Eletrônica digital – fundamentos e aplicações!
Ao se aprofundar nos estudos sobre a eletrônica, provavelmente você irá se deparar com o termo sistemas digitais e códigos binários. Pensando nisso, fizemos esse artigo completo sobre os principais fundamentos da eletrônica digital. Então, vamos lá pessoal!
O que é sistema analógico e digital?
Os circuitos eletrônicos podem ser divididos em duas grandes categorias, digitais e analógicos. A eletrônica digital envolve grandezas com valores discretos e a eletrônica analógica envolve grandezas com valores contínuos.
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Uma grandeza analógica é aquela que apresenta valores contínuos. Uma grandeza digital é aquela que apresenta valores discretos.
Um sistema de amplificação de som que pode ser ouvido por uma grande quantidade de pessoas, é um exemplo simples de uma aplicação da eletrônica analógica. Já o aparelho de CD (compact disk) é um exemplo de um sistema no qual são usados tanto circuitos digitais quanto analógicos.
Em aplicações eletrônicas, a representação digital tem certas vantagens sobre a representação analógica! Isso acontece, pois os dados digitais podem ser processados e transmitidos de forma mais eficiente e confiável do que dados analógicos.
Além disso, os dados digitais possuem uma grande vantagem quando é necessário armazenamento (memorização). Entretanto, a maioria daquilo que se pode medir quantitativamente na natureza se encontra na forma analógica por isso, muitos sistemas digitais utilizam conversores.
Eletrônica digital
A eletrônica digital envolve circuitos e sistemas nos quais existem apenas dois estados possíveis. Esses estados são representados por dois níveis de tensão diferentes: um ALTO e um BAIXO. Os dois estados também podem ser representados por níveis de corrente ou bits.
Em sistemas digitais tais como computadores, as combinações de dois estados, denominadas códigos, são usadas para representar números, símbolos, caracteres alfabéticos e outros tipos de informações.
O sistema de numeração de dois estados é denominado de binário e os seus dois dígitos são 0 e 1.
Dígitos binários
Cada um dos dois dígitos de um sistema binário (1 e 0), é denominado bit, que é uma contração das palavras binary digit (dígito binário). Em circuitos digitais, dois níveis de tensão diferentes são usados para representar os dois bits.
Geralmente, 1 é representado pela tensão maior, a qual chamamos de nível ALTO, e o 0 é representado pelo nível de tensão menor, o nível BAIXO.
Essa forma de representação é denominada lógica positiva. Já um outro sistema no qual o 1 é representado por um nível BAIXO e o 0 é representado por um nível ALTO, é chamado de lógica negativa.
Níveis lógicos
Um nível de tensão representa um nível ALTO e o outro representa um nível BAIXO. Entretanto, em um circuito digital prático, um nível ALTO pode ser qualquer tensão entre um valor mínimo e um valor máximo especificados.
Da mesma forma, um nível BAIXO pode ser qualquer valor de tensão entre um valor mínimo e máximo especificados. Não existe sobreposição entre as faixas aceitáveis para os níveis ALTO e BAIXO.
Na imagem abaixo, é possível ver as faixas dos níveis ALTO e BAIXO para um circuito digital.
Faixas dos níveis ALTO e BAIXO.
Formas de onda digitais
As formas de onda digitais consistem em níveis de tensão que comutam entre os níveis, ou estados, lógicos ALTO e BAIXO. Um único pulso positivo é gerado quando a tensão (ou corrente) passa do nível BAIXO normal para o nível ALTO, e em seguida retorna para o nível BAIXO.
Já o pulso negativo é gerado quando a tensão passa do nível ALTO normal para o nível BAIXO e retorna para o nível ALTO. Uma forma de onda digital é constituída de uma série de pulsos!
Um pulso tem duas bordas: a borda positiva e uma borda negativa, que ocorre depois no instante t1. Para um pulso positivo, a borda positiva é uma borda de subida e a borda negativa é uma borda de descida.
A imagem abaixo mostra um exemplo com pulsos positivo e negativo ideais.
Pulsos positivo e negativo ideais.
Na prática, essas transições nunca ocorrem instantaneamente, embora para a maioria dos circuitos digitais funcionarem consideramos pulsos ideais.
O tempo necessário para um pulso passar do nível BAIXO para o nível ALTO é denominado tempo de subida (tr – rise time), e o tempo necessário para a transição do nível ALTO para o nível BAIXO é denominado tempo de descida (tf – fall time).
Uma forma de onda periódica é aquela que se repete num intervalo fixo, denominado de período (T). A frequência (f) é a taxa com que ela se repete e é medida em hertz (Hz).
