Circuitos Elétricos e Sistemas Digitaisjmfigueiredo/CESD...2019/12/03 · JF/CESDig 2018/2019 & Electronics Fundamentals Floyd & Buchla 2010 Pearson Education Circuitos Elétricos

JF/CESDig 2018/2019 & Electronics Fundamentals Floyd & Buchla 2010 Pearson Education

Circuitos Elétricos e Sistemas Digitais2018-2019 - 1.º Semestre

JF

1CESDig & CEletro 2019/20 Digital Fundamentals: A Systems Approach, T. L. Floyd © Pearson Higher Education, Inc. All Rights Reserved

Bibliografia:

1) Sistemas Digitais: Princípios, Análise e Projectos, Acácio Amaral, Edições Sílabo.

2) Digital Fundamentals - Global Edition, Floyd,11th Edition, Pearson Education, 2015.

3) Logic and Computer Design Fundamentals, Morris, Kime, 4th Edition, Pearson Education Limited.

4) Digital Fundamentals: A Systems Approach, Floyd, Pearson Education

5) Sistemas Digitais: Fundamentos e Aplicações, 9ª edição, Floyd, Bookman

Sistemas Digitais

29-11-2019


Sinais/Sistemas Digitais vs. Sinais/sistemas Analógicos

229-11-2019


Sistema analógico

329-11-2019


Sistemas digitais e sistemas analógicos

429-11-2019


Vantagens dos sinais digitais

“1”

“0”

“1”Os sistemas digitais são + imunes ao ruído analógico

5

Exemplo: sinal áudio

“0”

29-11-2019

JF/CESDig 2018/2019 & Electronics Fundamentals Floyd & Buchla 2010 Pearson Education 6

Conversão analógico digital e digital analógica


A mostragem transforma um sinal analógico num sinal em degrau/escada (sinal digitalizado). Sequências de códigos binários são usados para representar os valores da amostragens de um sinal analógico. Quanto maior for a taxa de amostragem, mais a onda digital se aproxima da onda analógica original.

Amostragem: Processo de leitura do sinal analógico para determinados intervalos de tempo discretos (período de amostragem). Quantização: processo que consiste em aproximar o valor real de um sinal a um conjunto de níveis. Como resultado do processo de amostragem e quantização obtém-se um sinal digital, cuja qualidade depende do número de conjuntos finitos (NIQ) e do período de amostragem (PA).Codificação: atribuição de um código a cada um dos níveis finitos correspondentes ao processo de quantização.

Amostragem, quantização e codificação de sinais analógicos

Se NIQ for elevado, um elevado número de bits será necessário para representar o sinal. Neste exemplo, são necessários 4 bits para representarem os 16 níveis de quantização.


Transferência de informação digital(via série e via paralelo)

Serial data transfer

Parallel data transfer

8


Eletrónica analógica vs eletrónica digital

Os circuitos/componentes analisados até aqui incluem-se na designação Electrónica Analógica.

Os circuitos/componentes que iremos estudar pertencem ao ramo da Electrónica Digital.

A grande diferença reside, essencialmente, no seguinte aspecto: enquanto na Electrónica Analógica assinais (quer de entrada, quer de saída) podem variar de um modo contínuo dentro de limites relativamentelargos.

Em Electrónica Digital os sinais (quer as entradas, quer as saídas) apenas podem pertencer a duasgamas de valores.

Em circuitos digitais, as tensões assumem um número limitado de valores. Os sistemas digitais maiscomuns empregam dois valores e são referidos como sistemas binários.

Circuitos digitais que operam com sinais de entrada binários e produzem sinais de saída também binários.

É costume designar esses dois intervalos de tensão por um e zero, símbolos 1 e 0, ou alto (high) e baixo(low), ou ainda por verdadeiro e falso.

Os circuitos digitais são aplicados, quase universalmente, em sistemas de comunicação, controlo,instrumentação, e, claro, em computação.

