UFBA / IM / DCC

MATA38Projeto de Circuitos Lógicos

Aula 01Conceitos gerais sobre sistemas digitais

Prof. Marcos E. Barreto

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Contextualização• Predominância da eletrônica digital em várias

áreas contemporâneas:• Computação, automação, televisão, sistemas de

comunicação, radares, sistemas de navegação e posicionamento, controle de processos industriais, sistemas militares, medicina, transportes, entretenimento etc.

• Ampla gama de sistemas digitais, desde os mais simples (chave liga/desliga) até os mais complexos (computadores e sistemas embarcados).

• O termo digital é derivado da forma como os computadores realizam operações => contando dígitos.

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A maioria das grandezas naturais são analógicas e variam continuamente (ex. temperatura, velocidade, corrente elétrica etc.). Sistemas analógicos têm maior capacidade de representação de grandezas.

Sistemas digitais podem processar, armazenar e transmitir dados mais eficientemente, porém consideram somente valores discretos para cada ponto. Exemplo: relógio digital.

Representações numéricas (analógica X digital)

1

100

A .M.

95

90

85

80

75

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12P.M.

Temperature(°F)

70

Time of day

Contextualização (2)

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Sistemas digitais X analógicos• Sistema digital

– Dispositivos que manipulam informação lógica ou quantidades físicas representadas no formato digital. Podem ser eletrônicos, mecânicos, magnéticos e pneumáticos. Exemplos: computadores, calculadoras, áudio e vídeo digital, sistema de telefonia, etc.

• Sistema analógico– Dispositivos que manipulam quantidades físicas

representadas na forma analógica. Exemplos: amplificadores de áudio, alto-falante em um receptor de rádio, etc.

Digital data

CD drive

10110011101

Analogreproductionof music audiosignal

Speaker

Soundwaves

Digital-to-analogconverter

Linear amplifier

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Sistemas / técnicas digitais• Vantagens

– Maior facilidade de projeto– Valores exatos de tensão e corrente não importam, somente a

faixa (BAIXO/ALTO) em que se encontram

– Maior exatidão e precisão– Informação digital não se deteriora ao ser processada

– Maior facilidade e capacidade de armazenamento– Programação mais fácil e flexível

– Sistemas analógicos têm instruções limitadas

– Menor interferência de ruído– Novamente, o valor exato não importa, somente a faixa em que

ele se encontra. Portanto, o ruído (flutuação da tensão) não interfere de forma significativa.

– Maior grau de integração– Alguns dispositivos analógicos não podem ser economicamente

integrados (capacitadores, resistores, indutores, transformadores etc).

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Sistemas / técnicas digitais• Restrições / limitações

– Mundo real é analógico– Processar sinais digitalizados leva tempo

– Monitorar grandezas analógicas por sistemas digitais requer o uso de conversores

– Conversor analógico-digital (ADC)

– Conversor digital-analógico (DAC)

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Representação de sinais digitais

• Pode ser feita por qualquer dispositivo que tenha apenas dois estados de operação possíveis.

• Lâmpada, diodo, termostato,

fotocélula, etc.

• Exemplo: chave aberta (0) e fechada (1)

• Sistemas digitais usam circuitos que contêm

dois estados, os quais são representados por

níveis lógicos distintos, chamados BAIXO

e ALTO. – 0v a 0,8v: binário 0

– 2v a 5v: binário 1

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• Formas de onda digitais

Representação de sinais digitais

As formas de onda digitais se alternam entre os níveis BAIXO (low) e ALTO (high).

Um pulso positivo é o que vai do nível BAIXO para o ALTO, enquanto um pulso negativo é aquele que vai do nível ALTO para o BAIXO.

Ondas digitais são compostas por uma sequência de pulsos.

Falling orleading edge

(b) Negative–going pulse

HIGH

Rising ortrailing edge

LOW

(a) Positive–going pulse

HIGH

Rising orleading edge

Falling ortrailing edge

LOWt0 t1 t0 t1

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• Definições relacionadas aos pulsos

Representação de sinais digitais

Pulsos não-ideais: definidos em termos de tempo de subida (rise time), tempo de descida (fall time), largura (width) e amplitude.

Apresentam características como sobrelevação (overshoot), oscilação (ringing) e subelevação (undershoot).

90%

50%

10%

Base line

Pulse width

Rise time Fall time

Amplitude tW

tr tf

Undershoot

Ringing

Overshoot

RingingDroop

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Representação de sinais digitais

Compostos por pulsos que se repetem num intervalo fixo chamado período (T).

A frequência (f) é a taxa na qual esta repetição ocorre e é medida em hertz (Hz) (oscilações por segundo).

