Uma apresentação da eletrônica digital, com circuito, teoria e aplicações.

Como o primeiro artigo da categoria eletrônica digital, achei interessante criar esse conteúdo mais geral, que apresenta alguns tópicos do assunto.

É uma apresentação do que se estuda, de aplicações e teoria na medida certa, apenas para começarmos a conversa.

Para alguns, eletrônica digital não é eletrônica de verdade, por trabalhar com conexões de blocos representados por circuitos integrados e programação. Para estas pessoas a eletrônica é o que está dentro dos CIs, a eletrônica analógica dos transistores, por exemplo.

Assim, diferente do que acontece em geral no estudo da analógica, na qual os antigos fundamentos ainda são utilizados, na eletrônica digital muita coisa mudou em poucos anos.

Mesmo assim, quando falamos no ensino em cursos técnicos e faculdades, os conceitos fundamentais da eletrônica digital ainda continuam sendo ensinados e aplicados nas aulas de laboratório.

Em muitos casos, por falta de condições de investimento por parte da instituição de ensino, as aulas práticas não possuem módulos de hardware para programação.

As práticas de laboratório envolvem utilizar os antigos circuitos integrados de portas lógicas, contadores, multiplexadores etc.

Quando o estudante entra no mercado de trabalho, pode encontrar dificuldades. Para contornar esta situação, o profissional deve buscar bons cursos que complementem sua formação, mas de acordo com sua atuação no mercado de trabalho.

Estas reflexões são bem úteis, não é mesmo?! Então compartilhe este conteúdo para ajudar outras pessoas a também refletirem sobre estas questões. Clique nos seguintes links: FacebookLinkedinTwitterGoogle Plus

Diferença entre eletrônica digital e analógica

blocos de eletrônica digital e analógica

A eletrônica digital utiliza sinais que só podem assumir valores discretos ou inteiros. A eletrônica analógica utiliza sinais que podem  ter qualquer valor entre dois limites.

As diferenças básicas entre as eletrônicas estão relacionadas, inicialmente, ao tipo de sinal e ao que elas podem fazer com estes sinais.

A divisão da eletrônica digital

Sistemas combinacionais

circuito combinacional eletrônica digital

Circuitos Combinacionais possuem como principal característica ter seus resultados de saída determinados pela combinação de valores de entrada naquele instante, ou na mesma linha da tabela verdade. Exemplos de circuitos combinacionais:

  • Decodificadores: apresentam uma linha do código de saída para cada linha do código de entrada;
  • Circuitos Aritméticos: apresentam um resultado na saída para cada grupo de operandos, isto é, para cada linha de uma tabela verdade.

Sistemas sequenciais

circuito sequencial na eletrônica digital

Para determinar o resultado da saída em certas combinações é necessário conhecer os resultados das saídas de etapas anteriores, além da combinação das entradas no instante em que se deseja obter a saída.

Em circuitos sequenciais pode-se reter o valor armazenado, isto é, memorizá-lo.

Alguns tópicos da eletrônica digital

Numeração binária

numeração binária na eletrônica digital

O sistema numérico utilizado em eletrônica digital é o sistema binário (apenas “0” e “1”). As regras que regem estes circuitos são muito mais simples.

É mais fácil diferenciar dois estados de elementos indicadores como uma lâmpada “acesa” ou “apagada”, uma campainha em silêncio ou tocando.

Por exemplo, se um conjunto de LEDs é utilizado como um código de erro em máquinas, a sequência exibida poderia ser 1010110. LEDs acesos são os “1”s.

Existem formas diferentes de usar o sistema binário em muitas aplicações envolvendo circuitos digitais, exemplos:

  • Sistema BCD (decimal codificado em binário): transforma cada dígito decimal de um número em um grupo de quatro dígitos binários (bits).
  • Código Gray.
  • Códigos de paridades de bits.
  • Código de excesso de 3.

