O Básico sobre Eletrônica Digital

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1 NEWTON C. BRAGA

2 O Básico sobre Eletrônica Digital Newton C. Braga O Básico sobre Eletrônica Digital PATROCÍNIO Editora Newton C. Braga São Paulo - 27 Instituto NCB [email protected] 2

3 NEWTON C. BRAGA O Básico sobre Eletrônica Digital Autor: Newton C. Braga São Paulo - Brasil - 27 Palavras-chave: Eletrônica - Engenharia Eletrônica Componentes Circuitos práticos Coletânea de circuitos Eletrônica Digital Curso Rápido. Copyright by INTITUTO NEWTON C BRAGA. ª edição Todos os direitos reservados. Proibida a reprodução total ou parcial, por qualquer meio ou processo, especialmente por sistemas gráficos, microfílmicos, fotográficos, reprográficos, fonográficos, videográficos, atualmente existentes ou que venham a ser inventados. Vedada a memorização e/ou a recuperação total ou parcial em qualquer parte da obra em qualquer programa juscibernético atualmente em uso ou que venha a ser desenvolvido ou implantado no futuro. Essas proibições aplicam-se também às características gráficas da obra e à sua editoração. A violação dos direitos autorais é punível como crime (art. 84 e parágrafos, do Código Penal, cf. Lei nº 6.895, de 7/2/8) com pena de prisão e multa, conjuntamente com busca e apreensão e indenização diversas (artigos 22, 23, 24, 26 da Lei nº 5.988, de 4/2/73, Lei dos Direitos Autorais). Diretor responsável: Newton C. Braga Diagramação e Coordenação: Renato Paiotti 3

4 O Básico sobre Eletrônica Digital Índice Índice...4 Apresentação...6 Introdução (da edição original de 987)...7 Circuitos Digitais...9 Conversão para a Base Conversão para a Base...7 Por que Binário?...9 Circuitos Lógicos...24 Funções Lógicas...3 a) A função E...3 b) A função OU...34 c) A Função NÃO E ou NE...36 d) A função inversora...39 e) Função NÃO-OU ou NOU...4 f) Função OU-exclusivo...43 Postulados da Álgebra Booleana...44 Flip-flops...47 a) Multivibradores astáveis...47 b) Multivibradores monoestáveis...49 c) O multivibrador biestável ou flip-flop...5 O contador binário...53 BCD ou Decimal codificado em binário...58 Circuitos Básicos...6 Função Função Função Função NAND ou NÃO-E...6 NOR...6 AND...62 OR...63 Famílias Lógicas...65 A família TTL...67 Nível LO...69 Nível HI...69 A família CMOS...72 Usando Circuitos Lógicos...76 O O

5 NEWTON C. BRAGA O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O Fazendo Projetos...8 O Contador Binário...22 Um Clock Disparado...24 Sorteador...24 Displays...26 NOSSO PROJETO PRÁTICO...3 MÓDULO CONTADOR DE A 9 - TTL...3 Aplicação - Contador de Objetos...39 Aplicação 2 - Cronômetro...4 Aplicação 3 - Sorteador...4 5

6 O Básico da Eletrônica Digital Apresentação Este livro foi originalmente publicado em 987. No entanto, por tratar de conceitos básicos e de uma teoria que não mudou desde então, ele é ainda atual e muito importante para os que desejam trabalhar com eletrônica digital. Na época o autor Newton C. Braga usou pseudônimo, pois a publicação foi feita por editora diferente daquela em que ele trabalhava, por exigência da mesma. Assim, nesta edição não precisamos mudar nada já que tanto os conceitos teóricos ainda são válidos como os próprios componentes tomados como exemplo e os circuitos práticos. Um livro muito importante para quem deseja dar os primeiros passos em eletrônica digital. Este livro faz parte de uma coleção que estamos dando gratuitamente aos nossos leitores com o patrocínio da Mouser Electronics ( ). Newton C. Braga Capa da Edição de 987 6

7 NEWTON C. BRAGA Introdução (da edição original de 987) Não é preciso ressaltar a importância da eletrônica digital em nossos dias, para que os leitores se conscientizem da necessidade deste livro. Na verdade, com a evolução acelerada da informática, que se baseia totalmente na eletrônica digital, cada vez mais dispositivos empregam componentes cujo funcionamento está totalmente regido por princípios desta tecnologia. Não é preciso, pois, explicar exatamente o que se pode fazer com a eletrônica digital para que os leitores, já ligados na eletrônica, compreendam que somente conhecendo este setor a fundo, se pode estar em dia com a eletrônica. Dando então seguimento a esta série apresentamos este volume de eletrônica digital sem mistérios, que levará o leitor a entender os princípios da tecnologia digital aplicada, incluindo projetos práticos e muitas informações de grande utilidade. Partindo do fundamental, que é a própria álgebra booleana, passamos pelas funções lógicas e chegamos aos circuitos práticos. Damos informações sobre componentes para eletrônica digital, o que se pode e o que não se pode fazer, além de circuitos que o próprio leitor poderá montar. A partir destes conhecimentos o leitor poderá também partir para a própria informática, entendendo melhor como funcionam os microprocessadores e microcontroladores e até desenvolvendo seus projetos. A linguagem que utilizaremos é aquela que os leitores que acompanham os livros do autor já estão acostumados. Usando termos simples, as vezes-até em prejuízo a uma explicação mais acadêmica, tornamos compreensíveis os princípios que precisamos levar ao leitor. A linguagem simples deve servir de ponto de partida a um aprofundamento futuro maior que certamente levará o leitor a evoluir em seus conhecimentos, 7

8 O Básico da Eletrônica Digital quem sabe com a realização de cursos técnicos de nível médio ou mesmo um curso superior. Entendendo, mesmo que de maneira rudimentar, é mais fácil realizar alguma coisa, do que tendo informações avançadas, mas que não'sejam fáceis de ser decifradas. Muito simples e didático e o nosso trabalho mas as informações que nele o leitor vai encontrar, não têm nível de utilidade. Estas informações serão úteis tanto ao aprendiz, estudante como ao projetista avançado e mesmo ao engenheiro. Depois de aprender, o leitor certamente vai usar esta obra como excelente fonte de consultas. A extensão do assunto, por outro nos leva a impossibilidade de incluir tudo o que queremos num único volume, dai ser este apenas um de uma eventual série! 8

9 NEWTON C. BRAGA Circuitos Digitais A palavra digital vem de dígito", que em latim que significa dedo", já que os sistemas de numeração mais utilizados se baseiam totalmente nos dedos de nossas mãos. Para contar objetos, os antigos e até mesmo nós, usavam os dedos como referência. Os próprios Romanos desenvolveram um sistema em que as referências principais eram justamente devidas a mãos cheias que levavam a quantidades maiores. Assim, chegando a uma mão cheia ou 5 unidades, passava-se a utilizar um outro símbolo, o V que significa a mão com dois dedos abertos. Para unidades, tinham o X que significa duas mãos cruzadas, ou duas mãos cheias (Veja afigura ). Veja que o nosso sistema "decimal" deriva justamente do fato de termos dedos em nossas mãos. Quando enchemos" as duas mãos, ou seja, temos uma quantidade que é representada por dedos, temos de utilizar mais de um sinal além dos que conhecemos de à 9. Usamos então um sinal para dizer quantas mãos cheias" temos e mais quantas unidades. O número 27, por exemplo, significa que temos 2 mãos (duas dezenas) e mais 7 unidades. 9

10 O Básico da Eletrônica Digital Perceba o leitor que, utilizando este sistema de numeração só podemos representar quantidades discretas, ou seja, números inteiros. Não podemos trabalhar" (ainda) com quantidades quebradas como, por exemplo, dois objetos e meio. Isto diferencia o sistema digital do analógico. Inicialmente o leitor deve ter em mente que no sistema digital, somente quantidades inteiras podem ser representadas, o que não ocorre num sistema analógico em que qualquer valor intermediário entre duas unidades pode ser representado. Na verdade, o sistema digital também admite este tipo de representação, com alguns sacrifícios, mas isso só será visto bem mais adiante. O sistema que usamos, normalmente, é o de base, ou seja, utilizamos algarismos diferentes para representar qualquer quantidade: Para representar uma quantidade maior que, passamos a empregar os mesmos algarismos, mas com uma posição no número que passa a ter um peso". Este peso" ou valor relativo é sempre uma potência de, ou seja, pode ser,,,, etc. Assim, o número tem os seus algarismos 3, 4, 5 e 6 com diversos pesos que correspondem a sua posição relativa: O 6 tem peso ", devendo portanto significar realmente 6. O 5 tem "peso ", ou seja, representa 5 dezenas ou 5. O 4 tem peso ", ou seja, representa 4 centenas ou 4. O 3 tem peso ", ou seja, representa 3 milhares ou 3. Somando os valores que cada dígito ou algarismo representa, temos o valor total do número 3 milhares, 4 centenas, 5 dezenas e 6 unidades, ou ainda como lemos corretamente: três mil, quatrocentos e cinquenta e seis". Será que poderíamos representar outras quantidades usando outras bases de numeração.

11 NEWTON C. BRAGA Imagine se o leitor vivesse num mundo em que as pessoas possuíssem um único dedo! Só existiria então neste mundo a possibilidade de representar as quantidades com dois algarismos:,zero () que seria a ausência do dedo e o um () que seria a presença do dedo. Para facilitar as coisas, neste mundo extravagante, suporemos também que para compensar a falta de dedos os habitantes tivessem 8 braços em lugar de apenas dois (veja a figura 2). O leitor perceberá então que a contagem de objetos da maneira de fazemos seria perfeitamente possível, mudando apenas o modo de fazer a representação. Se tivermos um único objeto, ele será representado por um dedo erguido, conforme mostra a figura 3.

12 O Básico da Eletrônica Digital Se tivermos 2 objetos, este dedo não mais serve. Usamos então o seguinte artifício: para o indivíduo de um dedo em cada mão, 2 unidades representam duas mãos cheias. A representação será então conforme mostra a figura 4. Temos uma mão com o dedo erguido e a outra sem nenhum, ou seja,. Se tivermos três objetos, a representação será conforme mostra a figura 5. 2

13 NEWTON C. BRAGA Teremos uma mão que representa duas unidades e a outra que representa mais uma, ou seja,. Para quatro objetos, os problemas são resolvidos da seguinte forma: temos mão que representa que temos duas vezes duas unidades, ou seja, é erguido dedo com peso 4, conforme mostra a figura 6. O resultado é que 4 é representado como. Veja então que, cada mão tem um peso que é uma potência de 2. Veja a figura 7. 3

14 O Básico da Eletrônica Digital A mão da direita representa a unidade, ou seja, 2 = e tem este peso. a seguinte, para a esquerda, tem peso 2 = e portanto 2. A terceira, para a direita, 22 = 4, a seguinte, 23 = 8, vindo depois 24 = 6, 25 = 32, 26 = 64, até a última a esquerda 27 = 28. Veja então que, o indivíduo de 8 braços de um dedo pode facilmente representar números até 255 (veja a figura 8). A representação de qualquer número desta forma pode então ser feita simplesmente por uma decomposição em fatores múltiplos de 2, conforme explicaremos a seguir. 4

15 NEWTON C. BRAGA Conversão para a Base 2 Para converter um número na base 2, sendo ele na base, ou sistema decimal, o procedimento é simples. É muito importante o leitor saber como fazer isso, pois conforme veremos a seguir os circuitos digitais trabalham todos na base 2. Para tornar mais fácil, tomemos o seguinte exemplo: queremos converter 278 na base (escrevemos 278) em um número na base 2 (X2), Fazemos então a seguinte divisão sucessiva por 2: Pegamos então os restos, começando por, e escrevemos na ordem inversa: = 278 De fato: X X X X X X 256 = = 64 = 32 = 6 = 6 8= 5

