Descrição dos principais componentes que compõem um sistema

Sistemas Digitais I
Professora: Lane Maria Rabelo Baccarini
Material de MARGRIT RENI KRUG, extraído do site:
http://www.inf.unisinos.br/~cbi/circdgt.htmlhttp://www.inf.unisinos.br/~cbi/circdgt.html
Descrição dos principais componentes que
compõem um sistema eletrônico
Sistemas Digitais - Introdução
O estudo de sistemas digitais torna-se muito importante devido ao fato de que todas as novas tecnologias estão
relacionadas à eletrônica, entre elas computadores e seus periféricos. Este estudo torna-se muito importante,
pois cada vez mais a humanidade está dependente dos componentes eletrônicos, sejam eles analógicos ou
digitais.
Um sistema eletrônico é resultado da interação entre resistores, capacitores, diodos, transistores, os quais
objetivam a execução de uma determinada tarefa.
Como exemplo de um componente analógico tem-se: amplificadores de som, receptores de rádio, microfones,
entre outros. Esse tipo de componente possui um sinal analógico, que se caracteriza por apresentar uma forma
de onda que possui variação contínua ao longo do tempo, o que pode ser observado com o osciloscópio, onde
existem variações relativamente rápidas, mas de forma contínua, ou seja, sem saltos bruscos.
O que diferencia o sinal digital do analógico é a forma com que a onda gerada varia. No sinal digital a variação
se dá por saltos descontínuos. O nível de tensão é de apenas dois valores, um muito próximo do 0 Volts e outro
de 5 Volts. Esses valores são representados respectivamente por 0 e 1, ou seja, possui dois estados: ligado ou
desligado. Desta forma, forma-se uma onda quadrada, na qual tem-se a subida em 1 e a descida em zero. Por
esta razão, pode-se dizer que os circuitos digitais operam com base no processo de tomada de decisões
lógicas, onde assume-se que um dos valores é verdadeiro e o outro falso. A figura 1 exemplifica a forma de
onda de um sinal digital e de um sinal analógico.
Figura 1 - Diferença na forma da onda, de um sinal digital e de um sinal analógico
A tendência é utilizar cada vez mais circuitos digitais, também conhecidos por circuitos lógicos, devido a
apresentarem as seguintes características:
•
•
•
apenas dois valores possíveis para seu estado, verdadeiro ou falso;
simplicidade e larga tolerância dos componentes dos circuitos integrados, principalmente
resistências e transistores necessários para as operações lógicas;
facilidade e versatilidade de interligação.
Um circuito integrado, também conhecido por chip, é um invólucro com vários componentes interligados, ou
seja, é um conjunto de componentes interligados em um único elemento, os quais possuem uma dimensão
reduzida. Entre os componentes que compõem o circuito integrado tem-se: transistores, resistores, entre outros
elementos eletrônicos. Este invólucro é chamado de encapsulamento, o qual fica, geralmente, sobre uma
pastilha de cristal de silício chamada de circuito impresso, figura 2.
Figura 2 -Exemplo de um chip
O encapsulamento refere-se a um conjunto de elementos que se encontram em um ambiente comum, como se
fosse uma embalagem com vários objetos dentro.
Figura 3 - Itens encapsulados
Um circuito integrado fornece a possibilidade de ter, em um único processo de fabricação, a montagem de
muitos componentes interligados. E a interligação de componentes de uma família possibilita o projeto de
circuitos digitais.
Os circuitos integrados estão divididos em duas classes: os circuitos bipolares e os MOS [LOU 96]. A diferença
entre eles está relacionada ao tipo de transistor utilizado na sua composição. A fabricação de um circuito
integrado do tipo bipolar utiliza transistores bipolares e os MOS, transistores MOS (Metal-Oxide-Semiconductor).
Os circuitos MOS são mais simples, pois possuem maior densidade e baixa potência de consumo. Por isso são
os mais utilizados na fabricação de circuitos comerciais, apesar de resultarem em circuitos mais lentos se
comparados com os bipolares. Por ser mais lento resulta em um atraso de propagação (delay).
O circuito integrado pode ser soldado diretamente na placa de circuito impresso (figura 4), ou fixado em um
soquete, o qual é o mais aconselhado, pelo fato do circuito integrado poder ser utilizado novamente e, também,
por não correr o risco de ser danificado pelo calor da solda.