A complexidade de um circuito digital vai desde de um número pequeno de portas lógicas ou circuitoslógicos até computadores completos (um microprocessador) ou memórias de milhões de bits.

929-11-2019


Lógica Positiva

Em circuitos binários, dois valores distintos de tensão podem representar osdois valores das variáveis binárias. Contudo, em virtude das inevitáveistolerâncias dos componentes e efeito do ruído, que alteram por vezes os níveisde tensão, dois intervalos distintos de tensão são usualmente definidos.

Como mostra a figura abaixo, se o valor do sinal de tensão está compreendidono intervalo [VL1, VL2], o sinal é interpretado (pelo circuito digital) como um 0lógico.

Se, por outro lado, o sinal pertence ao intervalo [VH1, VH2], é interpretado como1 lógico. As duas regiões de tensão são separadas por uma região à qual nãoé suposto os sinais pertencerem.

Esta banda proibida representa a zona indefinida ou excluída.

Uma vez que as tensões correspondentes ao 1 lógico são superiores aquelasque representam o 0 lógico, diz que os sistemas assim implementados usamlógica positiva.

Claro que poderíamos inverter as definições e obteríamos sistemas de lógicanegativa.

VH2

VH1

VL2

VL1

região indefinida

1 lógico

0 lógico

Tensão

1029-11-2019


Famílias lógicas TTL e CMOS

Tecnologias mais comuns de portas lógicas são TTL e CMOS. A tecnologia BiCMOScombina as duas anteriores.

14 13 12 11 10 9 8

1 2 3 4 5 6 7

0.335 – 0.334 in.

0.228 – 0.244 in.

Lead no.1identifier

14 13 12 11 10 9 8

1 2 3 4 5 6 7

0.740 – 0.770 in.

0.250 ± 0.010 in.

Pin no.1identifiers

14

1

14

1

Encapsulamento DIP

Encapsulamento SOIC

Dual in-line package (DIP) Small Outline Integrated Circuit (SOIC)

11

Encapsulamento:

https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit

29-11-2019


Circuitos integrados

Plasticcase

Pins

Chip

Cutaway view of DIP (Dual-In-line Pins) chip:

The TTL series, available as DIPs are popular for laboratory experiments with logic.

1203-12-2019


Bit (for binary digit): 0 (tensão baixa, entre 0 V e 0.8 V) ou 1 (tensão alta, entre 2 V e 5 V)

HIGH(binary 1)

LOW (binary 0)

VH(max)

VH(min)

VL(max)

VL(min)

Unacceptable

Dígitos binários e níveis lógicosBinary Digits and Logic Levels

Uma palavra “binária”/código binário é formado

por uma sequência de zeros (0) e uns (1).

Exemplo:

em binário o número decimal 8 é representada

por 1000

1329-11-2019


Níveis de tensão para portas lógicas TTL

Aqui será usada a lógica positiva, e os vocábulos “alto” e “baixo” serão equivalentes a 1 e 0,respetivamente. O intervalo de valores de tensão correspondente ao valor lógico 1 é [0, 0.8] V.

O valor lógico 1 refere-se a tensões compreendidas entre 2 e 5 V. Tensões entre 0.8V e 2 V sãoproibidas, i.e., os circuitos não "sabem" como interpretá-las.

Nota: Quando se diz que uma tensão de entrada é zero, está-se a admitir que há umaligação à massa, e não uma entrada flutuante.

1429-11-2019


Formas de onda digitais: trem de pulsos

Uma onda pulsada é descrita pelo período T (ou frequência, f), pela amplitude (A), pela largura

do pulso tW (W: “width”; tempo, em cada período, durante o qual que o sinal “está ligado”) e

pelo “duty cycle” (razão entre tW to T).

“Duty cycle” é a razão entre tW to T, normalmente expressa em percentagem.

