Sistemas Digitais vs Analogicos - Vantagens e Características

Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Relembrando Digital x analógico Um sistema digital pode ser definido como sendo todo o sistema em que os sinais a ele pertencentes possuem um número finito de valores discretos Diferentemente de um sistema analógico em que os valores pertencem a um conjunto contínuo ou seja infinito os valores de um sistema digital possuem limites muito bem definidos para identificar os valores dos sinais 2 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Digital x analógico Ao longo de um certo período de tempo conhecido como sendo o período máxima de operação do sistema digital idealmente os valores de um sinal digital não apresentam modificações enquanto que em um sistema analógico os valores dos sinais podem sofrer alterações no seu valor durante o tempo 3 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Digital x analógico Vantagens do uso de sistemas digitais sobre analógicos Os sistemas digitais geralmente são mais fáceis de projetar Tratamse de circuitos de comutação onde os valores exatos de tensão ou corrente não são importantes apenas o intervalo ALTO ou BAIXO O armazenamento de informações é fácil Isso é realizado por dispositivos especiais e circuitos que podem se prender a informações digitais e mantê las pelo tempo necessário com uso de técnicas de armazenamento em massa que podem armazenar bilhões de bits de informações em um espaço físico relativamente pequeno Capacidades de armazenamento analógico são pelo contrárioextremamente limitados 4 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Digital x analógico Vantagens do uso de sistemas digitais sobre analógicos A exatidão e a precisão são mais fáceis de manter em todo o sistema Uma vez um sinal é digitalizado o grau em que ele se deteriora é previsível e mais facilmente contido dentro de limites aceitáveis Em sistemas analógicos os sinais de tensão e corrente tendem a ser distorcidos pelos efeitos de variações de temperatura umidade e tolerância de componentes nos circuitos que processam o sinal As operações podem ser programadas É bastante fácil projetar sistemas digitais cuja operação é controlada por um conjunto de instruções armazenadas denominado programa 5 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Digital x analógico Vantagens do uso de sistemas digitais sobre analógicos Os circuitos digitais são menos afetados por ruído Mais circuitos digitais podem ser fabricados em chips de CIs É verdade que analógico os circuitos também se beneficiaram do tremendo desenvolvimento da tecnologia de CIs mas sua relativa complexidade e o uso de dispositivos que não podem ser economicamente integrado capacitores de alto valor resistores de precisão indutores transformadores impediram os sistemas analógicos de alcançar o mesmo alto grau de integração 6 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Circuito digital apresenta sinais discretos ou seja que apresentam dados formados por 1s e 0s 7 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Alguns dispositivos digitais são ativados através da aplicação de um sinal de nível lógico alto enquanto outros são acionados por nível lógico baixo 8 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Sensores que fornecem sinais de entrada de circuitos digitais também podem ser conectados com uso de diversas configurações 9 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Níveis lógicos Também denominados estados lógicos Quando falarmos em eletrônica digital queremos dizer circuitos em que existem apenas dois estados possíveis geralmente em qualquer ponto por exemplo um transistor que pode estar tanto na saturação quanto em corte Geralmente escolhemos tratar de tais sinais em termos de tensão elétrica em vez de corrente chamando o nível alto high ou baixo low Os dois estados ou níveis podem representar qualquer um de uma variedade de bits dígitos binários de informação 10 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Níveis lógicos 11 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Níveis lógicos Podem representar qualquer um de uma variedade de bits dígitos binários de informação Exemplos bits de números se uma chave está aberta ou fechada se um sinal está presente ou ausente se algum nível analógico está acima ou abaixo de algum limite prédefinido ocorrência de eventos ações que devem ser tomadas dentre outros Importante um circuito digital responde ao nível lógico da entrada 0s e 1s e não ao seu valor atual de tensão elétrica 12 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Exemplo de sistema digital um forno de microondas tem um interruptor na porta que informa ao sistema se a porta está aberta ou fechada Esse switch pode ser conectado de várias maneiras Vamos supor que a chave está aberta quando a porta está aberta e fechada quando a porta está fechada Podemos olhar o diagrama a qualquer momento e saber a condição física da porta 13 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Sinais periódicos e aperiódicos Sinais periódicos apresentam regularidade ou seja são repetidos após o passar de determinado período de tempo chamado de período T Sinais aperiódicos apresentam intervalos de tempo irregulares como é o caso de abrir ou fechar a porta de um microondas Quando um sistema opera de forma que o tempo para um ciclo completo seja sempre constante é chamado de sistema periódico Ex rotação da Terra Período de qualquer onda pode ser definido como a quantidade de tempo por ciclo segundos ciclo A frequência de uma onda periódica é definida como o número de ciclos por unidade de tempo ciclos segundo Em outras palavras frequência F e período T são recíprocos 14 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Duty cycle Representa a porcentagem de tempo em que um sinal digital está ativo Transições Nenhum sinal digital pode mudar instantaneamente de BAIXO para ALTO de modo que dizse ocorrer