Figura 4 - Exemplo de um circuito integrado em um circuito impresso
As entradas e saídas nos sistemas digitais são representadas por sinais que correspondem a grandezas físicas
elétricas, principalmente tensão [MEL 93].
A utilização de dois níveis de tensão, 0 e 5 Volts, faz com que se trabalhe com uma grande imunidade ao ruído.
Por ruído entende-se qualquer interferência externa que ocasiona na alteração da corrente, ou seja, ele interfere
de tal maneira que altera a forma da saída do sinal. Além destas características, tem-se as seguintes
vantagens, que tornam a eletrônica digital cada vez mais utilizada na confecção de componentes eletrônicos:
•
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•
•
•
é mais fácil construir um sistema que trabalha apenas com dois valores, se este for comparado
a um sistema que trabalha com dez valores diferentes, pois se o mesmo fosse utilizar
algarismos de 0 a 9 teria de dispor de 10 níveis de tensão, enquanto na base 2 pode-se
manipular apenas com a presença ou a ausência de tensão;
possibilita um estabelecimento prévio de precisão;
elimina a possibilidade de erros por confusão de escalas;
são velozes;
permite a detecção e eliminação de erros de transmissão ou recepção e,
Por definição circuitos digitais, ou circuitos lógicos são combinações de portas lógicas interligadas [SAR 95]. As
portas lógicas, por sua vez, podem compor módulos, e estes constituir outros módulos, sucessivamente até
chegar ao circuito lógico final.
Esquematicamente, a representação de um circuito digital pode ser feita como um bloco com entradas e saídas,
onde os valores das saídas dependem de processos executados sobre os valores das entradas, no caso de
circuitos combinacionais, conforme representado na figura 5.
Figura .5 - Representação esquemática de um circuito digital
Os circuitos lógicos são divididos em duas classes: combinatórios e seqüenciais [SAR 95].
Os circuitos combinatórios são aqueles cujos valores das saídas, num certo instante, dependem apenas dos
valores atuais das entradas. Enquanto os circuitos seqüenciais dependem tanto do valor das entradas quanto de
valores passados das entradas, como se o circuito tivesse uma memória interna para guardar estes valores.
Osciloscópio
O osciloscópio é uma aparelho utilizado para observar as ondas feitas por oscilações de um sinal de alta ou
baixa freqüência . Este instrumento produz gráficos para demonstrar as alterações elétricas em um determinado
intervalo de tempo.
Os fabricantes de componentes eletrônicos fornecem manuais que detalham o funcionamento de seus produtos
e através das tabelas contidas neste material é que se pode verificar se uma determinada placa está
funcionando adequadamente, após injetar os valores especificados pelo fabricante, nas entradas.
Resistor
A função de um resistor é diminuir a intensidade da corrente elétrica em um circuito ou reduzir a tensão a um
valor adequado. Os resistores fazem parte de um conjunto de componentes denominados "passivos" [LOU 96],
pelo motivo de não amplificarem e nem gerarem sinais. Na figura 6 tem-se a representação física de um
resistor.
A quantidade de resistência que um resistor oferece à corrente elétrica é medida em Ohms (W ) e pode variar
de 0,1 até 22 000 000 Ohms [LOU 96].
Figura 6 - Representação física de um resistor
Diodo
Os diodos fazem parte de um grupo de componentes denominados "ativos" [LOU 96], nos quais se encontram
os materiais semicondutores. Esses materiais possuem a capacidade de conduzir corrente elétrica com uma
certa facilidade. Os principais materiais semicondutores são: germânio, silício, selênio e gálio, porém os dois
primeiros são os mais utilizados.
O diodo de germânio é utilizado quando tem-se correntes muito fracas, por esta razão é utilizado na detecção de
sinais de rádio. O germânio é um elemento químico, que se caracteriza por não se dissolver no ácido e seus
sais se decomporem na água.
Os diodos de silício, conhecidos como de uso geral, são fabricados para trabalhar com corrente baixa. São
usados em circuitos lógicos.
Na figura 7 tem-se a classificação dos materiais condutores, semicondutores e isolantes.
Figura 7- Classificação dos materiais quanto a condutividade elétrica
O símbolo utilizado para representar um diodo, em um circuito é o de uma seta apontando para o lado em que
ocorre a condução da corrente, como pode ser observado na figura 8.