16 O Básico da Eletrônica Digital X4=4 X2=2 X= Somando = 278 Repare que na representação em binário, como em decimal, o algarismo que tem valor maior fica mais a esquerda e o que tem valor menor, mas à direita. É costume representar o de menor por LSD (do inglês Less Significant Digit) e o de maior valor por MSD (Most Significant Digit). Estes termos aparecem muito em eletrônica digital. 6

17 NEWTON C. BRAGA Conversão para a Base A conversão de um número em binário puro, como vimos, para um número na base é bastante simples, bastando lembrar que cada algarismo sucessivo da direita para a esquerda tem o dobro de peso do que o precede. Assim, basta escrever o número verticalmente e proceder ao seguinte cálculo em que tomamos como exemplo o valor : X 28 = 28 X 64 = 64 x 32 = o X 6 = X8=8 X4= X2=2 X= Somando = 23 Assim, 2 = 23 Será interessante o leitor treinar um pouco realizando as seguintes conversões: a) Converter em binário puro: ) 324 2) 67 3) 89 b) Converter em decimal: ) 2) 3) 4) 5) 7

18 O Básico da Eletrônica Digital Respostas (a) ) 2) 3) Respostas (b) ) 2) 3) 4) 5) Veja que o exemplo que tomamos do indivíduo de 8 mãos limita a contagem a 255, mas com mais dígitos não há limite para os valores representados. 8

19 NEWTON C. BRAGA Por que Binário? A utilização do código binário nos circuitos eletrônicos digitais oferece inúmeras vantagens em relação a um eventual código em base. Vamos começar pela própria quantidade de operações. Utilizando a base 2 as operações são mais simples do que em relação à base. Num circuito eletrônico, por outro lado, se fôssemos representar os algarismos de à,teríamos de dispor de níveis de corrente ou de tensão. Na base 2 podemos ter apenas a presença, ou a ausência da tensão. Voltado às operações, os leitores devem até hoje se lembrar das dificuldades em memorizar as operações de multiplicação envolvendo todos os algarismos na forma de tabuadas. Para a multiplicação, partindo da tabuada do 2 até a do 9 (7 tabuadas) temos de memorizar 7 operações, ou seja, o valor de 7 produtos para poder realizar qualquer multiplicação. Trabalhando na base 2 memorizamos apenas 4 operações de multiplicação: x= X= X= X= A realização de uma multiplicação em binário não difere em nada de uma multiplicação em decimal, conforme segue no exemplo 3 X 29. 9

20 O Básico da Eletrônica Digital Em binário: X [29] [3] [377] Na própria soma, usada na multiplicação as regras também são só 4: += += += += (vai um) De centenas de operações que devem ser memorizadas para a operação com decimais, caímos num número muito menor, 4 para multiplicação e 4 para soma que devem ser conhecidas no cálculo com binários. O matemático britânico George Simon Boole desenvolveu nos fins do século XVII uma matemática que trabalhava exclusivamente com a base 2. Boole partia do principio que dois fatos só admitiam dois tipos de interpretação: Ou eram falsos, ou verdadeiros. Transportando isso para a eletrônica podemos dizer que um circuito só pode estar em dois estados: ligado ou desligado, que corresponde justamente a base 2. A álgebra Booleana esteve durante anos esquecida, sendo estudada apenas como curiosidade matemática, até que a eletrônica se desenvolveu a ponto de tornar possível uma aplicação prática para o que então estava somente na teoria. 2

21 NEWTON C. BRAGA Surgiram então os circuitos lógicos digitais que podiam ser projetados exatamente com base naquela álgebra Booleana, realizando operações matemáticas das mais diversas, totalmente em função da afirmação de que os fatos só admitem duas afirmações possíveis: falso ou verdadeiro. Na figura 9 temos uma possível representação para os circuitos eletrônicos (ou elétricos). Um relé ligado (chave fechada) representa um fato verdadeiro ou um " binário. Um relé desativado (chave aberta) representa um fato falso ou um. Partindo para outro circuito, conforme mostra a figura, temos outra possibilidade. 2

22 O Básico da Eletrônica Digital A chave fechada faz aparecer no resistor de carga uma tensão que significa que olfato e verdadeiro, ou. Podemos também dizer que o nível de tensão é alto, ou High", abreviado por HI. A chave desligada representa um fato falso e, portanto, a ausência de tensão no resistor. A tensão é baixa ou nula, o que em inglês é escrito como low" e abreviado por LO. Isso significa então que temos uma lógica positiva quando: Representamos a presença de tensão (ou corrente) por ou HI. Representamos a ausência de tensão (ou corrente) por ou por LO. Podemos ter uma lógica ao contrário", ou negativa, que também funciona, quando representamos a presença de tensão por ou LO e a ausência de corrente por ou HI. Para efeitos didáticos, daqui por diante só falaremos de lógica positiva. 22

23 NEWTON C. BRAGA Enfim, as vantagens do binário se tornam patentes se quisermos projetar um circuito complexo que realize muitas operações com muitos números. Cada número pode ser representado facilmente por apenas dois níveis de sinal ( ou ) e as operações podem ser realizadas facilmente com poucas regras (que no fundo representam poucos componentes). O leitor pode imaginar a dificuldade em termos um circuito digital na base, tentando representar os algarismos de à 9 através de 9 níveis de tensão. Uma pequena variação da tensão da fonte e tudo estará descontrolado: um 9 pode, repentinamente, se tornar um 8, e tudo se complica. Com a presença, ou ausência, de tensão, mesmo com variações de tensão, os circuitos ainda podem facilmente diferenciar entre presença e ausência numa boa margem de valores, e o continua sendo, assim como o continua sendo o. Com a utilização de uma linguagem binária, a segurança do operação é muito maior! De que modo combinar elementos de um circuito para realizar operações e o que veremos a seguir. Cabe aqui definir o que é um circuito lógico: um circuito lógico é composto de entradas e saídas que mantém uma determinada relação bem definida. 23

24 O Básico da Eletrônica Digital Circuitos Lógicos Trabalhando com o sistema binário podemos ter circuitos lógicos muito simples. Um relé e uma chave, um relé e duas chaves são alguns exemplos que podemos dar, conforme mostra a figura. Estes circuitos se caracterizam por apresentar um determinado estado em seu elemento de saída (o relé) em função das entradas, ou seja, das situações da chave, ou das chaves. Como podemos estabelecer exatamente o que acontece com a saída em função da entrada ou das entradas, dizemos que uniu circuito corresponde (cada um) a certa função lógica. Numa função existe uma correspondência única (biunívoca) entre a entrada e a saída, ou seja, para uma determinada situação da entrada só existe uma única situação possível da saída. No caso da chave podemos dizer que E = S, ou seja, que a entrada é igual à saída, o que significa que o relé estará ativado quando a chave estiver ligada (Veja a figura 2). 24

25 NEWTON C. BRAGA Para o segundo caso, de duas chaves, podemos dizer que a saída será ativada somente se as duas entradas (duas chaves) estiverem ligadas (Veja afigura 3). Este é um exemplo de função em que as duas entradas podem apresentar 4 condições possíveis e somente em uma delas a saída será ativada. Representando as chaves abertas por e a fechada por, e a saída ativada por e desativada por, podemos formar uma tabela que todas as situações possíveis para o circuito são representadas: 25

26 O Básico da Eletrônica Digital S S2 Relé Esta tabela recebe o nome de tabela verdade, e é usada para representar as funções lógicas. Podemos representar as entradas por A, B, C etc. e a saída por S. Para o caso da chave única teremos: AS Na figura 4 temos um exemplo mais complicado em que temos 3 chaves ligadas em paralelo, ativando um único relé. 26

27 NEWTON C. BRAGA A tabela verdade para este circuito pode ser escrita da seguinte forma: S S2 S3 RELÉ O leitor já deve ter percebido que as situações possíveis das entradas podem ser representadas justamente por uma sequência de números binários e que sua quantidade depende justamente das potências de 2 desta base. Assim, para uma entrada temos duas situações de saída possíveis: Para duas entradas temos quatro possibilidades de saída. Para três entradas temos oito possibilidades de saída. Para n" entradas, temos 2n possibilidades de saída. Veja o leitor também que não é obrigatório que as saídas sejam sequências de " ou "" como nos exemplos dados. Pode haver uma variação maior, dependendo da configuração. Os circuitos que descrevemos fazem uso de relés e chaves. Na eletrônica prática, entretanto, tais dispositivos são incômodos, pois exigem a atuação do operador para que se tenha a saída desejada. Circuitos com relés e chaves podem ser usados 27

28 O Básico da Eletrônica Digital em escolas para demonstrar como funcionam as funções lógicas digitais, mas não servem para a montagem de um equipamento que deva funcionar rapidamente ou automaticamente. Podemos ter circuitos semelhantes utilizando transistores, por exemplo, que fornecem a saída no momento em que a entrada é ativada e de um modo melhor: a entrada é uma tensão que pode vir de outro circuito. Isso significa também que os transistores, em configurações especiais podem ser ligados de modo a exercer funções em sequência. No instante em que um circuito tem sua saída definida ele já entrega esta saída a um circuito seguinte que realiza outra função e assim por diante, até se obter os resultados desejados com muita rapidez. Na figura 5 temos um transistor numa configuração que pode ser considerada básica para um circuito lógico. O transistor funciona como uma chave" comutadora, conduzindo a corrente, ou ligando" quando for aplicada uma tensão determinada em seu circuito de polarização de base. Podemos então raciocinar da seguinte forma, em torno deste simples circuito lógico: Com a ausência de tensão de base, ou seja, com um nível de entrada " ou LO", o transistor não conduz, de modo que sua tensão de coletor é quase a mesma que a tensão de alimentação. A tensão de saída é, pois, " ou Hi". 28

29 NEWTON C. BRAGA Com a presença de tensão na base o transistor conduz e a tensão de coletor cai praticamente a zero. Para uma entrada " ou Hl temos então uma saída " ou LO". A tabela verdade para esta função seria: E S Em linguagem técnica dizemos que esta função corresponde a um inversor", pois a saída é sempre a entrada invertida", ou seja, quando uma é zero, a outra é um, e viceversa. Os primeiros circuitos digitais utilizavam válvulas, depois vindo os transistores, mas na hora em que se tornaram muito complexos, mesmo os transistores se tornaram incômodos. Milhares deles eram necessários para se ter um computador. O advento do circuito integrado possibilitou uma enorme economia de componentes e, principalmente, de energia, obtendo-se assim, montagens muito compactas. Entretanto, as diversas funções utilizadas num circuito precisavam ter características que permitissem a interligação de urna na outra, sem problemas, ou necessidade de componentes adicionais. Para desenvolver um equipamento seria então interessante que a saída de uma função tivesse tal característica que correspondesse ao que a entrada da função seguinte necessitava. No caso de nosso transistor, tomado como exemplo; vamos supor que, para obter o nível, ou seja, a comutação, a tensão fosse de 5 volts. Neste caso, seria muito interessante que a sua saída no nível fosse também 5 V. Assim, teríamos: nível = V nível = 5 V Com isso, sendo a saída da mesma ordem que a entrada seria possível o acoplamento direto de diversas funções, como mostra a figura 6, que elas funcionariam perfeitamente. 29

30 O Básico da Eletrônica Digital Neste caso, teríamos a função inversa da inversa, ou seja, a entrada seria igual a saída! Existem diversas famílias" de circuitos cujas características combinam entre si, o que significa que eles podem ser interligados diretamente, sem a necessidade de componentes adicionais. Mais adiante falaremos destas famílias. 3

