Resumo Capitulo 4 a 6

5 Lógica Digital OBJETIVOS Ao final do estudo deste capítulo o leitor deverá ser capaz de Reconhecer os símbolos das portas lógicas AND OR NOT NAND NOR e EXOR e usar estas portas em aplicações Explicar como os flipflops SR JK e D podem ser usados em sistemas de controle Explicar a operação de decodificadores e do temporizador 555 51 Lógica digital Muitos sistemas de controle referemse a eventos em que algo é acionado ou desligado quando determinadas condições ocorrerem Por exemplo no caso de uma máquina de lavar doméstica o aquecedor é ligado apenas quando houver água no tambor e ela estiver no nível determinado Este controle envolve sinais digitais em que há apenas dois níveis possíveis para o sinal Os circuitos digitais são a base dos computadores digitais e sistemas de controle microprocessados Com um controle digital podemos por exemplo ligar a entrada de água em uma máquina de lavar se a tampa estiver fechada e se um determinado momento do ciclo de operação for atingido Neste caso existirão dois sinais de entrada que podem ser sinais sim ou não O controlador é programado para fornecer uma saída sim apenas se as duas entradas forem sim ou seja se as entradas A e B forem 1 então a saída será 1 Dizse que esta operação é controlada por uma porta lógica que neste exemplo é uma porta AND Existem diversas máquinas e processos controlados desta forma O termo lógica combinacional é usado no caso da combinação de duas ou mais portas lógicas para formar a função desejada Por exemplo uma necessidade poderia ser que o som da buzina de um carro fosse ativado se a chave estivesse na ignição e uma porta estivesse aberta ou se os faróis estivessem ligados e a porta do motorista estivesse aberta A lógica combinacional depende apenas dos valores das entradas em um determinado instante Além do estudo da lógica combinacional este capítulo também inclui um discussão de lógica sequencial Este tipo de circuito é usado para executar um controle em uma sequência específica determinada por um clock de controle ou sinais de controle de habilitaçãodesabilitação Este é um circuito combinacional com memória Portanto a temporização ou histórico sequencial dos sinais de entrada representa uma parte na determinação da saída 52 Portas lógicas As portas lógicas são os blocos construtivos básicos para os circuitos eletrônicos digitais 521 Porta AND Suponha que temos uma porta em que a saída é nível alto apenas quando as entradas A e B forem nível alto para todas as outras condições a saída será nível baixo Esta é uma porta AND E Podemos visualizar a porta AND como um circuito elétrico que envolve duas chaves em série Figura 51a Apenas quando as chaves A e B estiverem fechadas haverá a passagem de corrente Têm sido usados conjuntos diferentes de símbolos de circuitos padrão para portas lógicas sendo que o principal é originário dos Estados Unidos Entretanto um padrão internacional IEEEANSI foi desenvolvido ele removeu o formato que distinguiu as funções lógicas e usou um retângulo com a função lógica escrita nele A Figura 51b mostra o símbolo padrão americano usado para uma porta AND e em c vemos o novo padrão internacional com o símbolo indicando AND Os dois símbolos são usados neste livro Conforme mostra esta figura podemos expressar a relação entre as entradas e a saída de uma porta AND na forma de uma equação denominada equação booleana veja Apêndice C A equação booleana para uma porta AND é escrita como a seguir A B Q Um exemplo de uma porta AND é um sistema de controle de intertravamento para uma máquinaferramenta em que se o dispositivo de segurança estiver no lugar e fornecer um sinal 1 e a alimentação for ligada gerando um sinal 1 então a saída será ativada um sinal 1 e a máquina entra em operação Um outro exemplo é um alarme antifurto no qual ele gera uma saída o som do alarme quando o alarme for ligado e a porta for aberta ativando um sensor Figura 51 Porta AND a representada por chaves b símbolo padrão americano c símbolo padrão internacional A relação entre as entradas e saídas de uma porta lógica podem ser tabuladas numa forma conhecida como tabelaverdade Esta especifica as relações entre as entradas e saídas Portanto para uma porta AND com entradas A e B e uma única saída Q teremos uma saída 1 se e somente se A 1 e B 1 Todas as outras combinações de A e B geram uma saída 0 Podemos escrever a tabelaverdade como Entradas Saída A B Q 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Considere o que acontece quando temos duas entradas digitais que são funções do tempo como mostra a Figura 52 O que está nesta figura é denominado de diagrama de temporização da porta AND A saída da porta AND será nível alto apenas quando cada uma das entradas for nível alto A saída é como mostra a mesma figura Figura 52 Porta AND 522 Porta OR Uma porta OR OU com entradas A e B fornece uma saída 1 quando A ou B for 1 Podemos visualizar esta porta como sendo um circuito elétrico envolvendo duas chaves em paralelo Figura 53a Quando a chave A ou a B for fechada então haverá corrente As portas OR podem também ter mais que duas entradas A tabelaverdade para esta porta é a seguinte Entradas Saída A B Q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Podemos escrever a equação booleana para uma porta OR como A B Q Figura 53 Porta OR a representação por chaves b símbolos c diagrama de temporização Os símbolos usados para uma porta OR são mostrados na Figura 53b o uso do sinal maior ou igual a 1 para representar a OR vem da função OR ser verdadeira se pelo menos uma entrada for verdadeira A Figura 53c mostra um diagrama de temporização 523 Porta NOT A porta NOT NÃO tem apenas uma entrada e