Álgebra de Boole

Desenvolvida por George Boole, esta álgebra é uma série de postulados e operações simples para resolver muitos problemas. Sua maior importância só foi percebida com o surgimento da eletrônica.

Para Boole, só existiam duas condições possíveis ou estados para analisar qualquer situação. As variáveis lógicas só podem adquirir dois estados:

  • 0 ou 1
  • Verdadeiro ou falso
  • Aberto ou fechado
  • Alto ou Baixo

Existem porém, outras lógicas utilizadas em eletrônica digital, como a lógica Fuzzy, na qual admite-se um terceiro estado (pode ser, mais ou menos ou sei lá). É utilizada em dispositivos de controle, em robótica e em dispositivos com inteligência artificial.

Lógica combinacional

álgebra de Boole na eletrônica digital

Em eletrônica digital existem operações que podem ser implementadas usando a álgebra de Boole. A união de muitas operações simples leva a operações complexas, como as utilizadas em microprocessados.

Um bloco de operação básico na eletrônica digital é conhecido como porta lógica. Veja quais são estas funções básicas que servem de referência:

  • Função lógica NÃO (NOT – ou inversora): se a entrada for “sim” ou nível lógico “1”, a saída será “não” ou nível lógico “0”.
  • Função lógica E (AND): a saída será 1 se e somente se todas as variáveis de entrada forem 1.
  • Função lógica OU (OR): a saída estará no nível alto se uma ou mais das entradas estiverem no nível alto.
  • Função NÃO-E (NAND): é a negação da função E, isto é, o contrário do que ocorre na função E. A saída será 1 se todas as entradas forem 0.
  • Função NÃO-OU (NOR): a saída será 1 se e somente se todas as entradas forem 0.
  • Função OU-Exclusivo: a saída será 1 se e somente se as variáveis de entrada forem diferentes. Por isso o nome exclusivo, já que só uma das entradas será 1 – diferente da lógica OU, em que ambas entradas poderão ser 1, sem existir exclusividade.
  • Função NÃO-OU Exclusivo ou coincidência: é o inverso da anterior, isto é, a saída será 1 quando as entradas forem iguais.

Flip-Flops ou multivibradores biestaveis

São elementos de circuito que apresentam só dois estados estáveis: nível alto e nível baixo. As situações intermediárias são instáveis e só ocorrem em transições ou mudanças de estado. Podem ser utilizados para:

  • Armazenar bits de informação;
  • Fazer o sequenciamento de informações digitais;
  • Fazer a divisão de frequências de sinais digitais;
  • E outras funções.

Principais tipos de Flip-Flops:

  • R-S
  • R-S com clock e mestre-escravo
  • J-K Mestre-Escravo
  • Tipo D
  • Tipo T

Multivibradores astáveis e monoestáveis

Astáveis

É uma das configurações utilizadas para geração de sinais de clock (sinais retangulares). Não apresenta um ou dois estados estáveis, mas sim muda constantemente de estado.

A geração do sinal de clock é uma parte muito importante da eletrônica digital. Uma alteração na forma de onda do clock pode levar o circuito a não reconhecê-lo ou apresentar comportamento instável, o que afeta o seu funcionamento.

Monoestáveis

Como o nome indica, estes circuitos possuem apenas um estado instável. Assim que disparados, eles ficam no estado instável por um tempo determinado; depois deste tempo eles voltam automaticamente ao estado inicial estável.

Contadores

contador em eletrônica digital

Contadores podem ser criados aproveitando a importante função dos Flip-Flops de fazer a contagem do número de pulsos produzidos por um circuito.

Em eletrônica digital separa-se os circuitos lógicos sem qualquer sincronismo daqueles que usam algum sincronismo externo (usam um sinal de clock). Assim, existem circuitos com lógica simples e com lógica sincronizada.

A lógica sincronizada é utilizada na maioria dos aparelhos, porque o instante em que uma operação deve ser realizada é muito importante. Os circuitos devem ser habilitados no instante exato em que determinados níveis lógicos são aplicados na entrada.