31 NEWTON C. BRAGA Funções Lógicas Existe certo número de funções lógicas que são bastante usadas nos circuitos digitais e que por isso podem ser encontradas prontas" nas diversas famílias de circuitos integrados. A reunião destas funções permite a realização de projetos que exercem operações mais complexas. As funções sozinhas, exercem as operações mais simples. Analisemos as principais funções: a) A função E A função E ou AND (do inglês) corresponde a multiplicação binária e é representada pelo símbolo da figura 7. O circuito equivalente ao relé e chaves é mostrado em (b) e na mesma figura, assim como a representação por um diagrama de Venn. Este diagrama tem por universo Ã.B, e dentro deste universo, as possibilidades de valores assumidos por A e B. 3

32 O Básico da Eletrônica Digital Temos então a região em que A está presente, mas B não (B = negativa de B), e a região comum que corresponde ao universo em que a saída é, ou seja, A.B. A região hachurada corresponde, pois a interseção de classes, onde A e B precisam ser consideradas simultaneamente. A utilização deste tipo de diagrama, que não será aprofundado aqui, é de grande utilidade na elaboração de projetos que utilizam funções lógicas. A tabela verdade para a função E é: Função E A B (A.B)=Saída Podemos expressar a função E através de uma frase que facilmente possibilita a memorização: A saída estará no nível Hl se, e somente se, as entradas A e B, simultaneamente, estiverem no nível Hl". Podemos igualmente ter uma função E de três entradas, ou uma Porta E" de três entradas, conforme mostra a figura 8. 32

33 NEWTON C. BRAGA O circuito equivalente, com três chaves e um relé é mostrado na mesma figura. Conforme podemos perceber, o relé só será energizado se A, B e C estiverem fechadas ao mesmo tempo. A tabela verdade para esta função E de três entradas será: A B C (A.B.C)=SAÍDA 33

34 O Básico da Eletrônica Digital Para qualquer situação diferente das três entradas no nível ou HI a saída será zero ou LO. Perceba que temos 8 combinações de entradas diferentes, das quais apenas resulta no sinal no nível HI. Uma outra representação para a função E é mostrada na figura 9. Observe também o leitor que utilizamos a palavra porta" (do inglês gate) para representar um circuito que execute uma junção lógica. Assim, dizer porta E" é o mesmo que dizer circuito que exerce a função E". b) A função OU A função OU ou OR (do inglês) corresponde a adição binária, sendo representada pelo símbolo da figura 2. 34

35 NEWTON C. BRAGA O circuito equivalente é mostrado em (b) da mesma figura consistindo em 2 chaves ligadas em paralelo, as quais podem energizar um relé. Conforme podemos perceber, o relé será energizado se uma entrada, OU outra forem ativadas. Ou seja, teremos uma saída num nível HI se A ou B forem ativadas ou levadas ao nível. O diagrama de Venn para esta função é dado na mesma figura. Veja que o Universo de saída é maior do que na função, pois a região hachurada abrange tanto A como B. Podemos escrever para esta função que: S = A + B A tabela verdade para esta função é a seguinte: A B (A+B) = SAÍDA Também podemos ter uma função OU de três entradas que será representada conforme mostra a figura 2. A tabela verdade para esta função será então: 35

36 O Básico da Eletrônica Digital A B C (A+B+C) = SAÍDA Observe então que, para que saída seja é preciso apenas que uma, ou mais, entradas estejam no nível ou HI. Para três entradas também são 8 as combinações que podemos obter, das quais em apenas uma a saída é LO. c) A Função NÃO E ou NE. A função NÃO E ou NOR (do inglês) que corresponde à negação de E é representada conforme mostra a figura

37 NEWTON C. BRAGA Na mesma figura o diagrama de Venn que claramente reflete que o universo desta é justamente aquele que não é abrangido pela função E. O circuito equivalente com relé mostra que usamos os contactos NF em lugar de NA para inverter" o resultado, o que equivale a desenergizar em lugar de energizar com a atuação sobre as chaves. O mesmo seria possível se, na saída da função E, ligássemos um circuito inversor, com transistores ou outros elementos. Conforme o leitor pode perceber na saída do símbolo adotado tem-se uma pequena esfera que indica a negação. Outro tipo de símbolo para esta função é mostrado na figura

38 O Básico da Eletrônica Digital A tabela verdade para a função será: NÃO E A B ('A.'B) (Observe o SINAL [ ' ] que indica a negação). Igualmente, podemos ter uma porta NÃO E ou NOR de três entradas que será representada como mostra a figura 24. O circuito equivalente com três chaves ligadas em paralelo, mais o relé com os contactos NF usados, é mostrado na mesma figura. 38

39 NEWTON C. BRAGA A tabela verdade para este circuito será: A B C ('A.'B.'C)=SAÍDA A saída estará no nível HI quando todas as entradas estiverem no nível LO. d) A função inversora A função NÃO ou NOT é um simples inversor que tivemos já a oportunidade de analisar ao falar dos circuitos lógicos. Ela também é bastante usada e pode ser representada como mostra a figura

40 O Básico da Eletrônica Digital O diagrama de Venn para esta função é mostrado nesta mesma figura, assim como o circuito equivalente em que temos um relé com os contactos NF empregados. A tabela verdade para esta função é muito simples, já que turnos apenas uma entrada e uma saída: A 'A Quando a entrada está no nível Hl a saída estará no LO e vice-versa, para a função NAO. e) Função NÃO-OU ou NOU A função NÃO OU ou NOU consiste na negação da função OU, ou ainda, NOR do inglês. A representação desta função é mostrada na figura 26. 4

41 NEWTON C. BRAGA O diagrama de Venn é mostrado na mesma figura, assim como circuito equivalente usando um relé e duas chaves ligadas em paralelo. Observe a utilização dos contactos NF do relé. Outra representação para esta porta é mostrada na figura 27. A tabela verdade é dada a seguir: A B ('A.'B) = SAÍDA 4

42 O Básico da Eletrônica Digital Também podemos ter esta porta com três entradas, que é mostrada na figura 28. O circuito equivalente com chaves e relé é mostrado na mesma figura, observando no símbolo funcional a presença da negação na forma da esfera na saída. A tabela verdade para este caso será: A B C ('A+'B+'C) = SAÍDA Veja que só teremos a saída no nível HI quando todas as entradas estiverem no nível LO. 42

43 NEWTON C. BRAGA f) Função OU-exclusivo A função OU-exclusivo ou Exclusive-OR é uma das mais importantes na eletrônica digital e tem seu símbolo mostrado na figura 29. Veja que esta função é um pouco diferente do OU, já que as chaves do circuito equivalente não são simples interruptores mas chaves de polo X 2 posições. O diagrama de Venn é mostrado na mesma figura, e a tabela verdade é a seguinte: A B (A.'B + 'A.B) 43

44 O Básico da Eletrônica Digital Veja que teremos a saída em nível exclusivamente com num nu outra entrada no nível Hl. Se as duas entradas estiverem no nível LO ou no nível Hl a saída será LO ou. Reunindo estas funções podemos ter os mais complexos circuito lógicos, conforme veremos adiante e futuramente. Postulados da Álgebra Booleana Conforme vimos, trabalhando exclusivamente com a base podemos realizar mais complexas operações, utilizando um mínimo reduzido de regras. Estas regras são fixadas por postulados, os postulados da álgebra booleana que passamos a dar em seguida: Lembramos que: 'A significa a negação de A: A) Lei associativa (AB)C = A(BC) (A + B) + C = A + (B + C) B) Lei comutativa AB = BA A+B=B+A C) Lei distributiva A(B+C) = AB + AC A + (BC) = (A + B)(A + C) D) Lei da identidade A=A E) Lei do complementar 'AA = 'A + A = F) Lei da equipotência AA = A A+A=A 44

45 NEWTON C. BRAGA G) Lei da dualização (Teoria de Morgan) (A+B) = AB ( AB) = 'A + B H) Lei da dupla negação ''A = A I) Lei da absorção A(A+B) = A A + (AB) = A Com estes postulados podemos projetar diversos tipos de circuitos digitais. A prova da validade pode ser feita de diversas maneiras para todos os casos, mas como não temos muito espaço disponível, daremos apenas um exemplo. Queremos provar que AB = BA (Lei comutativa), partindo das duas configurações mostradas na figura 3. 45

46 O Básico da Eletrônica Digital A tabela verdade pra AB será: A B AB A tabela para BA teremos: B A BA Conforme podemos ver, as saídas AB e BA são iguais, o que demonstra a validade do postulado. (Observamos que os postulados não precisam de demonstrações, pois partem de fatos óbvios, que não necessitam de comprovação alguma, enquanto que os teoremas são proposições que precisam de demonstrações). O que fizemos não foi uma demonstração da validade do postulado, mas sim dar um exemplo de que realmente ele funciona". Se o leitor tem dúvidas, pode elaborar as tabelas verdade para todos os outros casos! 46

47 NEWTON C. BRAGA Flip-flops Um dos circuitos mais usados em equipamentos digitais é o flip-flop, ou multivibrador biestável, ou ainda, disparador ou báscula de Eccles-Jordan, em homenagem aos que o desenvolveram. Para explicar melhor o funcionamento deste circuito, explicaremos de forma simples o funcionamento também. De dois outros tipos de multivibradores associados, que são os astável e o monoestável. a) Multivibradores astáveis Na figura 3 temos a configuração básica com transistores de um multivibrador astável. Os dois transistores são ligados de tal forma que, em um dado instante somente um deles pode estar conduzindo a corrente plenamente (saturado), enquanto que o outro estará obrigatoriamente desligado (corte). Assim, se levarmos em conta a tensão nos coletores dos transistores deste circuito veremos que, enquanto um está com o 47

48 O Básico da Eletrônica Digital nível lógico (HI) ou a tensão próxima da tensão de alimentação, e o outro, no mesmo instante estará no nível lógico (LO) ou com a tensão de massa, em vista da condução do transistor. O capacitor C em conjunto com o resistor R de cada ramo do multivibrador determina o tempo que cada transistor fica em condução ou desligado. Os transistores trocarão então o estado continuamente, passando de para e de para produzindo assim, um sinal retangular, conforme mostra a figura 32. Veja então que um sinal retangular consiste na forma característica típica de um circuito digital. Só podemos ter dois valores de tensão que trocam, conforme a operação do circuito. O valor alto corresponde justamente ao HI ou enquanto que o baixo, ao LO ou. Os circuitos digitais operam, pois exclusivamente com sinais retangulares, e sua frequência dependerá de diversos fatores, conforme veremos. Um trem de pulsos ou uma sequência de sinais pode então perfeitamente ser usada para representar um valor em binário, conforme ilustra a figura

49 NEWTON C. BRAGA No caso do multivibrador astável, sua troca rápida de estado, passando de para e de para numa frequência determinada por C, permite que ele seja usado como ritmador para o funcionamento de um sistema digital. O circuito que dá o "ritmo" ou velocidade de um equipamento digital recebe o nome de "relógio", ou ainda, como normalmente o chamamos do inglês clock". Assim, é comum termos circuitos digitais cujos "clocks" operam em MHz,o que significa que as operações podem ser feitas a razão de por segundo. b) Multivibradores monoestáveis O multivibrador monoestável tem a configuração básica na figura