uma saída em que a saída será 1 quando a entrada for 0 e 0 quando a entrada for 1 A porta NOT fornece uma saída que é a inversão da entrada sendo denominado inversor A Figura 54a mostra os símbolos usados para uma porta NOT O 1 dentro do retângulo da porta NOT representa na verdade uma identidade lógica ou seja sem operação e a inversão é representada pelo pequeno círculo na saída Portanto se há uma entrada digital que varia com o tempo como na Figura 54b a saída varia com o tempo de forma inversa A seguir é mostrada a tabelaverdade da porta NOT Entrada A Saída Q 0 1 1 0 A equação booleana que descreve a porta NOT é A Q Figura 54 Porta NOT A barra sobre o símbolo é usada para indicar que o inverso ou o complemento está sendo considerado portanto a barra sobre o A indica que a saída Q é o inverso do valor de A 524 Porta NAND A porta NAND pode ser considerada como uma combinação de uma porta AND seguida por uma NOT Figura 55a Portanto quando a entrada A for 1 e a B for 1 a saída será 0 e todas as outras combinações resultam em uma saída 1 A porta NAND é simplesmente a tabelaverdade da AND com a saída invertida Uma forma alternativa de considerar esta porta é como uma porta OR com uma porta NOT uma em cada entrada antes da porta OR A Figura 55b mostra os símbolos usados para a porta NAND que é o símbolo da AND seguido por um pequeno círculo para indicar a inversão A seguir é apresentada a tabelaverdade Entradas A B Saída Q 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 A equação booleana que descreve a porta NAND é A B Q A Figura 55c mostra a saída de uma porta NAND quando suas duas entradas são sinais digitais que variam com o tempo A saída é nível baixo apenas quando as entradas são nível alto 525 Porta NOR A porta NOR pode ser considerada como uma combinação de uma porta OR seguida por uma NOT Figura 56a Portanto quando a entrada A ou B for 1 a saída será 0 Isto é simplesmente uma porta OR com uma saída invertida Uma forma alternativa de considerar esta porta é como uma porta AND com uma porta NOT em cada uma das entradas antes da porta AND A Figura 56b mostra os símbolos Figura 55 Porta NAND Figura 56 Porta NOR usados para a porta NOR é o símbolo da porta OR seguido por um pequeno círculo para indicar inversão A equação booleana para a porta NOR é A B Q A seguir é apresentada a tabelaverdade para a porta NOR e a Figura 65c mostra o seu diagrama de temporização Entradas A B Saída Q 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 526 Porta EXOR A porta OR EXCLUSIVO EXOR pode ser implementada com uma porta OR duas portas AND e dois inversores como mostra a Figura 57a Alternativamente ela pode ser implementada substituindose na Figura 57a a porta OR por NAND Figura 57 Porta EXOR e as portas AND por OR O símbolo da EXOR é mostrado na Figura 57b o símbolo 1 representa que a saída é verdadeira se apenas uma entrada também for verdadeira A seguir é mostrada a tabelaverdade e a Figura 57c mostra um diagrama de temporização Entradas Saída A B Q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 527 Combinação de portas Pode parecer que para construir sistemas lógicos necessitamos de um grupo de portas Entretanto conforme mostrado a seguir podemos implementar todas as funções lógicas das portas a partir de apenas uma delas Considere a combinação de três portas NOR como mostra a Figura 58 A tabelaverdade com as saídas intermediárias e final para esta combinação é mostrada a seguir A B C D Q 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 O resultado final é o mesmo que o de uma porta AND Se acrescentarmos a essa associação de portas uma porta NOT na saída obteremos a tabelaverdade da porta NAND Uma combinação de três portas NAND é mostrada na Figura 59 A tabelaverdade com as saídas intermediária e final é mostrada a seguir A B C D Q 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 Figura 58 Três portas NOR Figura 59 Três portas NAND O resultado é o mesmo de uma porta OR Se na saída desta associação de portas acrescentarmos uma porta NOT obteremos a mesma tabelaverdade de uma porta NOR Estas duas ilustrações de combinações de portas mostra como um tipo de porta NOR ou NAND pode ser usado para substituir outras portas desde que usemos mais de uma As portas também podem ser combinadas para formar circuitos combinacionais mais complexos e circuitos sequenciais As portas lógicas estão disponíveis em circuitos integrados Os fabricantes têm padronizado a numeração dos esquemas de forma que os números de identificação part numbers básicos sejam os mesmos independentemente do fabricante Por exemplo a Figura 510a mostra um conjunto de portas disponíveis no circuito integrado 7408 ele tem internamente quatro portas AND e é alimentado no pino 14 As conexões de alimentação que são feitas nos pinos 7 e 14 fornecem a tensão de operação para todas as quatro portas AND Para indicar em que extremidade está localizado o pino 1 existe um pequeno corte entre os pinos 1 e 14 O circuito integrado 7411 tem três portas AND tendo cada uma três entradas o circuito integrado 7421 tem duas portas AND tendo cada uma quatro entradas A Figura 510b mostra o conjunto de portas disponíveis no circuito integrado 7402 Este tem quatro portas NOR de duas entradas em um encapsulamento de 14 pinos e conexões de alimentação nos pinos 7 e 14 O circuito integrado 7427 tem três portas cada uma com três entradas o circuito integrado 7425 tem duas portas cada uma com quatro entradas Para um estudo de como a álgebra booleana e técnicas como o teorema de De Morgan e mapas de Karnaugh podem ser usadas para gerar as funções lógicas desejadas a partir de portas lógicas veja o Apêndice C Figura 510 Circuitos