Uma forma de onda não-periódica não se repete em intervalos fixos, podendo ser composta de pulsos com larguras aleatórias e/ou intervalos aleatórios de tempo entre os pulsos.
Clock
Cada bit na sequência ocupa um intervalo de tempo definido denominado tempo de bit.
Em sistemas, todas as formas de onda são sincronizadas com uma forma de onda de temporização de referência denominada clock, que é uma forma de onda periódica na qual cada intervalo entre os pulsos (período) é igual ao tempo de um bit.
Na imagem abaixo, é possível observar uma forma de onda de clock sincronizada com uma forma de onda que representa uma sequência de bits.
Forma de onda de clock sincronizada.
Diagrama de temporização
Um diagrama de temporização é um gráfico de formas de onda digitais que mostra a relação atual de tempo de duas ou mais formas de onda, e como cada forma de onda muda em relação às outras.
Observando um diagrama de temporização, podemos determinar os estados (ALTO ou BAIXO) de todas as formas de onda em qualquer instante especificado, além do momento exato que uma forma de onda muda de estado em relação às outras formas de onda.
Veja na imagem abaixo um exemplo de um diagrama de temporização.
Diagrama de temporização.
Transferência de dados
Os dados se referem aos grupos de bits que transportam algum tipo de informação. Dados em binário, que são representados por formas de onda digitais, têm que ser transferidos de um circuito para outro dentro de um sistema digital, ou de um sistema para outro para cumprir um determinado propósito.
Quando bits são transferidos na forma serial de um ponto para outro, eles são enviados um bit de cada vez ao longo de uma única linha. Durante o intervalo de tempo de t0 a t1, o primeiro bit é transferido. Durante o intervalo de tempo de t1 a t2, o segundo bit é transferido, e assim por diante.
Para transferir oito bits em série, se gastam oito intervalos de tempo. Quando bits são transferidos no formato paralelo, todos os bits de um grupo são enviados em linhas separadas ao mesmo tempo.
Para transferir oito bits em paralelo, se gasta um intervalo de tempo comparado aos oito intervalos de tempo gastos na transferência serial.
Operações lógicas básicas
O termo lógica é aplicado a circuitos digitais usados para implementar funções e portas lógicas. Diversos tipos de circuitos lógicos digitais são os elementos básicos que formam os blocos construtivos de sistemas digitais complexos como o computador.
NOT
A operação NOT comuta de um nível lógico para o nível lógico oposto. Quando a entrada for nível ALTO (1), a saída será nível BAIXO (0). Quando a entrada for nível BAIXO, a saída será nível ALTO.
Nos dois casos, a saída não é o mesmo nível lógico que a entrada. A operação NOT é implementada por um circuito lógico conhecido como inversor.
AND
A operação AND gera uma saída de nível ALTO apenas quando todas as entradas forem nível ALTO. Quando um entrada for nível ALTO e a outra entrada for nível ALTO, a saída será nível ALTO.
Quando qualquer uma, ou todas as entradas forem nível BAIXO, a saída será nível BAIXO. A operação AND é implementada por um circuito lógico conhecido como porta AND.
OR
A operação OR gera uma saída de nível ALTO quando uma ou mais entradas forem nível ALTO. Quando uma entrada for nível ALTO ou a outra entrada for nível ALTO ou ambas forem nível ALTO, a saída será nível ALTO.
Quando as duas entradas forem nível BAIXO, a saída será nível BAIXO. A operação OR é implementada por um circuito lógico conhecido como porta OR.
Na imagem abaixo, é possível ver a simbologia das três portas lógicas básicas.
Símbolo das portas lógicas básicas.
Os três elementos lógicos básicos AND, OR e NOT podem ser combinados para formar circuitos lógicos mais complexos, que realizam diversas operações úteis e que são usados para construir sistemas digitais completos.
Algumas das funções lógicas comuns são:
- Comparação
- Aritmética
- Conversão de código
- Codificação
- Decodificação
- Seleção de dados
- Armazenamento
- Contagem
Para continuar aprendendo e descobrir o que o técnico em eletrônica faz, recomendamos que assista o vídeo abaixo!
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Sobre o autor
Eletricista desde 2006, Henrique Mattede também é autor, professor, técnico em eletrotécnica e engenheiro eletricista em formação. É educador renomado na área de eletricidade e um dos precursores do ensino de eletricidade na internet brasileira. Já produziu mais de 1000 videoaulas no canal Mundo da Elétrica no Youtube, cursos profissionalizantes e centenas de artigos técnicos. O conteúdo produzido por Henrique é referência em escolas, faculdades e universidades e já recebeu mais de 120 milhões de acessos na internet.
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