Formas de onda de pulsos periódicos

T=1f

t1

t2

t3

Período = t1 = t

2 = t

3 = … = t

n

Frequência: f=1T

Ciclo de trabalho

CT=twT

.100 %

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Representação de sinais digitais

Exemplos de métricas

Período: medido entre duas bordas de um pulso (no exemplo, borda positiva).Nesse caso, o período (T) é de 10 ms.

Frequência: => 1 / 10 ms => 100 Hz

Ciclo de trabalho: % => ( 1 ms / 10 ms).100% => 10%

f=1T

CT=twT

.100

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Representação de sinais digitais

Usados para mostrar: i) o relacionamento entre duas ou mais formas de onda; ii) a evolução do sinal digital ao longo do tempo.

Diagramas de temporização

Podem ser observados através de analisadores lógicos (multímetros, osciloscópios etc).

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Clock

A

B

C

Representação de sinais digitais

Diagramas de temporização

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Circuitos digitais

• Também chamados circuitos lógicos– Operam com tensões que se encontram em faixas

estabelecidas representando 0 e 1

– A relação entre as entradas e as saídas é estabelecida pela lógica do circuito.

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Circuitos digitais

• Três tipos de circuitos– Lógica combinacional: a saída do circuito é uma

expressão booleana em função das suas entradas. Circuito responde imediatamente a qualquer mudança nas entradas.

– Lógica sequencial: a saída do circuito é baseada no valor atual do circuito e, dependendo, dos valores nas entradas. A lógica pode ser síncrona ou assíncrona.

– Memória: circuito no qual um valor pode ser armazenado (escrito) e retirado (lido). Podem ser RAM ou ROM.

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Circuitos digitais integrados (CIs)

• Circuitos com memória X circuitos sem memória

– No circuito com memória, a saída muda de estado e se mantém neste estado mesmo após a retirada do sinal de entrada.

– No circuito sem memória, quando o sinal de entrada é removido, a saída volta ao seu estado original.

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Lógica discreta X lógica programável

• Lógica discreta (fixa)– Adequada a pequenos projetos que não precisam de

futuras alterações.

– Projeto realizado com conceitos de álgebra Booleana e mapas de Karnaugh.

– Indicada para lógica combinacional e sequencial.

– Mudança no projeto final requer mudança na placa do circuito impresso.

– Não necessita de conhecimentos sobre lógica programável (PLD).

– Para uma família particular de componentes (TTL ou CMOS), os dispositivos de entrada e saída são pré-determinados.

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• Lógica programável (PLD)– Adequada a todos os tipos de projeto, desde os mais

simples ao mais complexos.

– Indicada para projetos que requerem modificações a qualquer momento, mantendo as características iniciais.

– Permite mudanças no projeto final, sem alterações no circuito impresso em que o PLD está conectado.

– Projeto feito com álgebra booleana, mapa de Karnaugh e linguagens de programação (VHDL ou Verilog).

– Indicada para lógica combinacional, sequencial e memória.

– Maioria dos PLDs podem ter suas entradas e saídas configuradas pelo projetista.

– Alguns blocos lógicos disponíveis, com funções implementadas (ex. FFT).

Lógica discreta X lógica programável

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Circuitos digitais integrados (CIs)• Os circuitos integrados (CIs) permitem a

implementação de sistemas digitais complexos menores e mais seguros

=> comparando com tecnologias baseadas em componentes discretos.

Plasticcase

Pins

Chip

Chip DIP (Dual Inline Pins)

Pin 1

Dual in-line package Small outline IC (SOIC)

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Circuitos digitais integrados (CIs)• Tecnologias usadas para o projeto de CIs:

– TTL (lógica transistor-transistor)

– CMOS (semicondutor metal-óxido complementar) => MOSFET

– ECL (lógica acoplada pelo emissor), PMOS, NMOS, E2CMOS

DIP chipsExemplo de prototipação em laboratório.

O circuito é montado (wired) usando chips DIP e testado por um computador conectado ao sistema (protoboard + lógica).

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Computadores digitais• Computador é um sistema digital (hardware) que

realiza cálculos, toma decisões e manipula dados com base em uma sequência de instruções (programa).

• A arquitetura básica é

formada por processador

(CPU), memória e

dispositivos de

entrada e

saída.

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Referências• Thomas Floyd. Sistemas digitais –

fudamentos e aplicações. 9ª edição, Porto Alegre: Bookman, 2007.

• http://wps.prenhall.com/chet_floyd_digitalfun_9/

Ronald J. Tocci et al. Sistemas digitais – princípios e aplicações. 10ª edição. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007.

http://wps.prenhall.com/br_tocci_sistedigi_10/

Cesar da Costa et al. Elementos de lógica programável – com VHDL e DSP. São Paulo: Érica, 2011.