integrados a 7408 b 7402 53 Aplicações de portas lógicas Os exemplos a seguir fazem uso de portas lógicas em algumas aplicações simples 531 Geradores de paridade No capítulo anterior estudamos o uso de bits de paridade e um método de detecção de erro Um único bit é acrescentado a cada bloco de código para forçar o número de uns no bloco incluindo o bit de paridade a ser uma quantidade ímpar caso este paridade esteja sendo usada ou uma quantidade par no caso da paridade usada ser par A Figura 511 mostra um circuito com portas lógicas que poderia ser usado para determinar e acrescentar o bit de paridade apropriado Este sistema emprega portas EXOR se todas as entradas de uma porta EXOR forem 0 ou todas forem 1 a saída será 0 e se as entradas estiverem em níveis diferentes a saída será 1 Os pares de bits são verificados e resulta uma saída 1 se eles estiverem em níveis diferentes Se for desejada uma paridade ímpar neste caso o bit de definição da paridade é 0 se for a paridade par ele será 1 O bit de definição da paridade apropriada pode então ser acrescentado ao sinal para transmissão O mesmo circuito pode ser usado para verificar a paridade no receptor que indica nível 1 quando há um erro Estes circuitos estão disponíveis na forma de circuito integrado 532 Comparador digital Um comparador digital é usado para comparar duas palavras digitais para determinar se elas são exatamente iguais As duas palavras são comparadas bit a bit e uma saída 1 é gerada se elas forem iguais Para comparar a igualdade entre dois bits pode ser usada uma porta EXOR se os bits forem ambos 0 ou ambos 1 a saída é 0 e se Figura 511 Gerador de bit de paridade os bits forem diferentes a saída é 1 Para obter uma saída 1 quando os bits forem iguais precisamos acrescentar uma porta NOT A combinação de uma EXOR e uma NOT é denominada de porta EXNOR Para comparar cada um dos pares de bits em duas palavras precisamos de uma porta EXNOR para cada par Se os pares de bits forem iguais então a saída da porta EXNOR será 1 Podemos então usar uma porta AND para gerar uma saída 1 quando todas as saídas das portas EXNOR forem 1 A Figura 512 mostra este sistema Os comparadores digitais estão disponíveis como circuitos integrados e podem determinar geralmente não apenas se duas palavras são iguais mas qual é a maior Por exemplo o 7485 é um comparador de magnitude de 4 bits que compara duas palavras de 4 bits A e B gerando uma saída 1 a partir do pino 5 se A for maior do que B uma saída 1 a partir do pino 6 se A for igual a B e uma saída 1 a partir do pino 7 se A for menor do que B 533 Codificador A Figura 513 mostra um sistema simples através do qual um controlador pode enviar um sinal digital codificado para um semáforo de forma que o código determina qual cor entre vermelho amarelo ou verde será ligada Para ativar a luz vermelha podemos usar o sinal transmitido A0 B0 para a luz amarela A0 e B1 e para a luz verde A1 e B0 Podemos ligar as luzes usando estes códigos usando três portas AND e duas NOT 534 Conversor de código Em muitas aplicações há a necessidade de modificar os dados de um tipo de código para outro Por exemplo a saída de um sistema microprocessado pode ser BCD e podemos precisarmos transformálo em um código adequado para acionar um display de sete segmentos O termo decodificação de dados é usado para o processo de conversão de algum grupo de bits codificado por exemplo BCD binário ou hexa em uma saída ativa individual que representa um grupo Um decodificador tem n linhas de entrada binária para a entrada codificada de uma palavra de n bits e fornece m linhas de saída das quais apenas uma é ativada para uma combinação possível de entrada ou seja apenas uma linha de saída fornece a saída para uma Figura 512 Comparador Figura 513 Semáforo determinada palavra de código de entrada Por exemplo um decodificador de BCD para decimal tem um código de entrada de 4 bits e 10 linhas de saída de forma que uma determinada entrada BCD faz com que apenas uma das linhas de saída seja ativada e desta forma indica um determinado número decimal com cada linha de saída tendo em correspondência um número decimal Figura 514 Portanto em geral um decodificador é um circuito lógico que para uma entrada qualquer determina qual é o número de entrada e ativa a saída que corresponde a este número Os decodificadores são bastante usados em circuitos microprocessados Os decodificadores podem ter a saída ativa em nível alto e inativa em nível baixo ou o contrário Para o caso de uma saída ativa em nível alto o decodificador pode ser implementado com portas AND enquanto que para uma saída ativa em nível baixo podese usar portas NAND A Figura 515 mostra como um decodificador de BCD para decimal para uma saída ativa em nível baixo pode ser implementado e a tabelaverdade resultante Este decodificador é facilmente encontrado na forma de circuito integrado como por exemplo o 74LS145 Um tipo de decodificador que é muito usado é o de BCD para sete segmentos como por exemplo o 74LS244 que tem uma entrada BCD de 4 bits e gera uma saída que comanda os sete segmentos de um display O termo decodificador de 3 para 8 linhas é usado no caso de um decodificador que tem três linhas de entrada e oito de saída Ele recebe um número binário de 3 bits e ativa uma das oito saídas que corresponde àquele número A Figura 516 mostra como este decodificador pode ser implementado a partir de portas lógicas e a sua tabelaverdade Alguns decodificadores têm uma ou mais entradas de HABILITAÇÃO ENABLE que são usadas para controlar sua operação Portanto com uma linha de HABILITAÇÃO em nível ALTO o decodificador funciona normalmente e as entradas determinam qual saída será