ELETRÔNICA DIGITAL Professor Virgilio Magalde de Azevedo AULA 1

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1 AULA 1 1 Introdução A Eletrônica é o ramo da ciência que estuda o uso de circuitos formados por componentes elétricos e eletrônicos, com o objetivo principal de representar, armazenar, transmitir ou processar informações. Quando escutamos o termo digital, pensamos imediatamente em um relógio digital, calculadora ou computador. Essa ligação se deve a grande utilização desses produtos principalmente as possibilidades geradas por eles e a queda de preço dos mesmos. Apesar disso, relógios, calculadoras e computadores representam apenas uma parcela do grande de aplicações de circuitos digitais. Estes circuitos podem ser encontrados em produtos eletrônicos como videogames, fornos de microondas, sistemas de controle automotivos, equipamentos de teste (como medidores, geradores e osciloscópios), e ainda equipamentos médico hospitalares, nosso foco para estudo dessa disciplina. Os sistemas e técnicas digitais vieram substituir e trazer novas aplicações para alguns dos antigos circuitos analógicos usados em produtos de consumo, como rádios, TVs e equipamentos de áudio de alta fidelidade. Seu avanço e grande na área médica, principalmente na medicina diagnóstica. Nesta aula, estudaremos os conceitos iniciais da eletrônica digital, as portas e funções lógicas, os circuitos lógicos e a sua aplicação. O objetivo desejado é a compreensão dos sistemas digitais e o funcionamento da lógica digital, podendo aplicar esse conhecimento na análise e reparo de muitos desses sistemas. A disciplina eletrônica digital visa dar base ao técnico para compreensão de cada etapa de um sistema eletrônico digital, habilitando assim para projeto, montagem e manutenção de circuitos digitais. 1

2 2 Conceito Iniciais Os circuitos eletrônicos podem ser divididos em duas grandes categorias: Eletrônica analógica, envolvendo grandezas com valores contínuos. Formado por dispositivos que manipulam quantidades físicas representadas sob forma analógica. Nestes sistemas, as quantidades variam continuamente dentro de uma faixa de valores. Por exemplo, a amplitude do sinal de saída no alto-falante de um rádio pode assumir qualquer valor entre zero e o seu limite máximo. Os equipamentos de reprodução e gravação de fitas magnéticas são outros exemplos comuns de sistemas analógicos. Na Figura 1 é apresentado um sinal do corpo humano, sinal captado por um eletrocardiograma (ECG). Figura 1 Sinal analógico vindo de um ECG. Eletrônica digital, envolvendo grandezas com valores discretos. O mesmo resulta da combinação de dispositivos desenvolvidos para manipular quantidades físicas ou informações que são representadas na forma digital; isto é, tal sistema só pode manipular valores discretos. Na sua grande maioria, estes dispositivos são eletrônicos, mas também podem ser mecânicos, magnéticos ou pneumáticos. As calculadoras e computadores digitais, os relógios digitais, os controladores de sinais de tráfego e computadores são exemplos familiares de sistemas digitais. Na Figura 2 é apresentada a comunicação entre um computador e um modem, sinal puramente digital. 2

3 Figura 2 Sinal digital entre computador e modem Computador t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 Modem Podemos caracterizar um sistema meramente analógico, digital ou hibrido. No analógico o sinal não sofre conversão de analógico para digital, ele permanece em seu estado natural. No sistema digital o sinal é somente digital, em geral em sistemas com armazenamento e processamento de dados. Já o sistema híbrido, é o sistema que possui uma parte analógica e outra em digital. O mesmo é cada vez mais comum e está presente na maioria dos equipamentos eletrônicos. Na Figura 3 temos o exemplo do sistema puramente analógico e o híbrido. Figura 3 Sistemas analógicos e híbridos. Ondas sonoras originais Sistema Microfone Ondas sonoras reproduzidas analógico Sinal de áudio Amplificador linear Alto-falante Sinal de áudio amplificado Acionador de CD Sistema híbrido Dados digitais Conversor digital-analógico Reprocução analógica do sinal de mṡica Amplificador linear Alto-falante Ondas sonoras FIGURA Diagrama em um aparelho canal é mostr 3