Figura 8 - Símbolo utilizado para representar um diodo
Ânodo é o polo positivo de um dispositivo emissor de energia, por exemplo uma bateria. E o cátodo é o polo
negativo deste emissor.
Diodo Emissor de Luz (led)
O diodo emissor de luz, conhecido como led, é produzido com um material semicondutor especial. Difere dos
diodos de silício e de germânio. Os leds quando polarizados corretamente emitem luz, por isso são utilizados na
execução de testes em circuitos eletrônicos. Quando a luz é emitida significa que o circuito está funcionando
adequadamente.
A aparência de um led se aproxima muito com a de uma lâmpada. O que os diferencia é a forma como a
corrente circula. Em uma lâmpada comum a corrente circula sobre um filamento de metal, que se incendeia e
fica encandescente enquanto que, nos leds, a corrente circula em qualquer sentido.
Display
Os displays são utilizados para visualizar uma informação digital, também serve de apoio aos testes de circuitos,
como os leds. Eles são construídos com cristais líquidos, formados por diodos luminescentes ou compostos por
leds. Seu aspecto pode ser visto no visor de uma calculadora eletrônica.
Cada segmento, no caso de displays compostos por leds, é um led que acende com uma tensão mínima,
normalmente de 1,6 volts, e precisa ter um resistor limitador de corrente. Sem o resistor a corrente não tem
limite e pode queimar tanto o led como o integrado, que lhe fornece os estímulos.
Para formar o número ou letra, necessita-se de sete segmentos, como pode ser observado na figura 9, estes
segmentos podem ser de dois tipos: ânodo comum ou cátodo comum [LOU 96].
Figura 9 - Display com 7 segmentos
Transistor
O transistor, assim como o diodo é um dispositivo semicondutor, porém mais complexo. Tem como funções
amplificar e produzir sinais, controlar diversos dispositivos como chave eletrônica, entre outros,. Os transistores
possuem uma larga utilização nos projetos eletrônicos.
A palavra transistor vem de "transference resistor" um dispositivo idealizado por Bardeen, Brattain e Shockely
nos Estados Unidos, nos laboratórios da Bell Thelephone, em junho de 1948.
A capacidade do transistor de amplificar sinais elétricos permitiu que em pouco tempo este dispositivo, muito
menor e consumindo muito menos energia, viesse a substituir as antigas válvulas, nas maiorias das aplicações
eletrônicas.
A estrutura de um transistor é composta por três regiões, semicondutoras, chamadas: emissor, base e coletor.
Por esta razão possui as três pernas, como pode ser observado na figura 10.
Figura 10 - Exemplo de transistores
Quando não flui corrente pela base do transistor diz-se que ele está no CORTE, porém quando existe corrente
no seu coletor, ou seja carga para que funcione, diz-se que ele está no estado de SATURAÇÃO.
A aplicação mais comum para um transistor é de chave, a qual liga ou desliga uma carga que está vinculada ao
seu coletor.
Clock
O clock mede cuidadosamente o tempo e transmite sinais, o qual possui a função de manter o ritmo de uma
operação. Como analogia, pode-se dizer que o clock trabalha como a marcha de um grupo de soldados, de
forma sincronizada, sem sair do compasso, conforme figura 11.
Figura 11 - Marcha de soldados e sua correspondência com um clock
O sinal de clock, também conhecido como "onda quadrada" apresenta borda ascendente, quando está subindo
e borda descendente, quando está descendo, respectivamente com os valores 1 e 0.
Quanto maior a freqüência do sinal, mais rápido será processada a informação digital, como a marcha dos
soldados. Quanto mais rápido marcharem, mais depressa chegarão ao seu destino, mas sempre mantendo o
mesmo compasso.
Capacitor
Os capacitores são componentes eletrônicos passivos, formados por um conjunto de placas de metal e entre
elas existe um material isolante. O material isolante é que dá nome ao capacitor, por exemplo, se o material
utilizado for a mica, o capacitor será chamado de capacitor de mica.
Este elemento possui a capacidade de armazenar cargas elétricas, a qual chama-se capacitância. Além da
capacitância ele isola a tensão.
Sistema de Numeração
A palavra digital é originária do latim: dígitos, que significa dedos, já que os principais sistemas de numeração se
baseiam totalmente nos dedos das mãos humanas. Desde muito cedo os homens utilizavam os dedos como
referência para contar objetos.