a transição de um nível para outro É comum declarar que a transição está acontecendo quando o sinal está a meio caminho entre os dois estados As medições são retiradas do ponto de 50 da forma de onda 15 tw largura do pulso Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Bordaseventos Sempre que você tem um sistema com apenas dois estados a única coisa que pode ser considerada um evento é quando o sistema muda de estado lógico Uma transição de LOW para HIGH ou HIGH para LOW é considerada um evento em sistemas digitais Nos diagramas de tempo essas transições aparecem como bordas nítidas Alguns eventos são bordas ascendentes bordas de subida e algumas são bordas descendentes bordas de descida 16 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Fundamentos de lógica digital Bordaseventos Existem circuitos que respondem a níveis ALTOS ativo ALTO e circuitos que respondem a níveis BAIXOS ativo BAIXO Circuitos que respondem a um determinado nível são frequentemente considerados como acionados por nível Outros tipos de circuitos digitais respondem a bordas de subida ou de queda circuitos acionados por borda 17 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios 1 Desenhe um diagrama temporal mostrando quando uma pessoa está trabalhando durante toda a semana Comece na segunda de manhã O diagrama terá uma entrada representando o ciclo dia noite assuma o equinócio em que a duração do dia duração da madrugada 6h00 crepúsculo 18h00 e uma saída que vai para HIGH representando quando uma pessoa no trabalho Suponha que ela trabalhe um das 0800 às 1200 e das 1300 às 1700 de segunda a sexta com folga no sábado e no domingo 2 A forma de onda do profissional no trabalho é periódica ou aperiódica Por que 18 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios 2 Responda o que se pede a A forma de onda de entrada é periódica b Qual é o período da forma de onda de entrada em segundos c Qual é o ciclo de trabalho ativo ALTO da forma de onda de entrada d Qual é a frequência da forma de onda em Hz e Que tipo de evento na entrada causa uma mudança na saída f Qual é o período da forma de onda de saída em segundos g Qual é a frequência da forma de onda de saída em Hz 19 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Relembrando o conceito de binário Princípio de sistemas digitais está embasado na existência de apenas dois estados tais como Ligado ou desligado Aberto ou fechado Verdadeiro ou falso Alto ou baixo 20 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Agenda Álgebra booleana e portas lógicas Tabela verdade Universalidade das portas NAND e NOR Mapas de Karnaugh 21 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Tabelasverdade Descreve a relação de entradas e saídas de um circuito lógico Colunas número de entradas Linhas 2N sendo N o número de entradas Uma tabela de 2 entradas possui 22 4 linhas Uma tabela de 3 entradas possui 23 8 linhas 22 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch 23 Tabelasverdade Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch O que é uma porta lógica É um circuito com várias entradas e apenas uma saída O valor da saída é determinado a partir de uma combinação do nível lógico das entradas 24 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch O que é uma porta lógica 25 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch PORTA AND A saída será um apenas se todas as entradas forem 1 26 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch PORTA OR A saída será zero apenas se todas as entradas forem zero 27 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch PORTA NOT Possui apenas uma entrada A saída é sempre o inverso da entrada Também chamada porta lógica inversora O círculo na saída da porta é denominado indicador de estado denotando a ocorrência de uma inversão da função lógica 28 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch PORTA NAND Equivalente a uma porta AND em série com uma porta INVERSORA 29 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch PORTA XOR Também chamada porta OU EXCLUSIVO A saída estará em nível lógico alto apenas quando uma entrada ou outra é ALTA mas não as duas A porta XOR é geralmente utilizada para comparação de dois números binários 30 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch PORTA XOR 31 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch PORTA NOR Consiste de uma porta OR em série com uma porta inversora A saída é igual a um se nenhuma entrada for 1 ou seja se todas forem 0 32 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch PORTA XNOR Também chamada porta lógica NÃO OU EXCLUSIVO XNOR Tratase de uma porta XOR em série com uma porta inversora A saída é igual a 1 se as entradas forem iguais 33 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Universalidade de portas NAND e NOR 34 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Universalidade de portas NAND e NOR 35 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Universalidade de portas NAND e NOR 36 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Operador de precedência Ocasionalmente pode haver confusão sobre qual operação em uma expressão é executada primeiro Por exemplo considere a expressão AB C Para evitar essa confusão será entendido que se uma expressão contém as operações AND e OR as operações AND são realizadas primeiro a menos que haja parênteses na expressão caso em que a operação dentro dos parênteses deve ser executado primeiro Esta é a mesma regra que é usada na álgebra comum para determinar a ordem das operações 37 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Álgebra booleana É o estudo matemático do sistema numérico binário e da lógica Finalidade fornecer um modo simples de escrever combinações de afirmações lógicas complexas 38 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Teoremas de uma única variável 39 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Teoremas de múltiplas variáveis 40 Fonte TOCCI 