4 Um exemplo de sistema híbrido voltado a equipamentos da área médica é o monitor de beira de leito. O monitor de beira de leito é um equipamento usado para monitorização contínua de frequência cardíaca, cardioscopia, oximetria de pulso e pressão não invasiva, frequência respiratória e temperatura. O mesmo é usado em pacientes que necessitam de atenção intensiva devido ao risco de saúde. Os sinais são enviados também para a central de monitorização do posto de enfermagem para o acompanhamento a distância. A Figura 4 descreve em diagrama de blocos simplificado o monitor. Os blocos em verde são tratados os sinais analógicos, já os blocos em azul e vermelho são processados sinais digitais. O transdutor capta os sinais vindos dos eletrodos e os converte em sinais elétricos (tensão e corrente). Após isso os sinais passam por um módulo de condicionamento de sinal analógico que visa amplificar (aumentar o ganho) e filtrar os mesmos (reduzir ruídos e interferências, principalmente de 60Hz). Após isso, os sinais são multiplexados e agrupados em um mesmo canal para que assim possam ser convertidos em formato digital para ter o processamento devido. O microcomputador é o responsável por realizar o processamento e as operações no sinal já em forma digital e realizar as devidas análises, repassando para o monitor, para o módulo de alarmes e para a comunicação remota. Figura 4 Monitor de beira de leito. 4

5 Todo esse avanço e processamento de sinal foi devido a utilização das técnicas digitais e outras tecnologias, substituindo grande parte dos métodos analógicos existentes. Os motivos principais que viabilizam a mudança para a tecnologia digital são: 1. Os sistemas digitais são mais fáceis de projetar. Isto é devido ao fato de os circuitos empregados nos sistemas 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. Circuitos especiais de chaveamento podem reter a informação pelo tempo que for necessário. 3. Precisão e exatidão são 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 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 5

6 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 Para se tirar proveito das técnicas digitais quando lidamos com entradas e saídas analógicas, três etapas devem ser executadas: digital. 1. Converter o mundo real das entradas analógicas para a forma 2. Processar (ou operar) a informação digital. 3. Converter as saídas digitais de volta para o mundo real, em sua forma analógica. A eletrônica digital envolve circuitos e sistemas nos quais existem apenas dois estados possíveis: ALTO e baixo. Combinações de dois estados, denominadas códigos, são usadas para representar números, símbolos, caracteres alfabéticos... O sistema de numeração de dois estados é denominado de binário e os seus dois dígitos são 0 e 1. Um dígito binário é denominado de bit. Um sinal digital é apresentado na Figura 5. Figura 5 Exemplo de sinal digital e sistema de numeração. A 1 0 Seqüência de bits representada pela forma de onda A Funções lógicas Portas Lógicas são funções cujas variáveis, conhecidas como booleanas, podem assumir somente dois valores numéricos/estados e opostos: 0 ou 1. O estado 0 indica que o aparelho aparelho está desligado, 6

7 que possui ausência de tensão, que a chave está chave aberta, a afirmativa não, etc. Já o estado 1 representa o aparelho ligado, a presença de tensão, a chave fechada, a afirmativa sim, etc. A lógica como chave é apresentada na Figura 5. Figura 5 Lógica como chave. A=0 A B A B As funções lógicas principais são as seguintes: E (AND), OU (OR), NÃO (NOT), NE (NAND) e NOU (NOR). Sendo as funções lógicas básicas E (AND), OU (OR) e NÃO (NOT), com estas é possível montar qualquer circuito lógico. Tabela verdade é uma representação em forma de tabela das funções lógicas e facilita a representação e análise das mesmas. É aquela que contém todas as resposta possíveis de um circuito logico qualquer, o qual executa uma certa quantidade de variáveis de entrada. Podemos dizer que a quantidade de possibilidades existentes em uma tabela é igual a 2 n, onde n é igual a quantidade de variáveis de entrada, logo, para 3 variáveis de entrada, por exemplo, teremos 8 possibilidades. Obs.: Variáveis de entrada são letras do nosso alfabeto (A, B, C, etc) que representam um fator externo qualquer, que virá a interferir na resposta do circuito, e que pode ser qualquer um dos dois estados lógicos, ou seja, 7

8 quando não se sabe ao certo qual nível lógico será colocado na entrada do circuito, atribuímos a esta entrada uma letra qualquer como por exemplo letra A, e admitimos que essa letra pode ser nível 1 ou 0. Exemplo: Tabela verdade para duas variáveis de entrada (4 possibilidades), onde o circuito executa a uma função. A ordem com que as possibilidades da tabela se dispõem é única e não deve ser alterada. Está relacionada com a sequência natural dos números binários, conforme Figura 6. Figura 6 Tabela verdade. O símbolo é a representação padrão do circuito, onde cada porta lógica possui o seu padrão. Já a expressão booleana é uma ferramenta matemática que permite escrever a saída e a entrada através de uma equação. NOT / NÃO / INVERSOR : A mesma não executa nenhuma operação aritmética, contudo é de muita importância para a lógica digital. 8