Volts

Time

Amplitude (A)

Largura do pulso (tW)

Period, T

1529-11-2019


“Duty cycle”

16


“Duty cycle”

17

Qual é o “duty cycle”?


Ondas pulsadas periódicas e não periódicas

18

Exemplo:

Um sinal de relógio

29-11-2019


Tempos de subida, de descida, amplitude, duração do pulso, e período.

Pulsos: definições

1929-11-2019


Formas de onda com pulsos de arcada ascendente/descente

Pulsos de arcada ascendente: passa de Baixo para ALTO e depois volta a BAIXO

Pulso de arcada descente: passa de ALTO para BAIXO e depois volta a ALTO.

2029-11-2019


Diagramas temporais ou de temporização Timing Diagrams

2129-11-2019


Geradores de funções arbitrárias

2229-11-2019


Osciloscópio digital

2329-11-2019


Analisador lógico

2429-11-2019


Analisador lógico

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Portas lógicas e combinação de portas lógicasLogic Gates and Gate Combinations

Circuitos Elétricos e Sistemas Digitais2018-2019 - 1.º Semestre

JF CESDig & CEletro 2019/20 Digital Fundamentals: A Systems Approach, T. L. Floyd © Pearson Higher Education, Inc. All Rights Reserved 29-11-2019


A saída é ALTA se as entradas estiveram todasALTAS

A saída é ALTA se pelo menos uma entrada estiver ALTA

NEGA a entrada, isto é, a saída produz o inverso da entrada.

Funções lógicas básicas

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Inversor – operação negaçãoThe NOT Operation

O circuito que executa a função/operação NÃO chama-se inversor.

2829-11-2019


Exemplo de aplicação do inversor (NÃO)

Formas de onda

A

X

A X

Transformação de zeros em uns e de uns em zeros

1 0 0 0 1 1 0 1

0 1 1 1 0 0 1 0

2929-11-2019


Inversor ou porta NãoThe Inverter

Realiza a operação booleana NÃO

A X

Input

A X

Output

LOW (0) HIGH (1)HIGH (1) LOW (0)

A operação NÃO (também conhecida como complemento) é representada pelo símbolo que representa a entrada com uma barra ligeiramente acima desse símbolo.

A expressão booleana para o NÃO é: X = .

Função Não ou Inversora

Implementação simples:

um interruptor e uma resistência em

série com a saída aos terminais do

interruptor. Implementação mais

prática/realista: usa transístores.

A VZ

Z

0 5 1

1 0 1

A

VCC(=5 V)

R

Z

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Exemplos de implementação prática de portas NÃO

31

Transístor bipolar npn

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74ls04.pdf


Função E / ANDThe AND operation

A operação E é executada por circuitos chamados portas E / AND.

3229-11-2019


Formas de onda:

A

X

B

Porta EThe AND Gate

33

Símbolo norma ANSI Símbolo norma CEI

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Porta EThe AND Gate

X = A·B ou X = AB.

Inputs

A B X

Output

0 00 11 01 1

00 01

Função E com dois

interruptores em série

A B

R=5 kΩ

VCC=5 V

D1

D2

A

B

Z

Função E implementada

com díodos

Z

34

Tabela de verdade

Símbolo norma ANSI

ANSI: American National Standards Institute

CEI: Comissão Eletrotécnica Internacional

Símbolo norma CEI

29-11-2019


Exemplos de implementação prática de portas E / AND

35

Transístor bipolar npn



Função OUThe OR operation

A operação OU é executada por circuitos chamados portas OU / OR.

3629-11-2019


Porta OUThe OR Gate

Formas de onda:

A

X

B

37


29-11-2019


X = A + B.