2011 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Propriedade comutativa na adição 41 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Obtendo a tabela verdade a partir de uma expressão Colocar todas as possibilidades interpretações para as variáveis de entrada Lembrar que para N variáveis há 2N possibilidades Adicionar colunas para cada subfórmula da Expressão Preencher cada coluna com seus resultados Adicionar uma coluna para o resultado final Preencher essa coluna com o resultado final 42 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Obtenha a tabela verdade para a expressão abaixo 43 Obtendo a tabela verdade a partir de uma expressão Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch 44 Obtendo a tabela verdade a partir de uma expressão Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercício Encontre a tabela verdade da expressão 45 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercício Encontre a tabela verdade da expressão 46 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch 47 Exercício Encontre a tabela verdade da expressão Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch 48 Exercício Encontre a tabela verdade da expressão Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Associação de portas lógicas 49 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Análise de um circuito a partir da tabela verdade 50 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Obtenha as expressões booleanas dos circuitos abaixo e construa sua tabela verdade 51 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch 52 CKT1 CKT2 Exercícios Obtenha as expressões booleanas dos circuitos abaixo e construa sua tabela verdade Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Obtenha as expressões booleanas dos circuitos abaixo e construa sua tabela verdade CKT 1 53 A B C A B C A C A C Z 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Obtenha as expressões booleanas dos circuitos abaixo e construa sua tabela verdade CKT 2 54 A B C A B C B C Z 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Obtenha as expressões booleanas dos circuitos abaixo e construa sua tabela verdade 55 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Obtenha as expressões booleanas dos circuitos abaixo e construa sua tabela verdade 56 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Obtenha as expressões booleanas dos circuitos abaixo e construa sua tabela verdade 57 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Obtenha as expressões booleanas dos circuitos abaixo e construa sua tabela verdade 58 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Propriedade comutativa na multiplicação 59 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Propriedade associativa na adição 60 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Propriedade associativa na multiplicação 61 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Propriedade distributiva 62 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Teorema de De Morgan O complemento do produto é igual a soma dos complementos 63 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Teorema de De Morgan De forma geral 64 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Propriedades da Álgebra Booleana 65 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Propriedades da Álgebra Booleana 66 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Simplificação de expressões 67 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Simplificação de expressões 68 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Simplifique as expressões 69 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios 70 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios 71 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Simplifique as expressões 72 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios 73 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Simplifique as expressões 74 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios 75 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Desenhe o circuito que executa a seguinte expressão lógica 76 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Desenhe o circuito que executa a seguinte expressão lógica 77 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Desenhe o circuito que executa a seguinte expressão lógica 78 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Desenhe o circuito que executa a seguinte expressão lógica 79 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Desenhe o circuito que executa a seguinte expressão lógica 80 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Exercícios Desenhe o circuito que executa a seguinte expressão lógica 81 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Simplificação de expressões com mapa de Karnaugh É uma exposição visual de produtos fundamentais necessários para a solução de uma expressão de soma de produtos 82 Mapa de Karnaugh para duas variáveis de entrada Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Simplificação de expressões com mapa de Karnaugh 83 Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Simplificação de expressões com mapa de Karnaugh 84 Mapa de Karnaugh para três variáveis de entrada Projeto de Sistemas Digitais Prof Ms Bruna Fernandes Flesch Referências Bibliográficas Notas de aula de Sistemas Digitais UNISINOS Profs Rodrigo M de Figueiredo Eduardo L Rhod Lúcio R Prade TOCCI Ronald J WIDMER Neal S MOSS Gregory L Sistemas digitais princípios e aplicações 11ed São Paulo Pearson 2011 Livro eletrônico RABAEY Jan M CHANDRAKASAN Anantha P NIKOLIC Borivoje Digital integrated circuits a design perspective 2nd ed Upper Saddle River NJ Pearson Education c2003 DIAS Morgado Sistemas digitais príncipios e prática 2 ed rev Lisboa FCA 2011 SIMPLICIO M A Códigos USP Online Disponível em httpsedisciplinasuspbrpluginfilephp4326442modresourcecontent1 pcs3115Codigospdf Acesso em ago 2020 85 OBRIGADO UNISINOS DESAFIE O AMANHÃ