50 O Básico da Eletrônica Digital Neste circuito também, cada um dos transistores só pode conduzir a corrente quando o outro não estiver conduzindo. No entanto, a operação de comutação, ou seja, de troca de estado de condução para não condução do transistor se faz através de um estímulo externo. Isso significa que multivibrador monoestável tem uma entrada, além de duas saídas. O multivibrador monoestável ao receber um pulso de entrada que o leva a mudar de estado fica nesta nova situação por um tempo que vai depender dos valores de R e de C no circuito. Decorrido o tempo em questão, o multivibrador monoestável volta ao estado anterior sozinho. Assim, supondo que a saída do multivibrador seja zero (), ao receber um pulso de curta duração (), ele muda de estado e passa a apresentar um pulso ou nível em sua saída por um certo tempo constante (veja a figura 35). Este tipo de circuito e muito usado quando os pulsos de entrada têm durações diferentes e se necessita na saída de pulsos de duração constante (veja a figura 36). 5

51 NEWTON C. BRAGA Veja que podemos usar qualquer uma das duas saídas do multivibrador, ou seja, a que passa de O para ao receber o estímulo que é a saída Q e a que passa de para ao receber o estímulo que é a saída complementar. c) O multivibrador biestável ou flip-flop A configuração básica de bipolares é mostrada na figura flip-flop com transistores

52 O Básico da Eletrônica Digital Aqui também, cada um dos transistores somente num dado instante pode estar conduzindo a corrente. Neste mesmo instante o outro deve estar desligado. Assim, neste circuito temos uma entrada de excitação e duas saídas complementares. A cada pulso de excitação o biestável muda de situação. Assim se ele estiver inicialmente na situação do transistor Qconduzindo (coletor nível Q e O2 no estado de não condução (cortado) com o coletor no nível, vindo o o primeiro pulso, ocorre uma mudança (veja a Figura 38). No pulso seguinte ele volta a situação inicial. Para que ocorra nova comutação um novo impulso deve ser aplicado. Veja que a mudança ocorre quando o pulso apresenta certa polaridade, ou seja, na sua transição de um valor HI para LO. Na transição de LO para Hl o circuito permanece indiferente. Não há resposta. O multivibrador biestável tem, pois, dois estados em que ele pode permanecer indefinidamente, até que um pulso na entrada venha modificar esta situação. O multivibrador biestável é um dos circuitos mais importantes da eletrônica digital, pois ele apresenta uma característica importante: ele pode realizar a contagem dos impulsos que lhe são aplicados dando em sua saída uma situação que corresponde a sua numeração binária. Vejamos como isso pode ser feito. 52

53 NEWTON C. BRAGA O contador binário Vamos supor um multivibrador biestável em que no coletor de um dos transistores que corresponde à saída, liguemos um LED, conforme mostra a figura 39. Nestas condições, podemos associar ao transistor em condução e o LED aceso um valor binário que, por convenção pode ser. (Veja que não é preciso que tomemos a tensão no coletor neste caso como, para termos os mesmos resultados finais, se convencionarmos de uma forma e a seguirmos até o fim, para efeito de operação, o resultado final será o mesmo). Deste modo, associamos ao multivibrador ativado o LED aceso e desativado o LED apagado: LED aceso = LED apagado = Fazemos então a conexão de 4 flip-flops em série, conforme mostra a figura 4. 53

54 O Básico da Eletrônica Digital Partimos da situação inicial em que todos os LEDS estão apagados, ou seja, todos os multivibradores na situação estável correspondente a (o que em decimal representa o número também). Representamos esta situação conforme mostra a figura 4. Aplicando um primeiro pulso negativo na entrada deste circuito, o primeiro flip-flop muda de estado, fazendo seu LED, inicialmente apagado, acender. Teremos então a apresentação do número binário que corresponde justamente a em decimal (veja a figura 42). 54

55 NEWTON C. BRAGA Veja que o segundo flip-flop não muda de estado também, porque a transição na saída do primeiro flip-flop foi de zero para um, e este só pode responder a uma transição de para. Vindo agora o pulso seguinte, de número 2, o primeiro flip-flop muda novamente de estado, passando de para. O LED apaga, mas a transição agora na sua saída é negativa e isso faz com que o segundo flip-flop mude de estado. Seu LED, inicialmente apagado, acende e passamos a ter a representação. Esta corresponde justamente a 2" em binário! (veja a figura 43). Veja que o terceiro flip-flop não muda de estado, pois no segundo temos uma transição de para a qual ele não responde. Vem agora o terceiro pulso. O primeiro flip-flop novamente muda de estado, passando de para. O segundo não se altera, pois a transição foi positiva de para, o mesmo acontecendo com o terceiro. 55

56 O Básico da Eletrônica Digital Temos então a representação, que justamente corresponde a 3 em binário. A representação pode ser melhor vista na figura 44. Vem agora o quarto pulso. O primeiro flip-flop novamente muda de estado, passando de para. Ocorre então uma transição negativa que é sentida pelo segundo flip-flop que também muda de estado, passando de para. O terceiro flipflop, desta vez, na presença de uma transição negativa muda de estado e passa de para. A passagem de para deste não afeta o quarto flip-flop que permanece em sua situação de. Temos então a situação que justamente corresponde a "4" em binário (veja a figura 45). Na figura 46 temos o que ocorre nos pulsos sucessivos até 69 quando então o sistema zera", ou seja, depois de atingir sua capacidade máxima de contagem volta ao estado inicial. 56

57 NEWTON C. BRAGA Conforme o leitor pode perceber, com 4 flip-flop podemos contar até 6, ou seja 24. Veja também que, se aplicarmos 3 pulsos no circuito e depois mais 5, o sistema acumulará 8 pulsos e representará o resultado da soma = 8 em binário. Este circuito, por este motivo, também recebe o nome de acumulador e pode ser usado na realização de somas. 57

58 O Básico da Eletrônica Digital BCD ou Decimal codificado em binário As representações que vimos foram em binário puro e nós estamos acostumados a trabalhar com números decimais. No entanto, se agruparmos 3 flip-flops só podemos contar até 8, quando nossa base é, e se agruparmos 4 flip-flops passamos de, pois vamos até 6. De modo a adaptar um sistema ao outro existe o código BCD em que estabelecemos os valores em binário que correspondem aos algarismos decimais e estes são apenas. Assim, temos o código BCD que é dado por: Assim, para escrever o número 78 em BCD fazemos: O número 235 será: 58

59 NEWTON C. BRAGA Em informática é comum o aproveitamento de mais 6 valores em binários que são representados por: A B C D E F Assim, quando um programa em linguagem de máquina" ou Assembler se digita F5 que entra nos circuitos lógicos é:. Existem outros códigos que permitem traduzir informações decimais em binário, como o Octal, mas estes ainda não deverão ser abordados para não complicar" a vida do leitor pelo menos por enquanto. 59

60 O Básico da Eletrônica Digital Circuitos Básicos Do mesmo modo que usamos chaves e relés para formar circuitos lógicos e transistores para os flip-flops, podemos ter configurações mais complexas. Assim, podemos ter todas as funções feitas com transistores, conforme passamos a exemplificar! Função NAND ou NÃO-E O circuito equivalente transistorizado é mostrado na figura 47. Veja que precisamos ter as duas entradas no nível lógico HI (presença de tensão positiva) para que os dois transistores conduzam a corrente e com isso façam a tensão da saída carga zero, levando-a ao nível lógico LO. Na figura 48 temos a mesma configuração para uma porta NAND de 3 entradas. 6

61 NEWTON C. BRAGA Função NOR Com apenas um transistor podemos elaborar uma porta NOR ou NAO OU com facilidade, conforme mostra a figura 49. 6

62 O Básico da Eletrônica Digital Veja então, que podemos fazer com que o transistor conduza e, portanto, a tensão no seu coletor caia de HI para LO aplicando tensão em qualquer uma das duas entradas. Função AND Usando uma porta NAND e mais um inversor podemos chegar facilmente a função NAND, conforme mostra a figura 5. 62

63 NEWTON C. BRAGA Função OR Do mesmo modo, com um inversor e a função NOR chegamos a função OR, conforme mostra a figura 5. 63

64 O Básico da Eletrônica Digital Perceba o leitor que podemos reunir as diversas funções para obter diversos tipos de circuitos, mas que, para isso é preciso que os circuitos sejam compatíveis, o que nos leva as diversas famílias que serão analisadas a seguir. 64

65 NEWTON C. BRAGA Famílias Lógicas A possibilidade de termos num único processo de fabricação a montagem de muitos componentes já interligados, obtendo-se assim o circuito integrado proporcionou um enorme desenvolvimento para a eletrônica digital. Assim, logo os fabricantes elaboraram famílias de componentes (circuitos integrados) que reuniam em seu interior um determinado número de elementos interligados com os quais se tinha funções lógicas as mais diversas, flip-flops, e muitos outros circuitos de utilidade na eletrônica digital. Uma família de circuitos integrados digitais é composta de uma série de tipos, correspondendo a funções, flip-flops e outros dispositivos que estudaremos com características compatíveis de modo a poderem ser alimentados por uma fonte comum e interligados diretamente sem a necessidade de muitos elementos externos e em alguns casos, nenhum. Reunindo estes componentes de uma mesma família podese projetar os mais diversos circuitos digitais, tais como contadores, cronômetros, calculadoras, computadores, máquinas de controle e automação etc. Atualmente temos duas famílias básicas que são amplamente usadas nos projetos, dado seu baixo custo e a facilidade com que podemos obter no comércio especializado as diversas funções existentes. Destas famílias derivam, algumas subfamílias que são usadas em informática ou na elaboração de projetos especiais em que se exige baixo consumo, alta velocidade ou outras características que as famílias normais não podem fornecer. Na figura 52 temos um exemplo de circuito integrado de uma família lógica digital bastante comum em invólucro DIL (mais comum). 65

66 O Básico da Eletrônica Digital Este componente reúne em seu interior 4 portas lógicas do tipo NAND que podem ser usadas independentemente e que podem ser perfeitamente interligadas numa aplicação em que isso seja necessário. Integrados contendo centenas, ou mesmo milhares de portas, ou outras funções, já são hoje disponíveis para projetos mais complexos. 66

67 NEWTON C. BRAGA A família TTL O nome TTL vem de Transistor-Transistor-Logic, sendo esta família a mais popular pelo seu baixo custo, velocidade boa e baixo consumo. Os integrados da família TTL devem ser alimentados com uma tensão de 5 V. Admite-se uma tolerância que os leva a um funcionamento normal com tensões entre 4,5 e 5,5 Volts. Os transistores empregados nos integrados TTL são do tipo multiemissor, conforme mostra a figura 53. Cada emissor funciona como um diodo, proporcionando assim um isolamento da entrada em relação ao circuito que a excita. Assim, dois circuitos, um a cada entrada TTL, eles não terão qualquer tipo de interação. Existem diversas subfamílias TTL, que são variações com características diferentes no que se refere a velocidade e consumo. Assim temos o High-Speed TTL que opera em velocidades maiores, mas também exige mais potência para operação. Por outro lado, o Low-Speed TTL (baixa velocidade) opera mais devagar, mas apresenta consumo de energia extremamente baixo. Em informática temos o Low-Power Schottky que se caracteriza pela alta velocidade e baixo consumo de energia, sendo totalmente compatível com os circuitos internos de maioria 67

68 O Básico da Eletrônica Digital dos microprocessadores e microcontroladores. Esta subfamília é usada em projetos de interfaces e shields. Na figura 54 temos uma porta NAND típica TTL por onde podemos analisar seu funcionamento. As demais são bastante semelhantes. Observamos na entrada o transistor multiemissor, que neste caso possui dois, pois são duas as entradas. Esta etapa alimenta um inversor de fase com mais um transistor, o qual excita por sua vez, uma etapa de saída de maior potência com dois transistores em série. As características elétricas de entrada e de saída dos circuitos TTL são as que mais interessam na elaboração de qualquer projeto. Assim, vamos definir alguns termos importantes a este respeito. 68

