Programa da disciplina, i metodologia de ensino, avaliações e bibliografia básica. Objetivos da Disciplina

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1 Circuitos Digitais Cap. 1 Prof. José Maria P. de Menezes Jr. Circuitos Digitais Tópicos Digitais I- Engenharia Elétrica -UFPI Programa da disciplina, i metodologia de ensino, avaliações e bibliografia básica. Objetivos da Disciplina Representações Numéricas Sistemas Analógicos e Digitais Circuitos Digitais / Circuitos Lógicos Memória Computadores Digitais Representação de Quantidades Binárias

2 Programa da Disciplina 1. Conceitos Introdutórios 2. Sistemas de Numeração e Códigos 3. Portas Lógicas e Álgebra Booleana 4. Circuitosit Lógicos Combinacionais i i 5. Aritmética Digital: Operações e Circuitos 6. Flip-Flops e Dispositivos Correlatos 7. Circuitos Lógicos Seqüênciais 8. Contadores e Registradores 9. Interface com o Mundo Analógico 10. Dispositivos de Memória Circuitos Digitais Metodologia de Ensino Digitais I- Engenharia Elétrica -UFPI Aulas Teóricas Aulas Práticas (Lab. Eletrônica Digital) Avaliações

3 Bibliografia Básica Tocci, R. j., Widmer, N. S., Moss, G. L.; Sistemas Digitais - Princípios e Aplicações - 10ª Ed, Editora Pearson, Milos Ercegovac; Tomas Lang; Jaime H. Moreno; Introdução aos Sistemas Digitais, Editora Bookman, FLOYD, Thomas L. Digital Fundamentals. 17. ed. Upper Saddle River: Prentice-Hall, Material da Disciplina: Objetivos Gerais da Disciplina Entender os conceitos fundamentais de lógica digital. Estudo de Sistemas Digitais Combinacionais. Estudo de Sistemas Digitais Seqüênciais. Habilitar o aluno a realizar análise e síntese de circuitos digitais. it i Apresentação aos Dispositivositi de Lógica Programável.

4 AULA 1 Objetivos Distinção entre representações digitais e analógicas. Vantagens e desvantagens no uso de representações digitais e analógicas. Reconhecer as características básicas dos sistemas de numeração. Identificar um diagrama de tempo. Transmissão Paralela e Serial. Memória. Computador Digital.

5 Representações Numéricas Em Engenharia, assim como em outras áreas de trabalho, temos que tratar com quantidades. Estas quantidades são medidas, monitoradas, guardadas, manipuladas aritmeticamente, observadas ou utilizadas de alguma outra maneira. Para manipular adequadamente estas quantidades, é importante representar seus valores de modo eficiente e preciso. Há basicamente duas formas de representação dos valores das quantidades: a ANALÓGICA eadigital. Representações Numéricas Representação Analógica A quantidade é representada por uma tensão, uma corrente ou uma medida de movimento proporcional ao valor em questão. Quantidades analógicas têm uma importante característica: elas podem variar ao longo de uma faixa contínua de valores. Ex: velocímetro, termostato, microfone. Representação Digital A quantidade não é representada por quantidades proporcionais, p mas por símbolos denominados dígitos. Em outras palavras, essa representação é de natureza discreta não varia continuamente, mas em saltos ou degraus. Ex: relógio digital. Resumidamente: Analógica contínua, ambígua na leitura Digital discreta (passo a passo)