nível ALTO com a linha de HABILITAÇÃO em nível BAIXO todas as saída são mantidas em nível BAIXO independentemente das entradas A Figura 517 mostra o CI 74LS138 que é um decodificador de 3 para 8 linhas de uso comum Observe que as saídas são ativas em nível BAIXO em vez Figura 514 Decodificador Figura 515 Decodificador de BCD para decimal 1nível ALTO 0nível BAIXO Figura 516 Decodificador de 3 para 8 linhas de nível ALTO como na Figura 516 e que o decodificador tem três linhas de HABILITAÇÃO em que para um funcionamento normal E1 e E2 devem ser nível BAIXO e E3 ALTO Todas as outras variações resultam em um decodificador desabilitado com as saídas em nível ALTO A Figura 518 ilustra o tipo de resposta que podemos ter a partir de um decodificador 74LS138 para diferentes entradas Um decodificador 74LS138 pode ser usado com um microprocessador com a entrada HABILITAÇÃO usada para ligar o decodificador e então dependendo da saída das três linhas do microprocessador uma das oito saídas do decodificador recebe uma saída de nível BAIXO enquanto todas as outras permanecem em nível ALTO Portanto podemos considerar cada dispositivo de saída como tendo um endereço ou seja um único número de saída binário de forma que quando o micro Figura 517 O 74LS138 1 nível ALTO 0 nível BAIXO X não importa processador envia um endereço para decodificálo ativa o dispositivo alocado neste endereço O 74LS138 pode então ser chamado de decodificador de endereço 54 Lógica sequencial Os circuitos lógicos considerados nas seções anteriores deste capítulo são exemplos de sistemas lógicos combinacionais Nestes sistemas a saída é determinada pela combi Figura 518 O CI 74LS138 Figura 519 Sistema lógico sequencial N de T Estes termos são usados normalmente em inglês SET significa colocar a saída do FF em 1 e RESET significa colocála em 0 Os termos setar e resetar já têm uso consolidado como jargão técnico nação das variáveis de entrada em um determinado instante do tempo Por exemplo se a entrada A e a B estiverem ativas no mesmo instante então uma porta AND retorna uma saída ativa A saída não depende dos estados anteriores das entradas No caso de um sistema necessitar de uma saída que dependa do valor anterior das entradas é necessário um sistema de lógica sequencial A principal diferença entre um sistema de lógica combinacional e um sequencial é que este tem alguma forma de memória A Figura 519 mostra a forma básica de um sistema de lógica sequencial A parte combinacional do sistema recebe sinais lógicos de entradas externas e das saídas da memória O sistema combinacional opera então sobre estas entradas produzindo suas saídas Estas saídas são então uma função das entradas externas e da informação armazenada em sua memória 541 Flipflop O flipflop FF é um elemento básico de memória que é constituído de portas lógicas e é um dispositivo de lógica sequencial Existem alguns tipos de flipflops A Figura 520a mostra um tipo o SR setreset implementado com portas NOR Se inicialmente tivermos as duas saídas em 0 e S 0 e R 0 então quando ativamos a entrada SET com S variando de 0 para 1 a saída da porta NOR 2 se torna 0 Com isto as duas entradas da porta NOR 1 se tornam 0 e então sua saída se torna 1 Esta realimentação funciona como uma entrada para a porta NOR 2 que passa a ter suas duas entradas em 1 não resultando em alteração posterior Agora se S mudar de 1 para 0 a saída da porta NOR 1 permanecerá em 1 e a saída da porta NOR 2 permanecerá em 0 Não há alterações nas saídas quando a entrada S muda de 1 para 0 O FF permanece neste estado indefinidamente se a única mudança for em S Ele lembra deste estado em que foi setado A Figura 520b ilustra isto com um diagrama de temporização no qual um pulso retangular é usado como entrada S Se mudarmos R de 0 para 1 enquanto S for 0 a saída da porta NOR 1 muda para 0 e portanto a saída da porta NOR 2 muda para 1 Dizse que o FF foi resetado Uma mudança de R para 0 não terá efeito sobre estas saídas Portanto quando S for 1 e R for 0 a saída Q mudará para 1 se ela era anteriormente 0 ou permanecerá em 1 se ela era anteriormente 1 Este é o estado SET e a saída permanecerá neste estado mesmo quando S mudar para 0 Quando S for 0 e R for 1 a saída Q é resetada para 0 se ela era anteriormente 1 ou permanecerá em 0 se ela era anteriormente 0 Este é o estado de RESET A saída Q em um determinado instante depende das entradas S e R e também do valor anterior da saída Os estados mostrados na tabela a seguir ilustram isto Figura 520 Flipflop SR Note que se S e R são simultaneamente iguais a 1 pode ocorrer um estado não estável e desta forma esta condição de entrada não é permitida A Figura 521 mostra o símbolo em bloco simplificado usado para representar um flipflop SR Como uma simples ilustração do uso de um flipflop considere um sistema de alarme simples em que o alarme é acionado quando um feixe de luz é interrompido e permanece ativo mesmo quando feixe de luz não está mais interrompido A Figura 522 mostra um possível circuito para este sistema Um fototransistor pode ser usado como sensor e conectado de modo que quando iluminado produza um 0 V virtual na entrada S mas quando a iluminação é interrompida ele produza uma tensão de aproximadamente 5 V na entrada S Quando o feixe de luz é interrompido S se torna 1 e a saída do flipflop se torna 1 soando o alarme A saída permanecerá em 1 mesmo quando S mudar para 0 O alarme poderá ser desativado apenas se a chave de RESET for momentaneamente aberta gerando 5 V na entrada R Figura 521 Flipflop SR Figura 522 Circuito de um alarme Figura 523 Flipflop SR com clock 543 Flipflop JK Em muitas aplicações o estado indeterminado que ocorre com o flipflop