69 NEWTON C. BRAGA Nível LO Que tensões seguramente o integrado TTL interpreta como um ou LO? Este conhecimento é fundamental em qualquer projeto. As tensões situadas entre e,8 V são interpretadas seguramente como LO. O valor,8 V é representado por VEL. Nível HI A tensão menor que pode ser interpretada como HI é de 2,4 V. Assim, valores entre 2,4 e 5 V são sentidos como Hl ou pelo TTL. Podemos desenhar um gráfico em que temos duas faixas distintas de operação para os integrados TTL (veja a figura 55). Tensões fora desta faixa são proibidas para os integrados TTL, pois não podemos garantir que elas sejam interpretadas por ou por. O que vimos é a característica de transferência de um TTL. 69

70 O Básico da Eletrônica Digital Na saída de cada integrado podemos garantir que os níveis de sinais em LO e HI estarão também nesta faixa, o que garante também a possibilidade de interligação de diversos integrados. Cabe definir neste momento o que seja cargabilidade ou fan-out. Se na saída de um integrado TTL temos um nível de tensão HI, digamos em torno de 4 V,no momento em que ligamos mais de uma entrada TTL de outras portas, elas carregam" o circuito de modo a reduzir a tensão (veja a figura 56). O resultado é que esta tensão pode cair abaixo do limite da faixa em que o integrado interpreta a tensão como " induzindo assim o sistema a um funcionamento errático. Existe, pois um limite para a quantidade de entradas que podemos ligar na saída de um TTL e isso se chama fan-out. Um integrado TTL normal (standard) pode excitar entradas de TTL normais. Damos a seguir uma importante tabela que mostra as capacidades fan-out" das diversas subfamílias TTL cruzadas. TTL normal: pode pode pode pode pode excitar excitar excitar excitar excitar entradas TTL normais 4 entradas de TTL low-power 6 entradas de TTL high-power 2 entradas de low-power Schottky 6 entradas de TTL Schottky TTL low-power: 7

71 NEWTON C. BRAGA pode pode pode pode pode excitar excitar excitar excitar excitar TTL High-power: pode pode pode pode pode excitar excitar excitar excitar excitar 2 entradas de TTL normal entradas de TTL low-power entrada de TTL high-power entrada de TTL Schottky 5 entradas de TTL low-power Schottky entradas entradas entradas entradas entradas de de de de de TTL normal low-power TTL TTL High-power TTL Schottky TTL low-power Schottky entradas entradas entradas entradas entradas de de de de de TTL TTL TTL TTL TTL TTL Schottky: pode pode pode pode pode excitar excitar excitar excitar excitar normal low-power high-power Schottky low-power Schottky TTL Low-power Schottky: pode pode pode pode pode excitar excitar excitar excitar excitar 5 entradas de TTL normal 2 entradas de TTL low power 4 entradas de TTL High power 4 entradas de TTL Schottky entradas de TTL low power Schottky Importante também é saber, na família TTL normal, quais são as correntes que temos nas entradas para excitação e que oblemos nas saídas: Assim, um TTL normal fornece em sua saída uma corrente máxima de 6 ma, enquanto sua entrada precisa de uma corrente de pelo menos,6 ma para ser excitada. Os integrados da série TTL normal começam pelo tipo 74. Todos os demais iniciam com a numeração 74. Existe também uma variação militar desta série que é a 54. 7

72 O Básico da Eletrônica Digital Os integrados das subfamílias têm letras adicionais nos tipos que indicam a qual delas pertencem. Assim temos: High-power - 74H Low-power - 74L Schottky - 74S Low-power Schottky - 74LS A família CMOS A palavra CMOS vem de Complementary Metal-OxideSilicon, tendo por característica principal o baixo consumo de corrente. As velocidades em geral, para a série normal são menores dos que a dos TTL, mas já existe a série HCMOS (onde o H é de High-Speed ou alta velocidade) que tem as mesmas características de velocidade dos integrados TTL. Os integrados da série CMOS podem operar com tensões entre 3 e 5 V, o que significa também maior flexibilidade de projeto, já que as fontes podem ser adequadas as aplicações. Na figura 57 temos um exemplo de inversor com transistor de canal P e de canal N do tipo MOS. A curva de transferência deste circuito é mostrada na figura 58, onde se observa os valores em que ocorre a transição de para. 72

73 NEWTON C. BRAGA 73

74 O Básico da Eletrônica Digital Outra característica dos integrados CMOS é a corrente de entrada extremamente baixa que não carrega as saídas. A principal série de integrados CMOS é a que inicia com o 4 (prefixos podem aparecer conforme o fabricante como CD4 para a RCA etc.). Um fator importante deve ser observado no trato dos circuitos CMOS. Os transistores de efeito de campo têm suas entradas abertas nos circuitos lógicos, o que significa que o dielétrico do semicondutor, extremamente fino, fica sujeito a descargas estáticas que podem furá-lo. Se isso acontecer o dispositivo é inutilizado. Assim, o manuseio do CMOS é delicado, devendo ser evitado tocar com os dedos diretamente nos pinos, soldar o componente com o ferro alimentado, ou mesmo deixar o componente sobre materiais que possam acumular cargas estáticas, tais como caixas plásticas/tapetes, carpetes etc. Dependendo do fabricante existe uma proteção interna para a comporta do integrado, que consiste num diodo, conforme mostra a figura 59, mas dependendo da intensidade da descarga ou de sua duração, o circuito pode não ser suficiente para evitar a queima do componente. 74

75 NEWTON C. BRAGA Máximo de cuidado, pois no manuseio dos integrados CMOS: - Evite segurar os terminais com as mãos - Use soquete - Não solde com pistola de soldar - Guarde-os sempre em caixa metálica ou na esponja condutora em que normalmente vêm do fabricante Algumas regras de uso são importantes: - Não se deve deixar entradas deportas livres: ligue-as à terra ou ao positivo da fonte, conforme o caso. - Use sempre pontas de prova de alta impedância ao testar integrados CMOS. 75

76 O Básico da Eletrônica Digital Usando Circuitos Lógicos Vista as famílias e os tipos de funções, podemos começar com a prática. O primeiro ponto a ser observado é em relação nos invólucros em que obtemos os integrados das duas famílias: CMOS e TTL. Normalmente os integrados que mais usamos são os de 4 pinos DIL e de 6 pinos DIL. DIL significa Dual-in-Iine, ou seja, duas filas de terminais paralelos, conforme mostra a figura 6. Observe que, para estes invólucros existe uma marca que identifica o pino, a partir do qual fazemos uma contagem. Funções mais complexas podem exigir invólucros de maior número de pinos, chegando em alguns casos a mais de 4. Estes integrados podem ser soldados diretamente numa placa de circuito impresso ou fixados num soquete, conforme mostra a figura 6. 76

77 NEWTON C. BRAGA Soquetes de baixo custo tipo molex" são comuns, e permitem o aproveitamento dos integrados de uma experiência em outra. Na verdade, o uso do soquete é sempre recomendado, pois evita também o choque térmico na soldagem que pode até danificar o componente. Para a soldagem direta do integrado, o soldador deve ter ponta bem fina e deve ser evitado a todo custo solda em excesso que pode espalhar e curtocircuitar terminais (veja figura 62). 77

78 O Básico da Eletrônica Digital Se isso acontecer, a ponte" de solda pode ser eliminada com ajuda do próprio soldador e de um palito. Aqueça o local e passe o palito para remover a solda em excesso que o problema estará eliminado. Para alimentar seus aparelhos será preciso dispor de uma fonte de 5 V (se você trabalhar com TTL) ou entre 3 e 5 V se você trabalhar com CMOS. As experiências e montagens que descreveremos, em sua maioria serão em torno dos integrados TTL. Assim, a fonte que montaremos será de 5 V (que também serve para CMOS, pois eles também trabalham com esta tensão). Existem integrados reguladores de tensão que facilitam no máximo a montagem de uma fonte. Em especial recomendamos os integrados da série 78XX um que o XX indica a tensão que fornecem na saída. Assim, usando o 785 teremos uma saída de 5 V. Na figura 63 temos o aspecto deste integrado que fornece uma corrente de A e que precisa ser dotado de um radiador de calor. 78

79 NEWTON C. BRAGA A entrada deste integrado pode ficar entre V e 34 V, o que nos leva a possibilidade de usar qualquer transformador de 9 à 2 V, aproximadamente, com corrente de A. O circuito pronto, mostrado na figura 64 pode ser usado para alimentar projetos com grande quantidade de integrados TTL. Para alimentar circuitos CMOS damos em especial uma fonte com 782 que fornece uma tensão de 2 V (veja a figura 65) 79

80 O Básico da Eletrônica Digital O integrado também deve ser dotado de um radiador de calor, principalmente se for alimentada grande quantidade de componentes. O 74 Começamos por descrever cada elemento da família lógica TTL e em alguns casos até dando alguns circuitos interessantes, como no caso do 74. O 74 consiste num integrado que contém 4 portas NAND (NAO E) de duas entradas, conforme mostra a figura 66. 8

81 NEWTON C. BRAGA Cada uma das portas pode ser usada separadamente, e o consumo de energia é de 2 ma por integrado. Lembramos então que neste integrado Quando as duas entradas estiverem no nível Hi então a saída será LO". Nas outras condições possíveis a saída será HI. A tabela verdade para este integrado e mostrada a seguir: Tabela verdade A B S O circuito da figura 67 permite que o leitor verifique estas condições com facilidade. O LED acenderá quando a saída do integrado estiver no nível LO. 8

82 O Básico da Eletrônica Digital Veja que é mais vantagem fazer projetos em que o LED acenda no nível LO, corno mostra a figura 68, pois nesta condição a corrente que podemos obter é maior. Na figura 69 temos um oscilador feito com duas das 4 portas NAND do integrado

83 NEWTON C. BRAGA Podemos usar este, Circuito no projeto de uma sirene ou de um pisca-pisca. Para sirene, temos então o uso de 4 portas, pois duas oscilam em alta frequência produzindo um sinal de áudio e duas em baixa frequência produzindo a modulação (veja figura 7). 83

84 O Básico da Eletrônica Digital Os capacitores determinam o tom e a modulação podendo ser variados pelo leitor à vontade. A etapa de saída de potência permite que um alto-falante seja excitado com bom volume. Para alimentar com uma tensão de 6 volts este circuito existe um artifício muito interessante que consiste na produção de uma queda de tensão de,7 V com um diodo de silício, conforme mostra a figura 7. Este diodo ligado em série com a fonte, reduz a tensão para 5,3 V, aproximadamente, que está dentro do suportado pelos integrados TTL num funcionamento normal. O tempo de propagação do sinal por uma porta 74 é de, aproximadamente, nanossegundos. O 74 Este integrado TTL contém 4 portas NAND de duas entradas, mas do tipo Open Colector". Isso significa que a saída dos transistores não possui um resistor interno de carga. Este resistor, tipicamente de 2 k2 deve ser ligado externamente, conforme mostra a figura

85 NEWTON C. BRAGA Observa-se também, pela figura 73 que a pinagem deste integrado corresponde a uma disposição diferente do 74. O consumo de cada integrado 74 é de 8 ma tipicamente e a tabela verdade é a mesma do 74, pois se tratam das mesmas funções. Cada uma das portas deste integrado pode ser usada independentemente. 85

86 O Básico da Eletrônica Digital O 742 Este integrado consta de 4 portas NOR (NÃO OU) de duas entradas, conforme mostra a figura 74. As quatro portas podem ser usadas independentemente, lembrando apenas que a alimentação é comum a todas. O consumo de corrente por integrado e de 2 ma em média. Podemos descrever o funcionamento destas portas por: Quando as duas entradas estiverem no nível LO então a saída será HI". Nas outras condições possíveis a saída será LO. A B S O 743 Este integrado TTL consiste em 4 portas NAND de duas entradas com coletor aberto na saída. Conforme dissemos, no 86