6 Representações Numéricas Dentre as quantidades a seguir, quais são as que estão relacionadas a quantidades analógicas, e quais estão relacionadas a quantidades digitais? (a) Chave de dez posições. DIGITAL (b) Corrente que flui de uma fonte. ANALÓGICA (c) Temperatura de um ambiente. ANALÓGICA (d) Grãos de areia na praia. DIGITAL (e) Velocidade de um automóvel. ANALÓGICA Sistemas Analógicos e Digitais Sistema Digital Combinação de dispositivos projetados para manipular informação lógica ou quantidades físicas que são representadas no formato digital; ou seja, as quantidades podem assumir apenas valores discretos. Esses dispositivos são na maioria das vezes eletrônicos, mas podem, também, ser mecânicos, magnéticos ou pneumáticos. Ex: computadores, calculadoras, equipamentos de áudio e vídeo e sistema telefônico. Sistema Analógico Contém dispositivos que manipulam quantidades físicas que podem variar ao longo de uma faixa contínua de valores. Por exemplo, a amplitude do sinal de saída de um alto-falante em um receptor de rádio que pode apresentar qualquer valor entre zero eoseuvalormáximo(limite). Ex: amplificadores de áudio, fita magnética e etc.

7 Vantagens das técnicas digitais Verifica-se hoje um aumento no número de aplicações em eletrônica que utilizam técnicas digitais para implementar funções que eram realizadas usando-se métodos analógicos. Os principais motivos para esta migração são: Os sistemas digitais são geralmente mais fáceis de serem projetados. Facilidade no armazenamento da informação. Maior precisão e exatidão. As operações podem ser programadas. Os circuitos digitais são menos afetados por ruídos (níveis lógicos). CIs (chips) digitais podem ser fabricados com mais dispositivos internos. Só há vantagens nessa migração de analógico para digital???? Limitações das técnicas digitais Há uma grande desvantagem quando se usam técnicas digitais: O mundo real é quase totalmente analógico! Processar sinais digitalizados leva tempo! Assim, para obter as vantagens das técnicas digitais quando tratamos com entradas e saídas analógicas, seguimos quatro passos: (i) Converter a variável física em um sinal elétrico (analógico), (ii) Converter a entrada analógica para o formato digital, (iii) Realizar o processamento da informação digital (operação), e (iv) Converter as saídas digitais de volta ao formato analógico. Ex 2.: Gravação de Cd

8 Sinais analógicos e digitais Processo de converter o sinal analógico para digital é chamado de quantização ou digitalização. A Digitalização de sinais analógicos é obtida com três processos: 1. Amostragem: Discretização do sinal analógico original no tempo. 2. Quantização: Discretização da amplitude do sinal amostrado. 3. Codificação: Atribuição de códigos (geralmente binários) às amplitudes do sinal quantizado. A exatidão com a qual é feita a conversão é feita depende do número de níveis e da freqüência das amostras. Sistemas de Numeração Digital Há muitos sistemas de numeração em uso na tecnologia digital. Os mais comuns são os sistemas decimal, binário, octal e hexadecimal. O sistema decimal é obviamente o mais familiar, e examinar algumas de suas características nos ajudará a entender melhor os outros sistemas. Sistema Decimal Formado por 10 algarismo Base 10 2x10^3 + 7x10^2 + 4x10^1...

9 Sistemas de Numeração Digital Contagem Decimal Sistemas de Numeração Digital Infelizmente, o sistema de numeração decimal não é conveniente para ser implementado em sistemas digitais. Por exemplo, é muito difícil projetar um equipamento eletrônico para que ele opere com dez níveis diferentes de tensão (cada um representando um caractere decimal, 0 a 9). Por outro lado, é muito fácil projetar um circuito it eletrônico simples e preciso que opere com apenas dois níveis de tensão. Sistema Binário Formado por 2 algarismo Base 2 1x2^3 + 0x2^2 + 1x2^1... Digito binário = bit

10 Sistemas de Numeração Digital Contagem Binária Até 2^N contagens Representação de Quantidades Binárias As quantidades binárias podem ser representadas por qualquer dispositivo que tenha apenas dois estados de operação, ou duas condições possíveis. Por exemplo: (i) uma chave, que possui apenas duas opções: aberta ou fechada, ou (ii) um cartão perfurado.

