ELETRÔNICA DIGITAL

Miguel Gonçalves Wanzeller

Ementa

• Análise e projeto de circuitos lógicos combinacionais. Blocos básicos de construção de circuitos digitais: somadores, comparadores, multiplexadores. Circuitos seqüenciais: flip-flops, contadores, registradores de deslocamento.

Objetivos

• A disciplina Eletrônica Digital objetiva capacitar o estudante a analisar e projetar diferentes tipos de circuitos digitais, tais como os circuitos combinacionais (somadores comparadores, codificadores, decodificadores, multiplexadores, demultiplexadores, etc.) e os circuitos seqüenciais (flip-flops, contadores e registradores).

Conteúdo Programático• Capítulo 1 – Introdução

1.1 Analógico versus digital.1.2 Hardware digital.1.3 Projeto de hardware digital.1.4 O computador digital.1.5 Sistemas de numeração digitais1.6 Representação da informação na forma binária1.7 Transferência de dados. 1.8 Funções lógicas básicas.1.9 Circuitos integrados digitais.

Conteúdo Programático• Capítulo 2 – Minimização de Circuitos Lógicos

2.1 Constantes e variáveis booleanas.2.2 Tabela da verdade.2.3 Operações lógicas.2.4 Descrição algébrica de circuitos lógicos.2.5 Simplificação usando álgebra booleana.2.6 Universalidade das portas NE e NOU.2.7 Formas padrões de expressões booleanas.2.8 O mapa de Karnaugh.2.9 Minimização usando o mapa de Karnaugh.

Conteúdo Programático• Capítulo 3 – Blocos de Construção de Circuitos

Combinacionais

3.1 Circuitos combinacionais.3.2 Procedimentos de análise e de projeto.3.3 Decodificadores.3.4 Decodificadores/drivers BCD para 7-segmentos.3.5 Displays de cristal líquido.3.6 Codificadores.3.7 Multiplexadores/seletores de dados.3.8 Demultiplexadores.3.9 Comparadores de magnitude.3.10 Conversores de códigos.3.11 Barramento de dados.

Conteúdo Programático• Capitulo 4 – Representação Numérica e Circuitos Aritméticos

4.1 Conversão de uma base genérica para decimal.4.2 Conversão de decimal para uma base genérica.4.3 Complementos.4.4 Números binários com sinal.4.5 Adição/subtração binárias.4.6 Operações com complemento.4.7 Multiplicação e divisão binárias.4.8 Somador binário paralelo.4.9 Unidade lógica e aritmética (ULA).

Conteúdo Programático

• Capítulo 5 – Flip-Flops e Dispositivos Correlatos

5.1 Circuitos Seqüenciais.5.2 Latches.5.3 Flip-flops.5.4 Métodos de gatilhamento.5.5 Flip-flop mestre-escravo.

5.6 Aplicações de flip-flops.

Conteúdo Programático

• Capítulo 6 – Contadores e Registradores

6.1 Registradores6.2 Contadores assíncronos.6.3 Contadores Síncronos.6.4 Contadores com registradores de deslocamento.

Avaliações• Serão efetuadas quatro avaliações. As três primeiras serão

aplicadas ao final dos capítulos dois, quatro e seis, respectivamente, sendo avaliados, em cada uma delas, os conteúdos ministrados nos dois últimos capítulos.

• Primeira Avaliação: Capítulos 1 e 2;• Segunda Avaliação: Capítulos 3 e 4;• Terceira Avaliação: Capítulos 5 e 6.

• A quarta avaliação será uma prova substitutiva, incluindo todo o assunto ministrado durante o curso.

• O conceito final será atribuído a partir da média aritmética das três maiores notas, obtidas nas quatro avaliações.

Bibliografia

• Tocci, R. J. & Widmer, N. S.; “Sistemas Digitais – Princípios e Aplicações”, 8a Ed. – Pearson Education do Brasil – 2003.

• Brown, S. & Vranesic, Z.; “Fundamentals os Digital Logic with VHDL Design”, 2th Edition – McGraw Hill – 2005.

• Floyd, T. L.; “Sistemas Digitais”, 9a Edição – Bookman Companhia Editora Ltda. – 2007.

• Ideota, I. V. & Capuano, F. G.; “Elementos de Eletrônica Digital”, 35a Edição – Ed. Érica – 2003.

Capítulo 1 - Introdução

Analógico X Digital

SISTEMAS DIGITAIS E ANALÓGICOS

• Sistema Digital – é formado por uma combinação de dispositivos projetados para lidar com informações lógicas ou com quantidades físicas representadas de forma digital, isto é, quantidades que só podem assumir valores discretos.