87 NEWTON C. BRAGA caso do 74, neste tipo de integrado, é preciso ligar um resistor de 2 k2 entre a saída e o + da alimentação para se obter a saída em nível HI. Na figura 75 temos a configuração interna deste integrado, assim como a sua pinagem. A tabela verdade é a mesma do 74 que também e formado por 4 portas. NAND de duas entradas. O 744 Este integrado consiste em 6 inversores, ou seja, um Hex Inverter, sendo que cada um dos seis inversores pode ser usado independentemente. Na figura 76 temos a disposição interna no integrado destes inversores. A tabela verdade de cada inversor é muito simples: A S 87

88 O Básico da Eletrônica Digital Isso significa que, quando a entrada de um inversor for Hl a saída será LO, e seja, quando aplicarmos uma tensão entre e,8 V na entrada teremos entre 4 e 5 V na saída e vice-versa. O consumo de corrente por integrado é de aproximadamente 2 ma. Lembramos que a corrente de saída máxima de cada inversor é de 6 ma. Na figura 77 temos um circuito oscilador que utiliza inversores e que pode ser usado como injetor de sinais, clock ou mesmo como base para um projeto de sirene. 88

89 NEWTON C. BRAGA O tempo de propagação do sinal por uma porta é tipicamente de ns, sendo este valor um indicativo de sua velocidade de operação. O 745 Este integrado consiste em Seis inversores (Hex Inverter) com saídas em coletor aberto, o que, conforme já vimos, exige a ligação de resistores de 2.k2 entre estas saídas e o + da alimentação para obtenção do nível HI. Na figura 78 temos o circuito interno deste integrado com a identificação dos terminais. A tabela verdade é simples: A S A saída tem nível lógico contrário ao do sinal aplicado à entrada. A corrente drenada por integrado e de 2 ma. Todos os seis inversores podem ser usados independentemente. 89

90 O Básico da Eletrônica Digital O 746 Este também é um inversor sêxtuplo (Hex Inverter) com saída em coletor aberto de até 3 V.. Na condição de saída LO pode-se drenar em cada saída deste integrado uma corrente de 3 ma com tensão de alimentação de até 3 V. Observe que a tensão de alimentação deste integrado é ainda 5 V (veja a figura 79). O consumo de corrente por integrado é de 3 ma e o tempo de propagação é de ns para levar a saída ao nível HI e de 5 ns para levar ao nível LO. O 747 O 747 consiste em seis não inversores também com saídas em coletor aberto até 3 V com a pinagem mostrada na figura 8. O consumo por invólucro é de 25 ma em média e cada um dos não inversores pode ser usado independentemente. 9

91 NEWTON C. BRAGA Observe que a tabela verdade deste dispositivo é ultra simples: A S Em outras palavras, a saída tem o mesmo nível lógico da entrada. Para que isso? Este integrado pode ser usado como buffer", ou seja, amplificador para fornecer um sinal de corrente maior ou de tensão maior sobre uma carga, já que as saídas são para tensões até 3 V. No nível LO podemos drenar em cada saída uma corrente -de até 3 ma. Observe que a tensão de alimentação do integrado permanece em 5 V. 9

92 O Básico da Eletrônica Digital O 748 Este integrado consiste em quatro portas AND (E) de duas entradas, com a pinagem mostrada na figura 8. A tabela verdade para estas portas é a seguinte: A B S Para que tenhamos o nível lógico na saída é preciso que os níveis lógicos das entradas sejam. A corrente drenada por unidade é de 6 ma e o tempo de propagação, tipicamente, de 5 ns. Cada uma das 4 portas pode ser usada independentemente. 92

93 NEWTON C. BRAGA O 74 Este integrado TTL consta de 3 portas NAND de 3 entradas, com a configuração e pinagem mostradas na figura 82. A corrente consumida por integrado é de 6 ma. A tabela verdade para uma das portas deste integrado e: A B C S Para termos o nível LO na saída é preciso que as três entradas estejam no nível HI. Nas outras condições possíveis a saída será HI. Cada uma das três portas pode ser usada independentemente. 93

94 O Básico da Eletrônica Digital O 744 Este integrado corresponde a uma função que ainda não estudamos, mas que podemos perfeitamente explicar agora. Trata-se do Schmitt trigger. O trigger" ou disparador é um circuito que responde com uma transição muito rápida de zero para um, ou vice versa, em seu nível de saída, quando a tensão de entrada passa por um valor determinado, denominado limiar (veja a figura 83). Podemos usar um Schmitt trigger para alterar a forma de onda de um sinal, obtendo um sinal perfeitamente retangular próprio para o trabalho com circuitos digitais. Em cada transição pela tensão limiar, o integrado produz uma transição de para ou para em sua saída. Observe o símbolo adotado para representar este disparador e que ele inverte o sinal de saída, pois consta de seis Schmitt triggers inversores (Hex Scmitt Trigger Inverting). Veja a figura

95 NEWTON C. BRAGA Cada integrado drena uma corrente de 3 ma em média e tem um tempo de propagação de 7 ns. A impedância de entrada destes inversores é de 6 k e o ponto de transição em que ocorre a excursão positiva está torno de, 7 V. A transição negativa ocorre quando a tensão cai a,9 V. Esta diferença de valores de,8 V determinai a histerese" do circuito. O 745 Este integrado TTL contém 6 inversores com coletor aberto, operando em tensões de até 5 V. A pinagem é mostrada na figura 85. Na saída LO pode-se drenar correntes de até 4 ma em cada saída inversora com tensões de até 5 V. O estado de saída HI só obtido com a ligação de um resistor da saída ao + da alimentação. A tensão de alimentação do integrado é ainda de 5 V. 95

96 O Básico da Eletrônica Digital O 747 Este circuito integrado TTL consta de seis não inversores de coletor aberto para tensões de saída até 5 V. Pode ser usado para excitar cargas de tensões mais altas, já que no estado LO a corrente drenada com 5 V pode chegar a 4 ma. A pinagem do circuito integrado é mostrada na figura

97 NEWTON C. BRAGA A tensão de alimentação do integrado é de 5 V e a corrente drenada por unidade é de 25 ma em média. A saída acompanha a entrada o que nos leva a seguinte tabela verdade: A S Cada um dos não inversores pode ser usado indepen dentemente. O tempo de propagação para saída HI e de 6 ns e para a saída LO é de aproximadamente 2 ns. O 742 Este integrado TTL consta de 2 portas NAND (NÃO E) de 4 entradas cada uma, com a pinagem mostrada na figura

98 O Básico da Eletrônica Digital Cada uma das portas pode ser usada independentemente, apresentando o circuito uma corrente de consumo de 4 ma em média. Somente quando todas as entradas estiverem no nível HI é que teremos a saída no nível LO, o que nos leva à seguinte tabela verdade: A B C D S 98

99 NEWTON C. BRAGA Observe que a existência de 4 entradas nos leva a 6 combinações de estado possíveis para este integrado. Observe também que dois dos pinos do integrado não possuem conexões (NC) ficando, pois livres. O 743 Este integrado contém uma única porta NAND de 8 entradas, apresentando a disposição de ligações mostrada na figura 88. O consumo de corrente por integrado é de 2 ma em média e o tempo de propagação e de ns. Observe que com 8 entradas temos 28 = 256 combinações de estado. Somente quando todas as entradas estiverem no nível HI é que a saída será LO: Para todas as demais 25 combinações de estado, a saída será HI. 99

100 O Básico da Eletrônica Digital O 7432 Este circuito integrado TTL contém 4 portas OR (OU) de duas entradas, num único invólucro, as quais podem ser usadas independentemente. A pinagem é mostrada na figura 89. O consumo de corrente por integrado e de 9 ma e o tempo de propagação e de 2 ns em média. A tabela verdade para este integrado é: A B S Para que o nível de saída seja LO é preciso que as duas entradas sejam LO. Nas demais condições, a saída será HI. A alimentação, como em todo TTL é de 5 V.

101 NEWTON C. BRAGA O 7437 Este integrado consiste em quatro buffers" do tipo NAND de duas entradas, ou seja, são portas com saídas de potência maior que podem excitar maior quantidade de outros integrados. Cada saída deste integrado pode excitar 3 portas TTL normais. Isso significa que este integrado tem uma capacidade de excitação três vezes maior que o equivalente funcional 74. A pinagem deste integrado é mostrada na figura 9. A corrente por unidade é de 5 ma quando todas as saídas estiverem no nível HI. Com as saídas no nível LO a corrente consumida sobe para 34 ma. A tabela verdade é a mesma do 74, já que se trata da mesma função. O 744 Este integrado consta de duas portas NAND de 4 entradas mas com potência elevada, ou seja, são buffers.

102 O Básico da Eletrônica Digital Como no caso do 7437, cada saída deste TTL pode excitar 3 entradas de TTL convencionais, o que significa um fan-out três vezes maior que o 74. A pinagem ou disposição dos elementos deste integrado é mostrada na figura 9. A tabela verdade é a mesma do 742 que também consta de 2 portas NAND de 4 entradas. O 7442 Eis aqui uma função lógica desconhecida dos leitores até agora, mas de grande utilidade. O 7442 é um decodificador BCD para -de- com saídas compatíveis TTL. O que significa isso: Na entrada deste integrado aplicamos pulsos ou sinais (níveis lógicos) que correspondam a um número em BCD de a 9. A saída que vai ser levada ao nível Hl será justamente a que corresponde a esse número. 2

103 NEWTON C. BRAGA Assim, as entradas, 2, 4 e 8 (que dão os pesos) podem ser excitadas da seguinte forma: O número em binário corresponde então ao 9". A saída que será levada ao nível Hl será então a correspondente ao pino., ou seja, o 9, segundo a pinagem mostrada na figura 9-A Todas as demais saídas ficarão no nível LO. Na figura 92 temos um interessante circuito que permite converter números em BCD para decimais. 3

104 O Básico da Eletrônica Digital As chaves de entrada (quatro) permitem estabelecer o número em binário acendendo 4 LEDs que correspondem: acesos e apagados. Na saída acenderá um dos LEDS que corresponde justamente ao número codificado em binário. Observamos que qualquer código maior que (maior que 9) leva todas as saídas ao nível HI. Para codificar números de a 7 ( de 8) basta aterrar o pino 2 deste integrado. As saídas podem drenar neste circuito 6 ma o que suficiente para acender LEDS comuns. Para correntes maiores de saída, os fabricantes recomendam usar o

105 NEWTON C. BRAGA Podemos estabelecer uma funcionamento para este integrado: Entradas Saídas. seguinte tabela de O consumo de corrente por integrado e de 28 ma e sua velocidade de operação é de 7 ns. O 7445 Este integrado tem a mesma função de 7442, com a diferença que suas saídas podem excitar cargas com maior corrente e maior tensão. De fato, as saídas são para tensões até 3 volts e correntes até 8 ma. A pinagem deste integrado é mostrada na figura 93. 5

106 O Básico da Eletrônica Digital A tabela de condições de entradas e saídas é a mesma do Cada integrado exige uma corrente de 43 ma sendo alimentado por 5 V e opera com um tempo de propagação de 45 ns. Observe que os 8 ma com 3 V de alimentação podem ser drenados apenas no estado LO de saída. O estado HI é obtido somente com a ligação de um resistor entre a saída e o + da alimentação. O 7447 Esta é outra função bastante interessante e de grande utilidade devendo ser estudada em pormenores. O 7447 é um decodificador BCD para display de 7 segmentos. O display de sete segmentos, ou mostrador, é um dispositivo que pode mostrar um número de à 7 através do acendimento combinado de certo número de seus 7 segmentos, conforme mostra a figura 94. 6