Os romanos desenvolveram seu sistema de numeração, os números romanos, também baseados nos dedos
das mãos humanas, através de uma combinação de dedos e uma simbologia própria para representar os
números.
O sistema binário representa a ausência ou a presença de algo, utilizando para isso os valores 0 e 1,
respectivamente. Estes caracteres recebem o nome de BIT, que corresponde a BInary digiT (digito binário).
A representação de qualquer número pode ser feita pelo sistema de numeração binária, simplesmente por uma
decomposição em fatores múltiplos de 2.
Os circuitos digitais processam informações representadas no sistema binário, por esta razão são mais simples,
se comparados com os circuitos analógicos, pois realizam com maior rapidez as operações lógicas e aritméticas
e fornecem resultados com maior resolução e precisão. Por precisão deve-se entender a proximidade do valor
real e por resolução a quantidade de caracteres utilizados para esta representação.
Portas Lógicas
1. Introdução
Constituem os módulos básicos dos circuitos digitais e têm como objetivo a implementação de funções lógicas,
que são operações da álgebra booleana, aplicadas a uma ou mais variáveis lógicas [SAR 95].
As portas lógicas são resultados da aplicação de energia de 5 Volts sobre um metal que se dilata o suficiente
para fazer o contato com a outra extremidade. Esta mudança de estado físico leva um determinado tempo, o
qual é chamado de atraso de propagação, ou seja, é o tempo que o metal leva para voltar ao seu estado natural.
As portas lógicas são realizações físicas das operações lógicas AND, OR, XOR e NOT da álgebra booleana,
implementadas por circuitos eletrônicos, ou seja, uma porta lógica é um circuito eletrônico com a função de
produzir um sinal a partir de valores da entrada.
2. Porta Lógica AND (E)
O circuito que executa a função básica AND pode possuir várias entradas e os resultados (saídas) será a
resposta da operação AND entre as entradas. Observando as seguintes regras[SHI 86]:
•
•
uma função AND assume valor 1 se, e somente se, todas as variáveis lógicas de entrada
também tiverem o valor 1 e,
a saída será 0 para qualquer outra combinação de valores de entrada.
Conclui-se que a saída será verdadeira (1) somente se todas as variáveis de entrada também forem
verdadeiras. Nesta função para se realizar um evento é necessário que todas as entradas sejam verdadeiras.
Um exemplo prático da utilização de portas lógicas AND seria a de um acionamento de alarme de uma casa ou
automóvel, que só dispara quando está armado e quando uma janela ou porta for aberta.
Situação 1:
Chave do alarme desligada
Porta ou janela fechada
Resultado: alarme não toca
Situação 2:
Chave do alarme desligada
Porta ou janela aberta
Resultado: alarme não toca
Situação 3:
Chave do alarme ligada
Porta ou janela fechada
Resultado: alarme não toca
Situação 4:
Chave do alarme ligada
Porta ou janela aberta
Resultado: alarme toca
A simbologia utilizada para representar uma porta lógica AND está representada na figura 12, também podendo
ser representada pela função lógica utilizando o símbolo da multiplicação (.), em expressões algébricas.
Figura 12 - Formas de representar a porta lógica AND
3. Porta Lógica OR (OU)
O circuito que realiza a operação OR, pode ter várias entradas e o valor da saída será o resultado da operação
OR entre os valores das entradas.
A função OR assume o valor 1, em sua saída, se pelo menos uma de suas variáveis de entrada possuir valor 1,
ou seja, nesta função tem-se uma saída verdadeira se pelo menos uma entrada for verdadeira.
Como analogia vamos utilizar o exemplo da luz interna de um automóvel que acende se uma das portas
dianteiras é aberta, pelo menos na maioria dos modelos de automóveis é assim. Chamando de porta direita a
chave A do exemplo acima e a porta esquerda de chave B, tem-se:
Situação 1:
Porta esquerda aberta
Porta direita fechada
Resultado: luz acende
Situação 2:
Porta esquerda fechada
Porta direita aberta
Resultado: luz acende
Situação 3:
Porta esquerda aberta
Porta direita aberta
Resultado: luz acende
Situação 4:
Porta esquerda fechada
Porta direita fechada
Resultado: luz apagada.