• Sistema Analógico – contém dispositivos que podem manipular quantidades físicas que são representadas de forma analógica. Em um sistema analógico, as quantidades físicas podem variar sobre um intervalo contínuo de valores.

SISTEMAS DIGITAIS E ANALÓGICOS

Vantagens dos Sistemas Digitais

• Sistemas digitais geralmente são mais fáceis de projetar.• Fácil armazenamento de informação.• Maior exatidão e precisão.• A operação do sistema pode ser programada.• Circuitos digitais são menos afetados por ruídos.• Um maior número de circuitos digitais pode ser colocado

em um circuito integrado.

Exemplos de dispositivos analógicos e digitais

Relógios

Multímetros Velocímetros

Limitações das Técnicas Digitais

Há apenas uma grande desvantagem ao se utilizar as técnicas digitais: O mundo é quase totalmente analógico. Como exemplos temos a temperatura, a pressão, a posição, a velocidade, o nível de um líquido e a vazão. Para obter as vantagens das técnicas digitais quando tratamos com entradas e saídas analógicas, três passos devem ser seguidos:1- Converter as entradas analógicas do mundo real para o formato digital.2- Realizar o processamento da informação digital.3- Converter as saídas digitais de volta ao formato analógico.

Diagrama de blocos de um sistema de controle de temperatura que utiliza técnicas de processamento digital.

HARDWARE DIGITAL

• Os circuitos lógicos são usados para construir o hardware dos computadores, e de vários outros tipos de produtos. Todos podem ser classificados como hardware digital.

HARDWARE DIGITAL

Evolução da tecnologia usada para a fabricação do hardware digital:

• Até a década de 1960 a maioria dos circuitos lógicos eram construídos com componentes discretos.

• Por volta de 1970 já era possível implementar todos os circuitos de um processador em um único chip.

Uma pastilha de silício.

HARDWARE DIGITAL

• Tabela 1.1 – Evolução da fabricação de semicondutores(Fonte: SAI - Semiconductor Industry Association)

ANO1999 2001 2004 2006 2009 2012

Comprimento de cada transistor

0,14 µm 0,12 µm 90 nm 65 nm 50 nm 35 nm

Transistor por cm2

14 milhões

16 milhões

24 milhões

40 milhões

64 milhões

100 milhões

Tamanho do chip

800 mm2 850 mm2 900 mm2 1000 mm2 1100 mm2 1300 mm2

PROJETO DO HARDWARE DIGITAL

O COMPUTADOR DIGITAL

ESTRUTURA DE UM COMPUTADOR

DIGITAL

ESTRUTURA DE UM CHIP DE CIRCUITO

INTEGRADO

SISTEMAS DE NUMERAÇÃO DIGITAIS

• Sistemas de numeração usados na tecnologia digital:• Decimal• Binário• Octal• Hexadecimal

Sistema Decimal

• Composto por 10 algarismos ou símbolos (sistema de base 10) ≡ 10 dígitos.

• “dígito” – palavra latina usada para denominar dedo

EX: 2745,214

Contagem decimal• Com N dígitos se pode contar até 10N números distintos, começando do

zero. O maior número possível será sempre 10N – 1.EX:

2 dígitos de 00 até 99 = 102 - 1 3 dígitos de 000 até 999 = 103 - 1

SISTEMA OCTAL• O sistema de numeração octal é muito importante no trabalho com

computadores digitais, pois quando se lida com grandes quantidades de números binários de vários bits, é mais conveniente e eficiente escrever-se os números em octal em vez de binários. A principal vantagem é a facilidade com que conversões podem ser feitas entre números binários e octais, e vice versa.

SISTEMA HEXADECIMAL

Sistema Binário• Quase todo sistema digital usa o sistema de numeração binário (base 2)

como sistema de numeração básico para suas operações, embora algumas vezes outros sistemas de numeração sejam usados em conjunto com o sistema binário.

• Nos sistemas binários existem apenas dois símbolos ou valores possíveis para os bits, 0 e 1.

• O sistema binário também é um sistema posicional, onde cada dígito binário possui seu próprio valor ou peso, expresso como uma potência de 2.

• No sistema binário, o termo “dígito binário” é geralmente abreviado para “bit” (binary digit).MSB bit mais significativoLSB bit menos significativo

Sistema Binário• EX: 1011,101

Contagem Binária

• Quando se lida com números binários, normalmente há uma restrição quanto ao número de bits, relacionada com o conjunto de circuitos utilizado para representar esses números binários.