107 NEWTON C. BRAGA Observe que o número 3 é obtido quando os segmentos A, B, C, D e G acendem. O número 8 é obtido quando todos os segmentos acendem e o quando apenas o B e o C acendem. Este integrado pode receber uma informação em BCD através de 4 níveis lógicos e formar na saída os níveis que, aplicados a um display provocam o aparecimento do número correspondente. Assim, se aplicarmos nas entradas: " =, 2" = e 8" =, que corresponde ao número 5, as saídas A, F, G, C e D serão levadas ao nível LO de modo que poderá circular uma corrente por estes segmentos acendendo-os e formando assim o número 5. Veja pela figura 95 que o display usado é do tipo anodo comum", ou seja, que tem um anodo para todos os segmentos ligados ao polo positivo da alimentação, acendendo, pois quando o catodo é levado ao nível LO. 7

108 O Básico da Eletrônica Digital Do mesmo modo, existem displays para catodo comum, que acendem com outros tipos de decodificadores Este circuito pode, no estado LO, drenar uma corrente de até 4 ma com tensão de até 3 Volts, mas necessita de resistores limitadores de corrente, quando displays de LEDS são usados. Para displays fluorescentes ou de filamento não são necessários tais resistores. A entrada lamp-test" serve para verificar todas as saídas do integrado. Quando esta entrada é aterrada todas as saídas são levadas ao nível LO, acendendo assim, o número 8. Se algum filamento, ou segmento não acender podemos suspeitar do integrado ou do display. Em algumas aplicações, o zero não precisa acender como, por exemplo, nos casos em que este algarismo aparecer a esquerda. Em lugar de aparecer 45 num grupo de 4 displays podemos apagar" os dois primeiros zeros e projetar apenas 45 (veja a figura 96). 8

109 NEWTON C. BRAGA Para que isso aconteça basta levar a entrada (IN) Blanking ao nível LO. Se ligarmos a saída (OUT) Blanking à entrada correspondente do circuito seguinte ela também extinguirá o zero se ele for o dígito projetado no display. Levando a saída Blanking ao nível LO qualquer algarismo projetado é também eliminado. A corrente por integrado é de 43 ma. O 7473 Este importante integrado TTL contém dois flip-flops do tipo JK. Trata-se de um tipo de flip-flop que explicaremos melhor o funcionamento a seguir. A pinagem deste integrado e dada na figura 97. 9

110 O Básico da Eletrônica Digital Estes Flip-flops são do tipo disparado por nível (level triggered) com um sistema de pre-clear. Estes flip-flops são controlados por clock externo, ou seja, mudam de estado não só em função dos sinais de entrada, mas também em função da presença de um pulso de clock (relógio). É importante observar esta presença do clock. Num circuito complexo em que existam muitos flip-flops e portas operando simultaneamente, deve haver um sistema que sincronize seu funcionamento. Se isso não existir, pode perfeitamente que uma porta receba um nível lógico que a leve a uma resposta antes da outra porta ter tempo de receber o nível lógico que corresponda ao efeito real desejado. Num contador binário, por exemplo, onde aparecem os flip-flops, é preciso que todos sejam sincronizados, pois pode haver a mudança de estado de um, antes que ele recebe, por exemplo, o pulso de vai um" do anterior, ocorrendo então uma contagem irregular. Analisemos o funcionamento do 7473:

111 NEWTON C. BRAGA Sob certas condições Q e Q\ podem mudar de estado somente se a entrada de clock for levada ao nível LO. As saídas Q\ e Q não mudarão de estado para uma mudança de estado nas entradas J e K. O único instante em que pode haver a mudança é quando a entrada do clock for levada ao nível LO. Se J e K estiverem no nível LO (aterradas), o clock não tem efeito algum sobre o circuito. Se J e K forem levadas ao nível HI, o clock pode mudar o estado das saídas Q e Q\, ou fazer a contagem binária. Se J estiver no nível HI e K no nível LO, um pulso de clock leva a saída Q ao nível HI e Q\ ao nível LO. Se J estiver LO e K HI; Um pulso de clock faz com que seja levada ao nível LO e Q\ à HI. As informações nas entradas J e K podem ser mudadas apenas uma de cada vez, imediatamente após o pulso de clock. A entrada de Clear, se aterrada, faz com que Q passe ao nível LO e Q\ ao nível HI. A corrente consumida por cada integrado deste é de 2 ma. O 7474 Este é um outro tipo de flip-flop, denominado de Tipo D, disparando pela transição negativa de um pulso e possuindo preset e preclear. Na figura 98 temos a pinagem deste integrado.

112 O Básico da Eletrônica Digital O integrado possui dois flip-flops independentes que possuem saídas Q e Q\. O funcionamento é o seguinte: A informação levada a entrada D é levada a saída Q, a não ser que a entrada de clock receba um pulso de transição, do nível baixo para o nível alto. O único instante em que a saída pode mudar de estado é quando o clock aparece. Mudanças na entrada Q não passam para a saída a não ser que o circuito seja excitado por um pulso de clock (veja a figura 99). 2

113 NEWTON C. BRAGA Se D estiver HI, no pulso de clock, então Q passa ao nível alto e a saída complementar ao nível baixo. Se D estiver LO, no pulso de clock, então vai ao nível baixo e a complementar ao nível alto. As entradas de Clear e Set devem estar sob potencial positivo para uma operação normal. Se a entrada Clear for aterrada, o flip-flop imediatamente vai ao estado em que Q fica LO e sua complementar HI. Se a entrada SET for aterrada, o flipflop vai a condição de Q Hl e sua complementar LO. A máxima corrente consumida é de 7 ma e a velocidade máxima de operação deste flip-flop é de 25 Mhz. O 7486 Este integrado TTL consiste em porta Exclusive-Or (Ou exclusivo). No invólucro existem 4 portas de duas entradas com um tempo de propagação de 8 ns e um consumo de corrente de 3 ma. A pinagem deste integrado é mostrada na figura. 3

114 O Básico da Eletrônica Digital A tabela verdade para estas portas e: A B S Observe que, somente quando uma ou outra das entradas está no nível Hl é que a saída é levada ao nível Hl. Nas outras condições a saída permanece no nível LO. Cada uma das quatro portas que formam este integrado pode ser usada independentemente, lembrando que a alimentação sempre deve ser feita com uma tensão de 5 Volts. O 749 Completamos esta série inicial com o 749 que é um dos mais importantes circuitos digitais da série TTL, possibilitando a elaboração de inúmeros projetos interessantes. Também se trata de uma função que merece algumas explicações adicionais, se bem que o leitor já possa entendê-lo com certa facilidade a partir das explicações dadas quando falamos dos contadores binários. O 749 consiste num contador de década (divisor por ) que avança uma unidade a cada transição negativa do pulso de clock. Na figura temos a sua pinagem, por onde passamos a explicar seu funcionamento. 4

115 NEWTON C. BRAGA O 749 é formado por dois blocos, um que divide por 2 e outro que divide por 5, ou seja, duas séries de flip-flops que podem contar até estes valores. Interligando os dois blocos obtemos um circuito que conta ou divide por (veja a figura 2). A entrada dos pulsos é feita pelos Clocks. Observe que temos duas entradas de clock correspondentes aos dois blocos. Supondo o funcionamento normal como divisor por, temos a ligação mostrada na figura 3. 5

116 O Básico da Eletrônica Digital 8. As saídas são em BCD, ou seja, têm peso ", 2", "4" e Assim, se aplicarmos na entrada 6 pulsos, as saídas serão levadas ao nível que corresponde justamente a 6 em BCD. Observe o leitor que, se ligarmos este circuito ao 7442 que é um decodificador BCD para 7 segmentos e depois um display já teremos um importante circuito: um contador digital de até 9. Esta é justamente a base de nosso projeto prático! (veja a figura 4). 6

117 NEWTON C. BRAGA A cada pulso, a saída do 749 muda e isso pode ser acompanhado pelo decodificador BCD X 7 segmentos e pelo display. Se na entrada for ligado um oscilador de clock que dê um pulso em cada segundo, já teremos outro projeto interessante! Um cronômetro. Para ressetar o contador, ou seja, levá-lo a indicar zero na saída () basta levar as entradas reset ao nível, ou seja, ligando-as à terra. Para levar o circuito a indicar 9" basta levar as entradas de set 9 ao nível HI. O 749 somente conta para frente, isto é, em numeração crescente. Existem contadores que podem ser programados para contar em valores decrescentes (contagem regressiva), mas estes serão vistos numa outra oportunidade. Para fazer a contagem até 9, é preciso interligar externamente os dois blocos. Liga-se então um "jumper" (fio de ligação) entre o clock 2 e Q8 caso em que o sinal entrará pelo clock. O consumo de corrente por cada integrado é de 32 ma e sua velocidade máxima de operação é de 8 MHz. 7

118 O Básico da Eletrônica Digital Fazendo Projetos As interligações destes integrados em diversos projetos exige do leitor um bom estudo e conhecimento de todos os princípios envolvidos. Deste modo, não será fácil, pelo menos de inicio, projetar equipamentos digitais mais complexos sema ajuda de manuais ou informações mais detalhadas. No entanto, com os ensinamentos que damos aqui o leitor já pode começar, e muito mais que isso, pode entender como funcionam aparelhos prontos que apareçam em publicações técnicas ou mesmo montados. Os projetos iniciais que daremos a seguir são mais de cunho didático, permitindo que o leitor entenda o funcionamento de cada integrado e de sua união em disposições mais complexas. Lembramos que o leitor pode desenvolver estes projetos em placas de circuito impresso de sua própria confecção, ou se desejar uma experimentação deve fazer uso das matrizes de contacto, conforme mostra a figura 5. 8

119 NEWTON C. BRAGA Com estas matrizes de contactos, o aproveitamento de componentes é imediato, pois feita a experiência o componente pode ser retirado e guardado e novamente aproveitado em outro projeto. Montagens experimentais muito interessantes com circuitos digitais podem ser feitas com facilidade. Se o leitor gosta de eletrônica digital e pretende realizar seus experimentos, sugerimos comprar um certo número de integrados. Os integrados sugeridos são:

120 O Básico da Eletrônica Digital Este último, o 555 não é realmente um integrado TTL, mas sua utilidade nos projetos digitais ficará patente com as explicações que daremos a seguir; não esquecendo naturalmente a fonte de alimentação. O 555 O 555 é um timer com características compatíveis com os circuitos TTL. Podemos usar o 555 como oscilador de frequências que vão de, Hz a khz o que permite utilizá-lo como clock de circuitos integrados digitais TTL. Na figura 6 temos a ligação do 555 como oscilador que produz um sinal retangular. 2

121 NEWTON C. BRAGA A frequência de operação é dada pela seguinte fórmula: f =,44/(R + 2R2)C Onde: f é a frequência em Hertz R é dado em Ohms R2 é dado em Ohms C é dado em farads O valor mínimo de R + R2 é de k O valor máximo de R + R2 está em torno de 3 M Na figura 7 temos um circuito de aplicação para este integrado, em que ele aciona um LED que piscará na frequência determinada pelo valor de C e ajustada no potenciômetro P. 2

122 O Básico da Eletrônica Digital Este circuito pode ser usado como um clock experimental lento" para estudo do funcionamento de circuitos digitais como contadores. O LED acende quando o nível de saída é HI. Ligando este circuito um multivibrador biestável ou flipflop podemos analisar seu funcionamento. Contador Binário Na figura 8 temos um projeto de contador binário usando o 555 e o 749 com 4 LEDS. 22