Inputs

A B X

Output

0 00 11 01 1

01 11

Porta OUThe OR Gate

A

ZB

R=1 kΩ

D1

D2

A

BZ

38

Tabela de verdade Função OU com dois

interruptores em paralelo

Função OU implementada

com díodos


29-11-2019


Exemplos de implementação prática de portas OU / OR

39



Porta Não-EThe NAND Gate

Inputs

A B X

Output

0 00 11 01 1

11 10

A

B

X A

B

X&

X = A·B ou X = AB

40


29-11-2019


Porta NÃO-E

Sinais digitais:

A

X

A porta NÃO-E é uma porta “universal”.

B

Exemplo: porta NÃO

A

B

X A

BX&

41

NEGAÇÃO

NEGAÇÃO


29-11-2019


Inputs

A B X

Output

0 00 11 01 1

10 00

A

B

X A

B

X≥1

X = A + B.

Porta Não-OuThe NOR Gate

42


29-11-2019


Porta NÃO-OUThe NOR Gate

Sinais digitais:

A

X

B

No circuito ao lado, quando é que o LED emite luz?

O LED “liga” se pelo menos uma das quatro entradas estiver ALTA.

A

CB

D

X

330 Ω

+5.0 V

AB

X AB

X≥1

4329-11-2019


Porta OU-ExclusivoThe XOR Gate

Inputs

A B X

Output

0 00 11 01 1

01 10

AB

X AB

X= 1

X = AB + AB ou X = A + B.

44

Tabela de verdade da porta OU-Exclusivo com duas entradas


29-11-2019


Porta OU-Exclusivo (XOR)The XOR Gate

Sinais digitais

A

X

B

Se invertermos as formas de onda acima para as entradas A e B, como é que a saída será afetada?

A saída não se altera.

AB

X AB

X= 1

4529-11-2019


Lógica OU-Exclusivo (XOR)

Expressão Booleana

X = AB + AB

4629-11-2019


Porta Não-OU-Exclusivo The XNOR Gate

Inputs

A B X

Output

0 00 11 01 1

10 01

AB

X AB

X

X = AB + AB ou X = A . B.

= 1

4729-11-2019


Porta NÃO-OU-ExclusivoThe XNOR Gate

Sinais digitais

A

X

B

AB

X AB

X= 1

48

Se invertermos as formas de onda acima para as entradas A e B, como é que a saída será afetada?

A saída será invertida.

29-11-2019


Lógica Não-XORExclusive-NOR (XNOR) Logic

Expressão Booleana

X = AB + AB

4929-11-2019


Função/operação IdentidadePorta “Seguidor” ou “buffer”

“Buffer” operation

5003-12-2019

03-12-2019

Os buffers são usados para permitirem aos circuitos comunicarem entre si, isolando a entradas de um circuito das saídas de outro circuito.


Exemplo de aplicação da operação Identidade/”buffer”

Formas de onda

A

X

Não altera o valor lógico (serve como “tampão” ou ”buffer” entre diferentes partes de circuito)

1 0 0 0 1 1 0 1

5103-12-2019

A X

1 0 0 0 1 1 0 1


Porta “Seguidor” ou “buffer”

52

Porta “Seguidor” ou “buffer” de “três estados”

03-12-2019


Exemplos de circuitos integrados TTL

53

Electronic_component_ttl Czechoslovak MH74S00, Texas Instruments SN74S251N (Portugal), East German DL004D (74LS04), Soviet K155LA13 (7438)

03-12-2019

https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=7400-series_integrated_circuits&oldid=0


Circuitos integrados com funções lógicas pré-definidas

5403-12-2019

Circuitos digitais da família TTL


Exemplo 74XX00

Os símbolos lógicos mostram as porta e os pinos associados.

VCC

(13) (11)(12)(10)(9)(5)(4)(2)(1)

(6)

(3)

(8)

(1)(3)

(2)

(4)(6)

(5)

(9)(8)

(10)

(12)(11)

(13)

(14)

(7)GND

&

5503-12-2019


Folha de dados do componente 74XX00

As folhas de especificações (“Data sheet”) incluem os limites e as condições de operação definidas pelo fabricante, bem como as características dc e ac.