Exemplo da contagem embinário de um número de 4 bits:

Contagem Binária

• Com N bits se pode contar até 2N números distintos, começando do zero. O maior número possível será sempre 2N – 1.

EX:2 bits de 002 até 112 22 – 1 = 310

4 dígitos de 00002 até 11112 24 – 1 = 1510

Representação da Informação na Forma Binária

• Quantidades binárias podem ser representadas por qualquer dispositivo que apresente apenas dois estados de operação ou condições possíveis.EX:

Representação de números binários utilizando (a) chaves e (b) perfurações em uma fita de papel.

Representação da Informação na Forma Binária• Nos sistemas digitais eletrônicos, a informação binária é representada por

tensões (ou correntes) que estão presentes nas entradas e saídas dos vários circuitos eletrônicos. Tipicamente os binário “0” e “1” são representados por dois níveis de tensão.EX: “0” 0 V

“1” +5 V• Na prática, como ocorrem variações nos circuitos, os binários “0” e “1”

são representados por intervalos de tensões.

TRANSFERÊNCIA DE DADOS

TRANSFERÊNCIA DE DADOS

Funções Lógicas BásicasA facilidade do processamento de números binários decorre da existência de apenas dois dígitos, 0 e 1 (bit), que podem ser representados por 2 níveis de tensão (por exemplo 0 = 0 volt e 1 = 5 volts).Os símbolos representam um bloco lógico com uma ou mais entradas lógicas A, B, etc. e uma saída lógica S. As entradas e saídas lógicas só assumem valores correspondentes aos níveis lógicos 0 e 1.Um bloco lógico executa uma determinada função lógica para a qual foi projetado. Essa função determina os valores que as saídas assumem para cada combinação de valores das entradas. Tais relações são muitas vezes exibidas sob a a forma de tabelas da verdade.

A

BS

AA

AA

B

BBS S

SS

AND OR NOT

NAND NOR

Porta lógica AND (e)

A B S

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

S = A x B

Símbolo Expressão da função Tabela da verdade

A

B

S

+_A B S

Analogia da porta lógica AND com um circuito eléctrico:

Quando as duas entradas (A e B) são zero (interruptores desligados) a saída (S) também é zero (lâmpada apagada).

Quando uma só das entradas é 1 (um só interruptor ligado) a saída (S) é zero (lâmpada apagada).

Quando as duas entradas (A e B) são 1 (os dois interruptores ligados) a saída (S) também é 1 (lâmpada acesa),

CONCLUSÃO: Só temos o nível lógico 1 na saída quando todas as entradas forem 1 (neste caso, A e B)

A B S

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Símbolo Expressão da função Tabela da verdade

Porta lógica NAND (não e)

S = A x B

A

B

S

Negação

A porta lógica NAND é uma porta lógica AND com a saída negada.

Pode observar-se que os níveis lógicos da saída (S) da tabela da verdade NAND é a negação dos níveis lógicos da saída (S) da tabela da verdade AND.

Porta lógica OR (ou)

A B S

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

S = A + B

Símbolo Expressão da função Tabela da verdade

Analogia da porta lógica OR com um circuito eléctrico:

Quando as duas entradas (A e B) são zero (interruptores desligados) a saída (S) também é zero (lâmpada apagada).

Quando uma só das entradas é 1 (um só interruptor ligado) a saída (S) é um (lâmpada acesa).

Quando as duas entradas (A e B) são 1 (os dois interruptores ligados) a saída (S) também é 1 (lâmpada acesa),

CONCLUSÃO: Só temos o nível lógico 0 na saída quando todas as entradas forem 0.

A

B

S

+ _A

B

S

Porta lógica NOR (não ou)

A B S

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

Símbolo Expressão da função Tabela da verdade

S = A + B

A porta lógica NOR é uma porta lógica OR com a saída negada.

Pode observar-se que os níveis lógicos da saída (S) da tabela da verdade NOR é a negação dos níveis lógicos da saída (S) da tabela da verdade OR.

A

B

S

Negação

Porta lógica NOT (negação ou inversão)

A S

0 1

1 0

Símbolo Expressão da função Tabela da verdade

S = A A S

O nível lógico da saída (S) é a negação do nível lógico da entrada (A).

Porta lógica EXclusive OR(ou exclusivo)

A B S

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Símbolo Expressão da função Tabela da verdade

S = A B A

B

S

A saída é 1 se uma entrada é 1 ou a outra entrada é 1, mas não ambas.