9 Sua única finalidade é de inverter (daí o termo em português), o nível lógico existente na sua entrada. Se a mesma estiver nível lógico 1, a saída será 0 e se estiver em nível 0, sairá nível 1. Sua tabela, símbolo e expressão estão representado na Figura 7. Figura 7 Formato de simbologia. AND / E / PRODUTO : A operação AND gera uma saída de nível ALTO apenas quando todas as entradas forem nível ALTO. Esta função executa a operação aritmética de multiplicação, logo sua tabela verdade e simbologia para duas entradas será de acordo com a Figura 8. Figura 8 Representação da porta E. 9

10 A função AND que em português significa E, possui este nome porque sua tabela verdade responderá afirmativamente, com nível 1 em sua saída somente quando A e B forem nível 1 simultaneamente. NAND / NÃO E : A operação NAND gera uma saída de nível BAIXO apenas quando todas as entradas forem nível ALTO. A função NAND é a função AND seguida de um inversor na saída, respondendo ao inverso a multiplicação. A tabela verdade para duas variáveis de entrada será o inverso da tabela verdade mostrada na função NAND. A porta lógica que executa a função NOR é composta da simbologia da porta OR, seguida de um inversor, conforme Figura 9. Figura 9 Representação da porta Não E. OR / OU / SOMA : A operação OR gera uma saída de nível ALTO quando uma ou mais entradas forem nível ALTO. Logo a mesma executa a operação aritmética da soma conforme tabela verdade abaixo. A função OR, que em português 10

11 significa OU, possui esse nome porque sua resposta será afirmativa (nível 1), quando a variável A ou B for nível 1, conforme ilustrado na Figura 10. Figura 10 Representação da porta OU. Obs.: no quarto caso temos 1+1 o que em binário resultará em 10, porém, como foi mencionado o circuito lógico básico só possui uma única saída, logo, este terá que fornecer como resultado apenas o algarismo mais significativo. NOR / NÃO OU: A operação NOR gera uma saída de nível ALTO quando todas as entradas forem nível BAIXO. Esta função tem a resposta inversa a da soma, pois possui uma função NOT em sua saída. A tabela verdade para duas variáveis de entrada será o inverso da tabela verdade mostrada na função OR. A porta lógica que executa a função NOR é composta da simbologia da porta OR, seguida de um inversor, conforme Figura

12 Figura 11 Representação da porta Não OU. XOR / OU EXCLUSIVO: A operação XOR gera uma saída de nível ALTO quando as entradas forem diferentes. Podemos perceber também que esta nova função é semelhante a função OR, tendo uma única diferença a ultima possibilidade que é A=1 e B=1. Desta semelhança surge o termo OU EXCLUSIVO. Essa nova função possui uma notação diferente das comuns, porém, também é semelhante a soma. Para S=A ou-exclusivo B temos conforme Figura 12. Figura 12 Representação da porta XOR. 12

13 Obs.: essas funções só admitem duas variáveis de entrada por porta. Para executa-las com mais de duas variáveis de entrada é necessário utilizar várias portas interligadas XNOR / COINCIDÊNCIA: A operação XNOR gera uma saída de nível ALTO quando as entradas forem iguais. Esta outra nova função também possui uma notação porpria que, por sua vez, é semelhante a função AND. Isso porque a função COINCIDÊNCIA difere da AND apenas no primeiro caso onde A=0 e B=0. Para S= A coincidência B, temos a Figura 13 como exemplo. Figura 13 Representação da porta XNOR. As portas básicas: NÃO, E e OU formam portas equivalentes entre si, gerando a universalidade das portas lógicas conforme apresentado na Figura 14 13

14 Figura 14 Universalidade das portas lógicas. 14

15 4 Aplicações de Circuitos Lógicos ELETRÔNICA DIGITAL Exercício 1 - O cardioversor é um desfibrilador que aplica choque sincronizado ao sinal ECG do paciente. Durante a cardioversão é necessário captar o sinal do ECG, que vai ser amplificado e utilizado no circuito interno do cardioversor como sinal de sincronismo para aplicar o choque. Dessa forma, quando o operador pressiona a chave de descarga do choque, a porta lógica só habilita o circuito do disparo do desfibrilador após 30ms de detectado um complexo QRS, impedindo que o choque seja aplicado no período vulnerável. Encontre a tabela verdade e a porta lógica conforme Figura 15. Figura 15 Diagrama de blocos de um cardioversor. Resposta: 15