Contadores assíncronos

O sinal de clock é aplicado só ao primeiro estágio. Os estágios seguintes são sincronizados pelos estágios anteriores. Cada estágio só inicia sua operação depois de terminada a operação do estágio anterior.

Contadores síncronos

Todos os estágios são sincronizados pelo mesmo clock. Os contadores são muitos mais rápidos, com a velocidade sendo independente do número de etapas.

Conversor Digital-Analógico

Esta é uma aplicação importante dos contadores: converter valores digitais (numero de pulsos) em uma saída analógica (tensão) correspondente.

Registradores de deslocamento

registrador de deslocamento deslocamento

Quando conectados de forma diferenciada, Flip-Flops (FF) podem formar os registradores de deslocamento. Estes registradores podem deslocar, a cada pulso de clock, uma informação (bit) aplicada na entrada de uma posição de um FF.

Exemplo: o bit 1 aplicado na entrada aparece na saída do primeiro FF no primeiro pulso de clock; depois o mesmo bit, no segundo ciclo de clock, aparece na saída do segundo FF.

Decodificadores

As informações utilizadas pelos circuitos digitais estão na forma binária ou em outras que não podem ser utilizadas por outros circuitos do aparelho.

Assim, decodificadores “pegam” um informação codificada e a transformam em uma informação que pode ser utilizada por dispositivos ou circuitos que não são digitais.

Multiplexadores (MUX)

multiplexador na eletrônica digital

Com muitas aplicações importantes em eletrônica digital, o MUX seleciona a informação de uma das entradas e aplica na saída o nível lógica desta entrada.

Programação em eletrônica digital e hardware

projeto com VHDL em eletrônica digital

A linguagem VHDL é utilizada em universidades para descrever circuitos de hardware. Assim, em vez de ficar trocando conexões de fios entre CIs para realizar novas funções, basta alterar o código em VHDL.

A linguagem VHDL permite:

  • Verificar o comportamento do sistema digital através de simulação;
  • Descrever o hardware em níveis de abstração, como em algoritmo, comportamental ou transferência entre registradores (RTL);
  • Simulação e síntese.

O programa MODELSIM é muito conhecido para escrita do código e simulação, com visualização das formas de onda dos sinais.

A imagem abaixo mostra um módulo:

hardware-vhdl

Como escrevi na introdução, ainda é comum em escolas técnicas e faculdades a prática de laboratório em que os alunos projetam circuitos em mapas de Karnaugh e montam circuitos na protoboard, com aquele amontado de fios.

Simulação de circuitos em eletrônica digital

eletrônica digital no programa proteus

Nos melhores programas de simulação de circuitos eletrônicos você pode simular também circuitos digitais, com portas lógicas, contadores e outros conceitos citados até aqui.

Na imagem acima eu mostro um exemplo de busca por porta lógica no programa Proteus 8. Eu desenhei as linhas laranjas para indicar onde clicar.

Para exibir a janela com componentes, clique no “P” com fundo azul. Dentro da janela, na parte superior, digite, por exemplo, a palavra “digital”. Eu selecionei a porta OR (OU).

Conclusão: a abordagem da eletrônica digital pode melhorar.

O assunto é extenso e você pode ver aqui uma breve apresentação de assuntos ensinados e utilizados em eletrônica digital.

A falta de recursos financeiros pode ser o principal obstáculo à adoção de de um ensino moderno de eletrônica em faculdades e até em cursos técnicos.

Na indústria de equipamentos de Automação Industrial, no início do desenvolvimento de um novo sistema digital, fabricantes gastam muitas horas na definição de características técnicas, demandas de usuários.

Com isso em mente, os alunos em geral poderão não estar preparados para atuar na indústria apenas com o que é ensinado nos cursos tradicionais.

A eletrônica digital é uma matéria muito legal, que pode ser facilmente vista até como um passatempo depois de ser dominada.