SR quando S 1 e R 1 não é aceitável e um outro tipo de flipflop é usado o flipflop JK Figura 524 Este se tornou um dispositivo muito usado A seguir é mostrada a tabelaverdade deste flipflop observe que a única diferença para os estados do flipflop SR ocorre quando as entradas são 1 Figura 524 Flipflop JK Como uma ilustração do uso deste flipflop considere a necessidade de uma saída em nível alto quando a entrada A for para nível alto ao mesmo tempo em que a entrada B Uma porta AND pode ser usada para determinar se as duas entradas são nível alto mas a saída desta porta será nível alto independentemente de qual entrada foi para nível alto primeiro Entretanto se as entradas A e B são de um flipflop JK então A tem que ser nível alto primeiro para que a saída seja nível alto quando B for nível alto posteriormente 544 Flipflop D O flipflop D ou de dado é basicamente um flipflop SR ou um JK com a entrada D sendo conectada diretamente nas entradas S ou e via uma porta NOT nas entradas R ou K Figura 525a no símbolo do flipflop D as junções nas entradas R e K são denominadas D Nesta configuração uma entrada 0 ou 1 faz com que as saídas sigam a entrada quando o pulso de clock for 1 Figura 525b Um uso particular do flipflop D é garantir que a saída receberá o valor da entrada D em momentos precisamente definidos A Figura 525c mostra o símbolo usado para um flipflop D Com o flipflop D anterior quando o clock ou entrada de habilitação for para nível alto a saída segue o dado presente na entrada D Dizse assim que esse flipflop é transparente Quando há uma transição de alto para baixo na entrada de habilitação a saída Q é mantida no nível do dado que tinha antes da transição Dizse que o dado na transição é memorizado operação latch Os flipflops D são disponíveis como circuitos integrados O 7475 é um exemplo deste ele contém quatro latches D O flipflop D 7474 difere do 7475 por ser um dispositivo disparado por borda em um encapsulamento do 7474 existem dois flipflops deste tipo Em um flipflop D disparado por borda a transição em Q ocorre sempre na borda do pulso de clock de entrada e no caso do 7474 essa borda é positiva ou seja na transição de baixo para alto A Figura 526a ilustra isto O símbolo básico para um flipflop D disparado por borda difere de um flipflop D por um pequeno triângulo colocado na entrada CK Figura 526b Existem também duas outras entradas denominadas de preset e clear Um nível baixo na entrada preset leva a saída Q para 1 enquanto que um nível baixo na entrada clear leva a saída Q para 0 Figura 525 Flipflop D Figura 527 Sistema de alarme Como uma ilustração simples de uma aplicação para este flipflop a Figura 527 mostra um sistema que poderia ser usado para mostrar uma luz verde quando a entrada do sensor fosse nível baixo e uma luz vermelha quando ela fosse nível alto e acionaria um alarme É para a luz vermelha permanecer ligada enquanto a entrada do sensor for nível alto porém o alarme deve ser desligado Este pode ser um sistema de monitoração da temperatura de algum processo o sensor e o condicionador de sinal gerando um sinal de nível baixo quando a temperatura estiver abaixo do nível de segurança e um nível alto quando a temperatura estiver acima O flipflop tem uma entrada em nível alto Quando uma entrada em nível baixo for aplicada na entrada CK e a entrada do sensor for nível baixo a luz verde é ligada Quando a entrada do sensor muda para nível alto a luz verde apaga a luz vermelha liga e o alarme é acionado O alarme pode ser cancelado aplicandose um nível alto na entrada CK mas a luz vermelha permanece ligada enquanto a entrada do sensor for nível alto Um sistema como este pode ser construído usandose um 7474 e um circuito integrado contendo três portas NAND 545 Registradores Um registrador é um conjunto de elementos de memória e é usado para manter informação até que seja necessário Ele pode ser implementado por um conjunto de flipflops Cada um destes armazena um sinal binário ou seja um 0 ou um 1 A Figura 528 mostra a forma que um registrador de 4 bits pode ter quando usa flipflops D Quando o sinal de carga for 0 nenhum pulso de clock chega aos flipflops e desta forma nenhuma mudança ocorre nos estados dos flipflops Quando o sinal de carga for 1 as entradas podem mudar os estados dos flipflops Enquanto o sinal de carga for 0 os flipflops manterão os estados anteriores 546 Temporizador 555 O chip temporizador 555 é muito usado em circuitos digitais visto que ele pode oferecer uma ampla variedade de soluções de temporização Ele consiste de um flipflop SR que recebe sinais de entrada a partir de dois comparadores Figura 529 Cada um dos comparadores tem uma tensão de entrada derivada de uma rede de resistores de mesmo valor Assim o comparador A tem uma tensão na entrada não inversora de Vcc3 e o comparador B tem uma tensão na entrada inversora de 2Vcc3 Figura 528 Registrador Uma das aplicações do temporizador 555 é como multivibrador monoestável que é um circuito que gera um único pulso com o tempo de duração desejado após receber um pulso de disparo A Figura 530a mostra como o temporizador é conectado para ser usado desta forma Inicialmente a saída é nível baixo com o transistor colocando o capacitor em curtocircuito e a saída dos dois comparadores em nível baixo Figura 530b Quando o pulso de disparo cai abaixo de Vcc3 o comparador de disparo vai para nível alto e seta o flipflop A saída vai então para Figura 529 Temporizador 555 Figura 530 Multivibrador monoestável nível alto e o transistor entra em corte permitindo a carga do capacitor Quando o capacitor atinge 2VCC3 o comparador de limiar reseta o flipflop que reseta a saída para nível baixo e descarrega o