123 NEWTON C. BRAGA Este contador Conta até 9 em binário, acendendo os LEDs de modo a formar o número correspondente. Assim, um LED apagado, dois acesos e um apagado, indicam que em binário corresponde ao 6. A velocidade com. que os números mudam dependerá A da frequência do 555 que pode ser ajustada no potenciômetro P. Observe que o 555 também é alimentado com 5 V. Este integrado pode ser perfeitamente alimentado com tensões de até 5 V que o torna aplicável também em circuitos equivalentes CMOS. 23

124 O Básico da Eletrônica Digital Um Clock Disparado Um outro circuito que pode ser usado para ativar o contador experimental até 9 é mostrado na figura 9 e usa um 74. A frequência é dada pelo capacitor C que pode ter valores entre nf e uf. Quanto maior o valor de C, mais baixa é a frequência e, portanto,mais lenta a mudança dos números. Neste circuito, somente quando 8 é ativado é;que o oscilador entra em ação, produzindo os pulsos de clock. Quando S é solto, o circuito é inibido parando a contagem. Uma aplicação interessante é dada no projeto a seguir. Sorteador Usando o circuito de disparo em questão, em que, ao apertar S produzimos um número aleatório de impulsos, mais um decodificador de e um 749, podemos fazer um interessante projeto capaz de sortear um número de a 9 (ou a ). Veja a figura. 24

125 NEWTON C. BRAGA O pulsador com o 74 é ligado ao 749 que faz a contagem dos pulsos de a 9 fornecendo uma saída. Em seguida, vem o 7442 que toma a saída em BCD e a transforma numa saída de a acionando um dos LEDs ligados. Assim, quando pressionamos o interruptor um numero de pulsos aleatórios são produzidos, sendo contado pelo 749 (no final de cada ele volta ao ). Quando soltamos o interruptor, o circuito para no número de pulsos produzido até então. Temos na saída do 749 uma indicação binária (BCD) deste número de pulsos que é usada para excitar o decodificador Na saída deste integrado uma única e levada ao nível LO acendendo o LED correspondente. Este LED indica o número sorteado. O capacitor de nf é o recomendado, pois permite que a velocidade de clock seja tão grande que o jogador não consiga controlar o sorteio, fazendo cair o número que ele quer. Uma versão do jogo rapa-tudo" pode ser elaborada a partir desta configuração em que para os LEDs teremos as seguintes indicações: - tira um 25

126 O Básico da Eletrônica Digital - tira dois 2 - põe um 3 - rapa tudo 4 - deixa como está 5 - tira três 6 - põe três 7 - jogue outra vez 8 - tira um 9 - põe um O jogo pode ser feito com fichas, e terminará quando alguém ficar sem nenhuma delas. Displays Os displays usados nas montagens digitais mais comuns, são os formados por diodos luminescentes ou LEDs. Cada segmento e um LED que acende com uma tensão mínima de,6 V, aproximadamente, e que precisa ter um resistor limitador de corrente que normalmente é um resistor de 33 ohms. Sem este resistor a corrente não tem limite e pode queimar, tanto o display, como o integrado que o excita. Existem alguns integrados que possuem o resistor limitador já em seu interior, dos quais deveremos falar futuramente. São dois os tipos principais de displays de 7 segmentos usados: a) anodo comum b) catodo comum No display de anodo comum, todos os anodos dos segmentos são interligados a um terminal único, conforme mostra a figura. 26

127 NEWTON C. BRAGA Este anodo é então ligado ao (+) da alimentação e os catodos na saída do integrado decodificador. Os segmentos acendem então quando o catodo do segmento vai ao nível LO, ou seja, aterrado. Displays de anodo comum são usados com o 7447, por exemplo. No display de catodo comum, os catodos são interligados ao negativo da fonte. figura 2. 27

128 O Básico da Eletrônica Digital O segmento acende quando a saída correspondente o integrado passa ao nível LO para o HI. Um decodificador para este tipo de display é o 9358 que, apesar do nome, faz parte da linha TTL. Os tamanhos e as identificações dos terminais dos displays variam conforme o fabricante. Se o leitor tiver dificuldades em obter um display convencional em sua localidade, pode perfeitamente montar um com LEDs comuns, segundo mostra a figura 3. 28

129 NEWTON C. BRAGA A alimentação será de 5 V e serão usados 7 transistores BC548 para excitar as barras" ou segmentos, cada qual com 3 LEDs. A entrada deste circuito é compatível com os dispositivos TTL, mas seu consumo de corrente existe uma boa fonte. De fato, cada LED consome em média 2 ma, o que significa 6 ma por segmento. Como temos 7 segmentos, quando o número 8 for projetado, caso em que acendem todos os segmentos, & corrente será de 42 ma. Numa montagem em que temos dois dígitos, o consumo de corrente chegará a 84 ma. Uma fonte de A é o mínimo que «m exige para esta aplicação. Na figura 4 temos o aspecto deste interessante display montado. Uma possibilidade interessante consiste em se utilizar SCRs e alimentar lâmpadas incandescentes de e assim fazer um display gigante. Placar de jogos pode ser feito segundo esta técnica. 29

130 O Básico da Eletrônica Digital NOSSO PROJETO PRÁTICO MÓDULO CONTADOR DE A 9 - TTL. Damos elementos para que o leitor monte um módulo contador de digito( à 9) com o qual podem ser desenvolvidos diversos projetos interessantes. Com dois módulos pode-se ter a contagem até 99, com três até 999 e com 4 até Dentre as possíveis montagens que o leitor pode ter destacamos: - Contador de objetos em linhas de montagens - Contador de pessoas em entradas de teatros ou cinemas - Cronômetro - Contador de eventos em pesquisas cientificas - Contador de voltas para enroladores de bobinas - Medidor de rotações por minuto A montagem é extremamente simples e não há limite para o que se pode adaptar na entrada para a produção dos pulsos que devem ser contados. A velocidade máxima de contagem e determinada pelas características do 749 e está em torno de 8 MHz para o TTL da série normal. As características do módulo são: Tensão de alimentação 5 Volts Número de dígitos - Frequência máxima de contagem - 8 MHz Consumo de corrente -75 ma (mais o display) Como funciona Na figura temos a disposição em blocos de nosso circuito contador usado na entrada é um 749 que é um contador de década, divisor por, que conta somente no sentido crescente ou progressivo. 3

131 NEWTON C. BRAGA Este circuito recebe os pulsos de entrada do circuito de sensor ou clock e fornece uma saída em BCD de 4 dígitos. Futuramente, daremos elementos para que se altere a contagem até 6, caso em que podemos fazer a montagem de relógios, ou divisores por 6. O sinal deste integrado e levado a um 7447 que faz decodificação dos níveis BCD para acionamento de um display de 7 segmentos. Este integrado atua pela queda de tensão nos terminais dos segmentos que devem ser acesos, o que exige o emprego de displays de anodo comum. Para displays de catodo comum pode ser usado o 9368, cuja pinagem e modo de ligação são mostrados na figura 2. 3

132 O Básico da Eletrônica Digital Resistores de 33 Ohms devem ser ligados em série com os segmentos para limitar sua corrente. A alimentação deste integrado também é feita com uma tensão de 5 V e seu consumo de corrente está em torno de 43 ma. Temos finalmente o display, cuja medida é de um tipo comercial comum para o qual damos diversos equivalentes na lista de material. Em suma, a pinagem dada nesta placa de circuito impresso, assim como as dimensões corresponde a todos os tipos indicados na lista de material. Se o leitor tiver outro tipo de display com terminais diferentes ou dimensões diferentes, nada impede que seja feita uma alteração no desenho da placa de circuito impresso. A fonte de alimentação para o circuito pode ser a da figura 3. 32

133 NEWTON C. BRAGA Nela temos um transformador com primário de acordo com a rede local e secundário de 2 V X A. O circuito integrado regulador de tensão é o 785 que deve ser dotado de um radiador de calor. Na figura 4 mostramos a montagem desta fonte tendo por base uma pequena ponte de terminais. 33

134 O Básico da Eletrônica Digital Os diodos podem ser do tipo N42 ou equivalentes de maior tensão e os capacitores de filtro têm tensões de trabalho de 6 ou 25 Volts. Um LED indicador de funcionamento pode ser acrescentado com um resistor em série de k. Montagem Começamos por dar o diagrama completo do módulo de contagem (veja a figura 5). 34

135 NEWTON C. BRAGA A placa de circuito impresso usada é dada em tamanho natural na figura 6. 35

136 O Básico da Eletrônica Digital Ao realizar a montagem, se possível, use soquetes para os circuitos integrados e observe o seguinte: a) Observe a posição dos circuitos integrados e do display, pois inversões comprometem o funcionamento do circuito. b) Observe os valores dos resistores limitadores que, se possível, devem ser todos de % de tolerância para que todos os segmentos acendem com o mesmo brilho. c) Observe cuidadosamente a polaridade das ligações do módulo na fonte, pois se houver inversão haverá também a queima dos integrados e do display. d) Nunca alimente o circuito com tensões superiores a 5 V, pois pode haver a queima dos integrados. 36

137 NEWTON C. BRAGA e) Observe bem a construção da placa evitando trilhas em curto ou interrompidas que podem prejudicar o funcionamento do circuito. Para experimentar o circuito depois de montado existem diversas possibilidades; Na figura 7 temos a ligação do circuito a um interruptor que serve de produtor de pulsos de contagem, para verificação de funcionamento do módulo. Um circuito melhor para a prova de funcionamento é mostrado na figura 8 em que usamos um 555 para a produção de pulsos sem o perigo de transientes, como ocorre com a chave. 37

138 O Básico da Eletrônica Digital Os transientes podem fazer com que, num fechamento de chave mais e um pulso seja gerado e o display salte" números. Para acoplar dois módulos ou mais de modo a ter um contador de dois ou mais dígitos a ligação' é mostrada na figura 9. Observe que o módulo mais próximo da entrada é o das unidades, o seguinte o das dezenas, e assim por diante. A alimentação para todos os módulos é comum. 38

139 NEWTON C. BRAGA Lista de material Cl contador de década TTL Cl decodificador BCD X 7 segmentos TTL DY- - Display de 7 segmentos R à R7-33 Ohms X /8 W - resistores (laranja, laranja, marrom) Diversos: placa de circuito impresso, soquetes para os integrados, fios, solda, material para a fonte de alimentação. Aplicação - Contador de Objetos Na figura temos o circuito para um contador de objetos utilizando na entrada um

140 O Básico da Eletrônica Digital O potenciômetro permite ajustar a sensibilidade do sistema em função da luz ambiente. O sensor é um LDR comum, e a alimentação é feita com uma tensão de 5 Volts. Aplicação 2 - Cronômetro Novamente temos um 555 como base deste projeto (veja a figura ). 4

141 NEWTON C. BRAGA O trimpot deve ser ajustado para que o oscilador 555 tenha uma frequência de Hz. O contador com dois dígitos contará então de O a 99 segundos. Se o leitor ajustar a frequência para pulso a cada minuto então o cronômetro contará de a 99 minutos. Aplicação 3 - Sorteador O circuito da figura 2 permite sortear qualquer número de a 99 formando assim um dispositivo de loto à prova de fraudes. 4

142 O Básico da Eletrônica Digital Aperta-se o interruptor S e quando ele for solto aparecerá no display um número qualquer compreendido entre e 99. Como não dispomos de memória, nos sorteios seguintes nada impede que haja repetição do número sorteado numa probabilidade de para. Com três dígitos, o sorteio poderá ir de a