De outro modo: o valor da saída (S) é 1 se as entradas (A ou B) são diferentes e 0 se são iguais.

Porta lógica EXclusive NOR(não ou exclusivo)

A B S

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 1

Símbolo Expressão da função Tabela de verdade

A

B

SS = A B

A porta lógica abreviadamente designada por EX-NOR é uma porta lógica EX-OR com a saída negada.

Pode observar-se que os níveis lógicos da saída (S) da tabela de verdade EX-NOR é a negação dos níveis lógicos da saída (S) da tabela de verdade EX-OR.

Negação

Circuitos integrados digitais

1 2 3 4 5 6 7

891011121314

Marca

Encapsulamento de Cis:

Famílias lógicasOs circuitos integrados digitais estão agrupados em famílias lógicas.

Famílias lógicas bipolares:

RTL – Resistor Transistor Logic – Lógica de transistor e resistência.DTL – Díode Transistor Logic – Lógica de transistor e diodo.TTL – Transistor Transistor Logic – Lógica transistor-transistor.HTL – High Threshold Logic – Lógica de transistor com alto limiar.ECL – Emitter Coupled Logic – Lógica de emissores ligados.I2L – Integrated-Injection Logic – Lógica de injeção integrada.

Famílias lógicas MOS (Metal – Óxido – Semicondutor)

CMOS – Complemantary MOS – MOS de pares complementares NMOS/PMOSNMOS – Utiliza só transistores MOS-FET canal N.PMOS – Utiliza só transistores MOS-FET canal P.

Atualmente as famílias lógicas TTL e CMOS são as mais usadas.

Séries das famíliasTTL e CMOS

A família TTL é principalmente reconhecida pelo fato de ter duas séries que começam pelos números 54 para os componentes de uso militar e 74 para os componentes de uso comercial.TTL 74L de Baixa PotênciaTTL 74H de Alta VelocidadeTTL 74S SchottkyTTL 74LS Schottky de Baixa Potência (LS-TTL)TTL 74AS Schottky Avançada (AS-TTL)TTL 74ALS- TTL Schottky Avançada de Baixa Potência

Séries CMOS:4000/14000 (foram as primeiras séries da família CMOS)74C (compatível, pino a pino e função por função, com os dispositivos TTL)74HC (CMOS de Alta Velocidade)74HCT (os dispositivos 74HCT - CMOS de Alta Velocidade - podem ser alimentados diretamente por saídas de dispositivos TTL)

Tensões dos níveis lógicosFamília Lógica TTL

Faixas de tensão correspondentes aos níveis lógicos de entrada:

- Entre 2 e 5 Volt, nível lógico 1- Entre 0,8V e 2V o componente não reconhece os níveis lógicos 0 e 1, devendo portanto, ser evitada em projetos de circuitos digitais.- Entre 0 e 0,8 Volt, nível lógico 0

Faixas de tensão correspondentes aos níveis lógicos de saída:

- Entre 2,4 e 5 Volt, nível lógico 1- Entre 0,3 e 0,5 Volt, nível lógico 0

Família Lógica CMOS

- Faixa de alimentação que se estende de 3V a 15V ou 18V, dependendo do modelo.- A família CMOS possui também uma determinada faixa de tensão para representar os níveis lógicos de entrada e de saída, porém estes valores dependem da tensão de alimentação e da temperatura ambiente.

Constituição das portas lógicas

Os componentes principais que constituem as portas lógicas são os transistores bipolares (família lógica TTL) ou os transistores de efeito de campo – FET – (família lógica CMOS).

Estes transistores comportam-se como interruptores eletrônicos que ou estão em condução (1) ou estão ao corte (0).

A figura apresenta um exemplo de um circuito elétrico (porta lógica que implementa a função AND), utilizando a tecnologia TTL.

Níveis de integração

Os níveis de integração referem-se ao número de portas lógicas que o CI contém.

SSI (Small Scale Integration) – Integração em pequena escala: São os CI com menos de 12 portas lógicas.

MSI (Medium Scale Integration) – Integração em média escala: Corresponde aos CI que têm entre 12 a 99 portas lógicas

LSI (Large Scale Integration) – Integração em grande escala: Corresponde aos CI que têm entre 100 a 9 999 portas lógicas.

VLSI (Very Large Scale Integration) – Integração em muito larga escala: Corresponde aos CI que têm entre 10 000 a 99 999 portas lógicas.

ULSI (Ultra Large Scale Integration) – Integração em escala ultra larga: Corresponde aos CI que têm 100 000 ou mais portas lógicas.