capacitor Se a entrada de disparo for ativada enquanto a saída estiver em nível alto esta operação não terá efeito A largura do pulso corresponde ao tempo que o capacitor leva para se carregar até 2VCC3 e isto depende da constante de tempo ou seja o valor de RtC e é dado pela relação normal para a carga de um capacitor através de uma resistência como 11 RtC Como ilustração considere a situação em que um alarme contra roubo é acionado se uma porta for aberta e o dono da casa não inserir o número solicitado em um teclado dentro de 30 s Se o circuito da Figura 530 for usado com um capacitor de 1 μF então Rt tem que ter um valor de 3011 1 106 273 MΩ Resumo Nos sistemas de lógica combinacional a saída é determinada pela combinação das variáveis de entrada em um determinado instante A saída não depende do valor anterior das entradas Um circuito sequencial é usado onde o sistema necessita de uma saída que depende dos valores anteriores das entradas A principal diferença entre um sistema de lógica combinacional e um de lógica sequencial é que este último tem algum tipo de memória Um decodificador é um circuito lógico que a partir das entradas verifica qual o número que é equivalente e ativa uma saída que corresponde ao número identificado O flipflop é um elemento de memória básico que é constituído de portas lógicas e é um dispositivo de lógica sequencial Um registrador é um conjunto de elementos de memória e é usado para manter uma informação até que ela seja necessária O chip temporizador 555 consiste de um flipflop SR em que as entradas são conectadas nas saídas de dois comparadores Problemas 51 Explique como portas lógicas podem ser usadas para controlar as seguintes situações a A emissão de bilhetes de passagem em uma máquina automática em uma estação de metrô b O sistema de trava de segurança para operação de uma máquinaferramenta c A chave de desligamento de uma caldeira quando a temperatura atinge digamos 60C e a bomba de circulação é desligada d Um sinal para acionar um elevador quando a porta do elevador estiver fechada e um botão de seleção do andar for pressionado 52 Para os sinais de tempo mostrados como A e B na Figura 531 qual será o sinal de saída se A e B são as entradas de a uma porta AND b uma porta OR Figura 531 Problema 52 53 Um sinal de clock na forma de uma sequência contínua de pulsos é aplicado em uma porta lógica e aparece na saída apenas quando um sinal de habilitação também é aplicado na porta Qual porta lógica pode ser usada 54 A entrada A é aplicada diretamente a uma porta de duas entradas A entrada B é aplicada em uma porta NOT e em seguida na porta AND Qual condição nas entradas A e B resultaria em uma saída 1 a partir da porta AND 55 A Figura 532a mostra os sinais de entrada A e B aplicados ao sistema de portas mostrado na Figura 532b Desenhe as formas de onda de saída resultantes em P e Q Figura 532 Problema 55 56 A Figura 533 mostra o diagrama de temporização para as entradas S e R de um flipflop SR Complete o diagrama acrescentando a saída Q Figura 533 Problema 56 57 Explique como a configuração de portas mostrada na Figura 534 desempenha a função de um flipflop SR Figura 534 Problema 57 4 Sinais Digitais OBJETIVOS Ao final do estudo deste capítulo o leitor deverá ser capaz de Explicar os princípios e principais métodos de conversões analógicodigital e digitalanalógico Explicar os princípios e aplicações dos multiplexadores Explicar os princípios do processamento de sinais digitais 41 Sinais digitais A saída da maioria dos sensores tende a ser no formato analógico com a amplitude de saída relacionada à de entrada Nos casos em que se aplica um microprocessador como parte do sistema de controle ou medição a saída analógica de um sensor tem que ser convertida para o formato digital antes que ela possa ser usada como uma entrada do microprocessador Do mesmo modo a maioria dos atuadores opera com entradas analógicas e portanto a saída digital do microprocessador tem que ser convertida para a forma analógica antes de ser usada como entrada do atuador 411 Números binários O sistema binário é baseado em apenas dois símbolos ou estados 0 e 1 sendo estes normalmente sinais de 0 V e 5 V Estes são denominados dígitos binários binary digits ou bits Quando um número é representado neste sistema a posição do dígito no número indica o peso associado a cada dígito com o peso aumentando por um fator de 2 conforme percorremos o número da direita para a esquerda 23 bit 3 22 bit 2 21 bit 1 20 bit 0 Por exemplo o número decimal 15 é 20 21 22 23 1111 no sistema binário Em um número binário o bit da posição 0 é denominado de bit menos significativo LSB Least Significant Bit e o bit da posição de maior peso é o bit mais significativo MSB Most Significant Bit Uma combinação de bits para representar um número é denominada palavra Portanto 1111 é uma palavra de 4 bits Esta palavra pode ser usada para representar a amplitude de um sinal O termo byte é usado para um grupo de 8 bits Veja o Apêndice B para mais detalhes sobre números binários 42 Sinais analógicos e digitais Uma conversão analógicodigital envolve a conversão de sinais analógicos em palavras binárias A Figura 41a mostra os elementos básicos de uma conversão analógicodigital A técnica usada envolve o uso de um sinal de clock que gera pulsos regularmente no tempo para o conversor analógicodigital ADC AnaloguetoDigital Converter e a cada vez que ele recebe um pulso faz a amostragem do sinal analógico A Figura 41 ilustra esta conversão analógicodigital mostrando os tipos de sinais envolvidos nos diversos estágios A Figura 41b mostra o sinal analógico e a Figura 41c mostra o sinal de clock que fornece os sinais