O exemplo abaixo foi extraído da folga de especificações do 74HC00A:

Parameter Value UnitSymbolDC Supply Voltage (Referenced to GND) – 0.5 to + 7.0 V VVCCDC Input Voltage (Referenced to GND) –

–0.5 to V +0.5 V VCC0.5 to V +0.5 V VCC

V inDC Output Voltage (Referenced to GND)VoutDC Input Current, per pin ± 20 mAI in

DC Output Current, per pin ± 25 mAIoutDC Supply Current, V and GND pinsCC ± 50 mAICCPower Dissipation in Still Air, Plastic or Ceramic DIP † 750

500450

mWPDSOIC Package †

TSSOP Package †Storage Temperature °CTstg –65 to + 150Lead Temperature, 1 mm from Case for 10 Seconds °CTL

260300

Plastic DIP, SOIC, or TSSOP Package Ceramic DIP

MAXIMUM RATINGS

5603-12-2019


Níveis de tensão e de corrente na tecnologia TTL

TTL - Transistor-Transistor Logic - Uma das famílias de circuitos digitais

5703-12-2019


Níveis de tensão na família TTL e margens de ruído

5803-12-2019

Tensões de entrada e de saída, margens de ruido


Exercício

Para cada circuito, determinar se o LED está “ligado” ou desligado”

+5.0 V

+5.0 V

330 ΩLED

B

A

+5.0 V

+5.0 V

330 ΩLED

B

A

+5.0 V

+5.0 V

330 ΩLED

B

A

(a) (b) (c)

Circuito (a): XOR, ambas as entradas estão ALTAS, saída está BAIXA, o LED está ligado.

Circuito (b): XNOR, entradas opostas, saída está BAIXA, o LED está ligado.

Circuito (c): XOR, entradas opostas, saída está ALTA, o LED está desligado.

5903-12-2019


Computador implementado com portas lógicas TTL 74XXX

60

A 4-bit, 2 register, six-instruction computer made entirely of 74-series chips

03-12-2019



O primeiro transístor e os primeiros circuitos integrados

61

1.º Transístor 1947 1.º circuito integrado 1958 Portas NAND

Die of a 74AHC00D quad 2-input NAND gate manufactured byNXP Semiconductors, anos 70

1.º Processador: Intel 4004 - 1971 - 4 bits - Clock de 0.5 - 0.75 MHz - 2300 transístores (10 µm – 10000 nm) core4004

Intel_C1103 8 µm p-MOS DRAM 1 kilobit

03-12-2019



Computação: evolução do desempenho e a demanda por sistemas mais rápidos, mas com menor consumo de energia

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ibm-ramac-305 (1956)

hard-drive-capacities-exponentialTransistor-size-timeline supercomputer-future-trendshttps://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count https://futuretimeline.net/subject/computers-internet.htm

03-12-2019


“Fim” da “lei” de Moore

63

Em1965 Gordon E. Moore fez a profecia, segundo a qual o número de transístores dos chips teria um aumento de 100%, pelo mesmo custo, a cada período de 18 meses. Essa profecia tornou-se realidade e acabou ganhando o nome de Lei de Moore. Lei de Moore pode estar chegando ao fim: Com o aumento da velocidade, aumenta também o consumo de energia e a dissipação de energia térmica, o que poderá, se não for eficiente, levar à alteração indesejável do funcionamento dos circuitos, impossibilitando a implementação de processadores mais rápidos. Empresas como a Intel, a IBM, a APPLE, e.g., têm investido muito em tecnologias disruptivas como a

Computação Quântica e a Engenharia Neuromórfica.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Lei_de_Moore#Fim_da_Lei_de_Moore

https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor_count

03-12-2019


Principais tecnologias disruptivas em investigação

64

• Computação neuromórfica

• Computação quântica

• ....

https://articles2.marketrealist.com/2017/10/intel-sees-future-neuromorphic-chips-quantum-computing/

03-12-2019

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