16 Exercício 2 - Um bipe de alarme deverá soar quando tiver as 3 condições simultâneas: o monitor estiver habilitado, pelo menos um dos transdutores (ECG, Oximetria de pulso ou de Respiração) estiver ativado e quando o sistema de comunicação wireless estiver com falha. Encontre o circuito lógico e a expressão booleana conforme ilustrado na Figura 16. Figura 16 Diagrama de blocos de um monitor de beira de leito. Resposta: 16

17 5 Bibliografia TOCCI, R.J. & WIDMER,N.S. Sistemas digitais: princípios e aplicações. 11 a ed, Prentice-Hall, 2011 LOURENÇO, A. C.; Circuitos Digitais. 9ª ed. São Paulo: Érica, 2011 CAPUANO, F. G.; IDOETA, I. V.; Elementos de Eletrônica Digital. 41ª Ed. São Paulo: Érica.2014 TOKHEIM, R. L.; Fundamentos de Eletrônica Digital. 7ª Ed São Paulo: McGraw-Hill FLOYD, Thomas L. Sistemas digitais: fundamentos e aplicações.9. ed. Porto Alegre : Bookman, CARVALHO LC. Instrumentação médico-hospitalar. Barueri: Manole; p. MALVINO, A. P.; LEACH, D. P.; Eletrônica Digital: Princípios e Aplicações. São Paulo: McGraw-Hill, TAUB, H.; Circuitos Digitais e Microprocessadores. São Paulo: McGraw-Hill,

18 ANEXO A RESUMO AULA 1 O que é necessário saber: - Sinal Analógico x Sinal Digital - Sistema Binário - Sistema Digital e Híbrido - Tabela verdade, símbolo e expressão Booleana - Funções Lógicas - Universalidade O que é bom saber: - Bases numéricas e conversão - Sinais e Componentes eletrônicos analógicos - Vantagens e desvantagens de circuitos digitais e analógicos - Equipamentos médico hospitalares Onde encontrar mais: - Bibliografia: TOCCI, TOKHEIM e FLOYD Youtube Software - EWB Electronics Workbench 18

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20 ANEXO B - QUIZ AULA 1 1. Uma grandeza que apresenta valores contínuos é : (a) uma grandeza digital (c) uma grandeza binária (b) uma grandeza analógica (d) uma grandeza natural 2. O termo bit significa: (a) pequena quantidade de dados (b) um 1 ou um 0 (c) dígito binário (d) as respostas (b) e (c) estão corretas 3. Um inversor (a) realiza a operação NOT (b) comuta de um nível ALTO para um nível BAIXO (c) comuta um nível BAIXO para um nível ALTO (d) todas as alternativas acima estão corretas 4. A saída de uma porta AND é nível ALTO quando (a) qualquer entrada for nível ALTO (b) todas as entradas são nível ALTO corretas (c) nenhuma entrada for nível ALTO (d) alternativas a) e (b) estão 5. A saída de uma porta OR é nível ALTO quando (a) qualquer entrada for nível ALTO (b) todas as entradas são nível ALTO corretas (c) nenhuma entrada for nível ALTO (d) alternativas a) e (b) estão 20

21 ANEXO C - LISTA DE EXERCICIOS AULA 1 1) Como parte de um sistema de monitoramento funcional de aeronaves, é necessário um circuito para indicar o estado do trem de aterrissagem antes da aterrissagem. Um LED cinza liga se os três trens de aterrissagem estiverem adequadamente estendidos quando a chave de redução de velocidade for ativada em preparação para a aterrissagem. Um LED laranja liga se algum dos trens de aterrissagem não for adequadamente estendido antes da aterrissagem. Quando o trem de aterrissagem está estendido, o seu sensor produz uma tensão de nível BAIXO. Quando o trem de aterrissagem está retraído, o seu sensor produz uma tensão de nível ALTO. Implemente um circuito que atenda a esse requisito. 2) Sensores são usados para monitorar a pressão e a temperatura de uma solução química armazenada num recipiente fechado. O circuito de cada sensor produz uma tensão de nível ALTO quando o valor máximo é excedido. Um alarme que necessita de uma tensão de nível BAIXO na entrada tem que ser ativado quando a pressão ou a temperatura for excessiva. Projete um circuito para essa aplicação. 3) Em um certo processo produtivo automatizado, os componentes elétricos são automaticamente inseridos numa PCB. Antes que a ferramenta de inserção seja ativada, a PCB tem que ser posicionada corretamente e os componentes a serem inseridos têm que estar na câmara. Cada uma dessas condições é indicada por uma tensão de nível ALTO. A ferramenta de inserção requer uma tensão de nível BAIXO para ser ativada. Projete um circuito para implementar esse processo. 21