de tempo nos quais as amostras ocorrem O resultado da amostragem é uma série de pulsos estreitos Figura 41d Figura 41 a Conversão analógicodigital b entrada analógica c sinal de clock d sinal amostrado e sinal amostrado e retido Uma unidade de amostragem e retenção é então usada para reter cada valor amostrado até que o próximo pulso ocorra sendo o resultado mostrado na Figura 41e A unidade de amostragem e retenção é necessária porque o ADC requer uma quantidade finita de tempo denominada tempo de conversão para converter o sinal analógico em digital A relação entre a entrada amostrada e retida e a saída para o ADC é ilustrada pelo gráfico mostrado na Figura 42 para uma saída digital limitada a 3 bits Com 3 bits existem 23 8 possíveis níveis de saída Portanto como a saída do ADC que representa a entrada analógica pode ter apenas um destes oito níveis possíveis há uma faixa de valores de entrada para os quais a saída permanece inalterada Os oito níveis de saída possíveis são denominados níveis de quantização e a diferença entre dois níveis adjacentes de tensão analógica é denominado intervalo de quantização Portanto para o ADC dado na Figura 42 o intervalo de quantização é 1 V Devido ao degrau natural da relação a saída digital não é sempre proporcional à entrada analógica e assim há um erro que é denominado de erro de quantização Quando a entrada se situa no centro do intervalo o erro de quantização é zero e o erro máximo é igual a metade de um intervalo ou seja 12 bit O comprimento da palavra possibilita determinar a resolução do componente ou seja a menor variação na entrada que resulta em uma variação na saída digital A menor variação na saída digital é 1 bit na posição do bit menos significativo da palavra ou seja o bit mais à direita Portanto com uma palavra de comprimento de n bits a entrada analógica de fundo de escala VFS é dividida em 2n partes e desta forma a variação mínima na entrada que pode ser detectada ou seja a resolução é VFS2n Portanto se temos um ADC com uma palavra de comprimento de 10 bits e a faixa do sinal analógico de entrada for 10 V então o número de níveis para uma palavra de 10 bits é 210 1024 e a resolução é 101024 98 mV Considere um termopar fornecendo uma saída de 05 mVC Qual será o tamanho necessário da palavra quando sua saída passa por um ADC se temperaturas de 0 a 200C serão medidas com uma resolução de 05C A saída de fundo de escala do sensor é 200 05 100 mV Com uma palavra de comprimento n esta tensão Figura 42 Entradasaída de um ADC será dividida em degraus de 1002ⁿ mV Para uma resolução de 05ºC o sistema tem que ser capaz de detectar um sinal do sensor de 05 05 025 mV Portanto precisamos de 025 1002ⁿ Então n 86 Assim é necessário uma palavra de 9 bits 421 Teorema da amostragem Os ADCs amostram sinais analógicos em intervalos regulares e convertem estes valores em palavras binárias Com que frequência um sinal analógico deve ser amostrado para obtermos uma saída que seja representativa deste sinal A Figura 43 ilustra o problema com diferentes taxas de amostragem para o mesmo sinal analógico Quando o sinal é reconstruído a partir das amostras o formato original do sinal é obtido apenas quando a taxa de amostragem for pelo menos duas vezes a maior frequência no sinal analógico Este critério é conhecido com critério de Nyquist ou teorema da amostragem de Shannon Quando a taxa de amostragem é menor do que duas vezes a maior frequência a reconstrução pode representar um outro sinal analógico gerando assim uma imagem falsa do sinal real Isto é conhecido como aliasing falseamento O sinal mostrado na Figura 43c pode ser um com uma frequência muito menor do que a do sinal analógico que foi amostrado Sempre que um sinal for amostrado com uma frequência muito baixa pode ocorrer uma falsa interpretação de componentes de alta frequência como originários de uma suposta frequência baixa Um ruído de alta frequência também pode gerar erros no processo de conversão Para minimizar erros devido ao aliasing e a ruídos de alta frequência é usado um filtro passabaixas antes do ADC que tem uma largura de banda que permite a passagem apenas das frequências que não produzirão erros de aliasing Este filtro é denominado de filtro antialiasing 422 Conversão digitalanalógica A entrada de um conversor digitalanalógico DAC é uma palavra binária a saída é um sinal analógico que representa a soma ponderada dos bits não nulos represen Figura 43 Efeitos da frequência de amostragem a sinal analógico b sinal amostrado c sinal amostrado tados pela palavra Portanto por exemplo um entrada de 0010 tem que ser uma saída analógica que é duas vezes aquela dada pela entrada 0001 A Figura 44 ilustra isto para uma entrada de um DAC com resolução de 1 V para palavras binárias não sinalizadas Cada bit adicional aumenta a tensão de saída em 1 V Considere a situação em que um microprocessador fornece uma saída de 8 bits Esta é transferida através de um conversor digitalanalógico para uma válvula de controle Esta válvula necessita de 6 V para abrir totalmente Se o estado de abertura total for indicado por 11111111 qual será a saída correspondente a uma variação de 1 bit A tensão de saída de fundo de escala de 60 V é dividida em 2⁸ intervalos Uma variação de 1 bit corresponde a uma variação na tensão de saída de 602⁸ 0023 V 43 Conversores digitalanalógico e analógicodigital As técnicas a seguir são encontradas em DACs e ADCs 431 DACs Uma forma simples de DAC usa um amplificador somador veja a Seção 323 para produzir uma soma ponderada de todos os bits diferentes de zero na palavra de entrada Figura 45 A tensão de referência é conectada aos resistores por chaves eletrônicas que respondem