O símbolo utilizado para representar a função lógica OR nas expressões booleanas é o sinal + (soma) e sua
representação gráfica está reperesentado na figura 13.
Figura 13 - Formas de representação da porta lógica OR
4. Porta Lógica NOT (NÃO)
Também conhecida como porta inversora, a porta not realiza a operação de negação. Executa a função lógica
de converter o valor de uma função ou variável em seu complemento, valor inverso.
Várias notações são utilizadas para representar esta operação entre elas: acrescentando um asterisco (*) antes
da variável ou um apóstrofo (‘) a ela, ou a notação mais comum de uma barra sobre a função ou variável.
5. Porta Lógica NAND
A porta lógica NAND (NOT AND) é um circuito que executa o inverso da função AND, então a saída só será 1
se pelo menos uma das variáveis de entrada assumir o valor 0.
O circuito NOR (NOT OR) é como o nome indica a inversão da porta OR. Onde o OR resulta em 1 o NOR
resulta em uma saída 0 e vice-versa.
6. Porta Lógica XOR
O circuito que realiza a operação XOR (OU-EXCLUSIVO) pode ter várias entradas e o valor da saída é o
resultado da operação XOR entre os valores das entradas. Pode-se dizer que a saída da porta XOR será igual a
1 apenas quando houver um número ímpar de entradas iguais a 1. Esta porta geralmente é utilizada para fazer
comparações [SHI 86].
7. Fan-out
O fan-out é um parâmetro que indica o número máximo de entradas que as portas lógicas podem assumir [LOU
96], sem provocar uma mudança no nível lógico da saída, ou seja, é a cargabilidade das entradas. É a medida
em quantidade de entradas que podem ser conectadas a uma porta lógica.
8. Famílias Lógicas
As famílias lógicas surgiram com o objetivo de aumentar a velocidade e diminuir o consumo dos dispositivos
lógicos. As principais famílias existentes no mercado são: RTL, DTL, TTL, ECL e CMOS [SAR 95].
A família RTL, significa lógica-resistência-transistor, foi a primeira a ser produzida em escala comercial. Tem
como porta lógica básica a porta NOR.
O DTL, lógica-diodo-transistor, surgiu para suprir as falhas da família RTL. É muito utilizada, apesar de ser uma
tecnologia bastante antiga. É o resultado de uma combinação lógica de diodos e transistores. A saída tem a
característica de não variar com a carga. Esta família apresenta como dispositivo comum a porta lógica NAND.
O lógica-transistor-transistor, TTL, é uma família que se caracteriza por exigir uma tensão de 5 Volts. É uma das
famílias lógicas mais usada pelos fabricantes de circuitos integrados, pois possui uma divisão em "sub-famílias",
as quais se diferenciam pela velocidade e consumo de corrente elétrica. A porta lógica básica desta família é a
porta NAND, como na família DTL, por esta razão elas são totalmente compatíveis. Os transistores empregados
nos circuitos TTL são do tipo multi-emissor. Cada emissor funciona como um diodo, o qual proporciona um
isolamento da entrada.
As sub-famílias TTL são: TTL padrão, TTL de baixa potência, TTL de alta velocidade, TTL Schottky e TTL
Schottky de baixa potência. O que as diferencia é velocidade de operação e o consumo de energia.
As entradas da família lógica TTL são chamadas LO e HI. A entrada LO varia de 0 a 0,8 Volts, correspondendo
ao nível lógico 0 e HI tem seus valores entre 2,4 Volts e 5 Voltas, sendo representado por 1.
A família ECL, lógica de emissor acoplado, caracteriza-se por apresentar uma alta velocidade de operação, pois
seus transistores nunca trabalham em estado de saturação, por isso são utilizados em computadores de grande
porte e em satélites.
Finalmente, a família lógica CMOS, lógica metal-óxido-semicondutor-complementar, foi desenvolvido para ser
uma alternativa de baixo consumo para a família TTL, porém possui, geralmente, velocidade menor. Estes
dispositivos apresentam certas restrições, ou deve se tomar alguns cuidados no seu manuseio, principalmente
em dias úmidos. Os chips, originados desta tecnologia, também apresentam sensibilidade à cargas
eletrostáticas e ao ruído. Estes podem modificar os níveis lógicos das entradas, mas apesar disso possuem
uma imunidade ao ruído muito maior do que nos circuitos TTL.