11 Representação de Quantidades Binárias O Cartão perfurado foi aproveitado inicialmente por Herman Hollerith, fundador da Tabulating Machine Company precursora da IBM, para sistemas de informação não têxteis. Esses cartões foram os grandes precursores da memória usada em computadores. Uma informação não confirmada é que "os cartões perfurados originais tinham o tamanho das notas de 1 dolar", este tamanho foi escolhido para que os cartões pudessem ser levados nas carteiras dos recenseadores. Nos primeiros computadores, que eram máquinas enormes e muito complicadas de serem utilizadas, os cartões perfurados eram o meio de incluir dados e comandos nas máquinas. Representação de Quantidades Binárias

12 Representação de Quantidades Binárias Em sistemas eletrônicos digitais, uma informação binária é representada por tensões (ou correntes) que estão presentes nas entradas e saídas dos diversos circuitos. Tipicamente, os números 0 e 1 são representados por dois níveis de tensões nominais. Por exemplo, zero volt (0 V) pode representar o binário i 0, e+5 V pode representar o binário 1. Na realidade, devido às variações nos circuitos, o 0 e o 1 são representados por faixas de tensão. FIGURA 1-7 (a) Valores típicos de tensões em um sistema digital. Representação de Quantidades Binárias Sinais Digitais e Diagramas de tempo A Figura abaixo mostra um sinal digital típico, e como ele varia ao longo do tempo. Na realidade, trata-se de um gráfico de tensão versus tempo (t) que é denominado d diagrama de tempo. A escala de tempo, horizontal, é dividida em intervalos regulares. As transições no diagrama foram desenhadas como linhas verticais de modo a parecerem instantâneas, sendo que na realidade existe um curto tempo de subida. FIGURA (b) diagrama de tempo de um sinal digital típico.

13 Circuitos Digitais / Circuitos Lógicos Os circuitos digitais são projetados para produzir tensões de saída que se encontrem dentro das faixas de tensões determinadas d para os níveis 0 e 1, e para responderem a tensões de entrada também dentro destas faixas. FIGURA 1-8 Um circuito digital responde aos níveis binários das entradas (0 ou 1) e não ao valor exato da tensão. Circuitos Digitais / Circuitos Lógicos O modo como um circuito digital responde a uma entrada é denominado d lógica do circuito. it Por esta razão, os circuitos it digitaisit i são também chamados de circuitos lógicos. Os dois termos são usados indistintamente. Os principais tipos de circuitos lógicos normalmente encontrados em sistemas digitais serão estudados, dando ênfase inicialmente à funções lógicas que podem ser implementadas por esses circuitos. Circuito integrado

14 Transmissão de Dados Uma das operações mais comuns que ocorrem em qualquer sistema digitalit é a transmissão da informação de um ponto para outro. A informação pode ser transmitida a uma distância tão pequena quanto a de alguns centímetros em uma placa de circuito, ou a uma distância de vários quilômetros. A informação é transmitida em formato binário e, geralmente, é representada por tensões na saída de um transmissor que está conectado à entrada de um circuito receptor. Os dois métodos básicos para transmissão de informação digital são: paralelo e serial. Transmissão Paralela e Serial Diferenças? FIGURA 1-9 (a) a transmissão paralela usa uma linha de conexão por bit, e todos os bits são transmitidos simultaneamente; (b) a transmissão serial usa apenas uma linha de sinal, na qual os bits são transmitidos serialmente (um de cada vez).

15 Memória Quando um sinal de entrada é aplicado à maioria dos dispositivos ou circuitos, a saída muda, de algum modo, em resposta à entrada. Se ao ser removido o sinal de entrada, a saída volta ao estado original, então este circuito não deve possuir memória. Se ao ser removido o sinal de entrada, a saída se mantém no estado original, então este circuito deve possuir memória. Computadores Digitais cálculos interpretação recebe e imprime instruções FIGURA 1-11 Diagrama funcional de um computador digital. armazenamento