vez maior. Modelo de Sistema Digital Um sistema digital é qualquer sistema para o processamento da informação em que esta consiste em sinais discretos. Normalmente, os sistemas digitais são sistemas binários onde a unidade de informação é o bit binary digit ou dígito binário, e os sinais podem assumir apenas dois valores discretos (0 ou 1). As informações processadas em um sistema digital podem ser classificadas em dois tipos, de acordo com a finalidade a que se destinam: os sinais a serem processados, denominados de dados, e os sinais de controle, utilizados para controlar o processamento dos dados. Estes sinais podem ser caracterizados da seguinte forma: Sinais de Dados: Normalmente, são os sinais do tipo nível (sinal que permanece em um dos níveis, L ou H, por períodos indefinidos de tempo e que muda de valor apenas a intervalos de tempo grandes, comparados com a duração do pulso) e constituem em conjuntos ordenados de bits representados por variáveis do tipo vetor. Em geral, os dados são constituídos por um grande número de Cefet/PR Cornélio Procópio 4

5 bytes que recebem processamento semelhante. Os sinais de dados podem ser de entrada ou de saída. Sinais de Controle: Normalmente, são sinais do tipo pulso (é o sinal que normalmente permanece em um nível, usualmente L, e que passa para outro nível apenas durante um intervalo de tempo muito pequeno ) ou nível e consistem em um pequeno número de bits representados por variáveis do tipo escalar. A informação de controle pode ser de dois tipos: Comandos: São sinais utilizados para selecionar e iniciar processamentos, e podem ser externos ou internos ao sistema. Estado: São sinais que informam as condições ocorridas durante o processamento dos dados. São também denominados de sinais de status. Um sistema digital pode ser modelado através de um bloco, como indicado na figura a seguir. Os sinais de entrada e os sinais de saída são representados, respectivamente, por linhas entrando no bloco e saindo do bloco que representa o sistema. No caso dos dados são usados conjuntos de linhas representados por linhas duplas, enquanto que, no caso dos sinais de controle são usadas linhas individuais. Dados de Entrada Sinais de Controle SISTEMA DIGITAL Dados de Saída Modelo de Sistema Digital Para examinar a organização interna de um sistema digital, o modelo apresentado pode ser detalhado. Neste modelo, as funções de processamento dos dados e de processamento dos sinais de controle são separadas em duas diferentes estruturas, denominadas de Estrutura de Processamento (EP) e Estrutura de Controle (EC). Estrutura de Processamento: especifica todos os dados de entrada, dados intermediários e dados de saída, bem como todos os sinais de controle, inclusive sinais de status, que sejam necessários. Estrutura de Controle: especifica a ordem em que os sinais de controle devem ser produzidos em resposta aos comandos externos e aos sinais de status. É possível classificar os sistemas digitais em Sistemas Assíncronos e Sistemas Síncronos, de acordo com o modo de execução do fluxo de dados. A caracterização destes sistemas pode ser realizada do seguinte modo: Cefet/PR Cornélio Procópio 5

6 Sistema Assíncrono: Neste tipo de sistema, uma nova sub-tarefa é iniciada imediatamente após o término da sub-tarefa que a precede no fluxo de dados. Para tanto, cada sub-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 sub-tarefa seguinte. Sistema Síncrono: Neste tipo de sistema, há um sinal de controle geral, normalmente um sinal periódico do tipo pulso denominado relógio (clock). Os pulsos ocorrem regularmente a cada período T. Todas as sub-tarefas ou eventos ocorrem em sincronismo com algum pulso, ou seja, o pulso é usado para comandar o início das sub-tarefas. Não é necessário sinalizar o término das subtarefas pois, durante o projeto do sistema, deve ter sido definido o tempo máximo de duração de cada uma delas. A Estrutura de Controle deve se encarregar de fornecer o comando de início de cada sub-tarefa em sincronismo com o pulso que ocorre no instante apropriado. Os sistemas mais utilizados são os sistemas síncronos, pois permitem que se conheça exatamente os instantes de ocorrência dos eventos. Isto possibilita que se detecte e se corrija falhas no projeto ou de operação mais facilmente. Por outro lado, em geral, os sistemas assíncronos são usados para comunicação entre sistemas síncronos. É possível também classificar os sistemas digitais em Sistemas Paralelos e Sistemas Seriais, de acordo com o modo como os bits individuais dos dados são processados. A caracterização destes sistemas pode ser realizada do seguinte modo: Sistema Paralelo: Neste tipo de sistema, todos os bits de cada vetor de dados são processados simultaneamente. Sistema Serial: Neste tipo de sistema, os bits de cada vetor de dados são processados individualmente, ou seja, de modo seqüencial. A escolha de 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 duplicação de dispositivos para poder realizar o processamento simultâneo. Por outro lado, o sistema serial é mais lento, porém mais barato, pois utiliza o compartilhamento de dispositivos para processar um bit de cada vez. O processamento realizado pelos sistemas digitais é, em grande parte, representado pelo processo de tomada de decisões que consiste na dedução lógica de uma resposta em função das condições de entrada. O processamento digital é, portanto, governado pelas regras da Lógica, segundo as quais as condições de entrada e a decisão de saída só podem assumir um entre dois valores: Falso ou Verdadeiro. A falsidade ou veracidade da saída (decisão) é deduzida da Cefet/PR Cornélio Procópio 6

7 falsidade ou veracidade das entradas (condições) tendo em vista o relacionamento lógico entre estas. As saídas são, então, Funções Lógicas das entradas. A representação das funções lógicas pode ser realizada utilizando-se expressões matemáticas e diagrama de blocos. Os blocos funcionais usados para representar as funções lógicas elementares são denominados, de um modo geral, de blocos lógicos ou, mais particularmente de portas lógicas. Funções lógicas mais complexas podem ser obtidas em termos de combinações das funções elementares e a representação destas funções em termos de diagrama de blocos é denominada de Diagrama Lógico ou Circuito Lógico. A Análise e Projeto de Sistemas Digitais é convertida na Análise e Projeto de Circuitos Lógicos. Os circuitos lógicos podem ser classificados em dois tipos: Circuitos Combinacionais: As saídas em qualquer instante de tempo dependem apenas dos valores das entradas nesse instante de tempo. A Estrutura de Processamento utiliza, normalmente, este tipo de circuito. Circuitos Seqüenciais: As saídas em um dado instante de tempo dependem não só dos valores das entradas nesse instante de tempo, mas também dos valores em instantes anteriores: ou seja, estes circuitos possuem memória. A Estrutura de Controle utiliza, normalmente, este tipo de circuito. 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 digitais complexos bem menores e mais confiáveis do que os sistemas equivalentes construídos com componentes discretos. Cefet/PR Cornélio Procópio 7