ao binário 1 Os valores das resistências de entrada dependem do bit da palavra ao qual a chave está respondendo o valor do resistor para bits sucessivos a partir do LSB é dividido por 2 Portanto a soma das tensões é uma soma ponderada dos dígitos na palavra Este sistema é conhecido como rede de resistores ponderados A função do circuito ampop amplificador operacional é atuar como um buffer para garantir que a corrente de saída da rede de resistores não seja afetada pela carga de saída e também para que o ganho possa ser ajustado em uma faixa apropriada de tensões de saída para uma determinada aplicação Figura 44 Entradasaída para um DAC Figura 45 DAC com resistores ponderados Um problema com a rede de resistores ponderados é que se deve usar resistências de precisão e que os resistores são difíceis de serem obtidos ao longo de uma faixa ampla Como consequência este tipo de conversor se limita a conversões de 4 bits Outra versão normalmente mais usada emprega uma rede escada R2R Figura 46 Com esta versão superase o problema da obtenção de resistores de precisão em uma ampla faixa de valores sendo necessário apenas dois valores A tensão de saída é gerada comutandose seções do circuito escada para a tensão de referência ou para 0 V conforme a entrada digital seja 1 ou 0 A Figura 47 mostra detalhes do DAC GEC Plessey ZN558D com entrada com latch usando uma rede escada R2R Ao final da conversão o resultado de 8 bits é colocado em um latch interno até o término da próxima conversão Os dados são mantidos pelo latch quando a entrada HABILITAÇÃO for nível alto Dizse que o latch é transparente quando a entrada HABILITAÇÃO for nível baixo Um latch é apenas um dispositivo para retenção da saída até que uma outra substitua a anterior Quando um DAC tem um latch ele pode ser interfaceado diretamente com o barramento de dados de um microprocessador e tratado por ele como apenas um endereço para enviar dados Um DAC sem latch deve ser conectado ao barramento via Figura 46 DAC do tipo escada R2R Figura 47 DAC ZN558D 2 A resolução sendo os DACs de 8 bits geralmente satisfatórios para a maioria dos sistemas de controle microprocessados O ZN558D é de 8 bits 3 O tempo de acomodação que é o tempo que o DAC gasta para alcançar dentro de ½ LSB de sua nova tensão após uma mudança binária Para o ZN558D este parâmetro vale 800 ns 4 A linearidade que é o máximo desvio da linha reta entre zero e o ponto de operação máximo na saída Este é no máximo 05 LSB para o ZN558D 432 ADCs A entrada de um ADC é um sinal analógico e a saída é uma palavra binária que representa o nível do sinal de entrada Existem ADCs que utilizam alguns métodos sendo os mais comuns o de aproximações sucessivas o da rampa o dupla rampa e o flash O método de aproximações sucessivas é provavelmente o mais usado A Figura 49 ilustra os subsistemas envolvidos Uma tensão é gerada por um clock que emite uma sequência regular de pulsos que são contados de forma binária e a palavra binária resultante convertida em uma tensão analógica por um DAC Esta tensão aumenta em degraus e é comparada com a tensão de entrada analógica proveniente do sensor Quando a tensão gerada pelo DAC ultrapassa a tensão analógica de entrada a porta é fechada A saída do contador neste instante é a representação digital da tensão analógica de entrada Enquanto a comparação poderia ser realizada começando a contagem em 1 o LSB e então crescendo bit a bit um método mais rápido é o de aproximações sucessivas Este método envolve a seleção do MSB que é menor do que o valor analógico acrescentando em seguida os bits menos significativos para os quais o total não exceda ao valor analógico Por exemplo podemos iniciar a comparação com 1000 Se este for maior tentamos 0100 Se este for menor tentamos 0110 Se este for maior tentamos 0101 Como cada um dos bits da palavra é testado em sequência com uma palavra de n bits se gastam n passos para fazer a comparação Portanto se o clock tem uma frequência f o tempo entre pulsos é 1f Assim o tempo gasto para gerar a palavra ou seja o tempo de conversão é nf A Figura 410 mostra a forma típica de um ADC de 8 bits GEC Plessey ZN439 projetado para ser usado com microprocessadores e empregandose o método de aproximações sucessivas A Figura 411 mostra como ele pode ser conectado de forma que seja controlado por um microprocessador e envie sua saída digital ao mi Figura 410 ADC ZN439 Figura 411 ZN439 conectado a um microprocessador negativo borda de descida a conversão começa No final da conversação o pino de status vai para nível baixo A saída digital é enviada para o buffer interno onde ela é armazenada até que seja lida como resultado do pino de habilitação da saída ser levado ao nível baixo O ADC do tipo rampa envolve uma tensão analógica que é aumentada a uma taxa constante mais conhecida como tensão em rampa e aplicada a um comparador sendo lá comparada com a tensão analógica proveniente do sensor O tempo gasto para a tensão em rampa aumentar até o valor da tensão do sensor depende da amplitude da tensão analógica amostrada Quando a tensão na forma de rampa inicia uma porta permite o inicio da contagem de pulsos regulares de um clock por um contador binário Quando as duas tensões forem iguais a porta inibe a passagem dos pulsos e a palavra binária indicada pelo contador é a representação digital da tensão analógica amostrada A Figura 412 indica os subsistemas envolvidos no ADC do tipo rampa O conversor de dupla rampa é mais comum do que o de rampa simples A Figura 413 mostra o circuito básico A tensão analógica é aplicada a um integrador cuja saída é a entrada de um comparador A saída deste comparador vai para nível alto logo que a saída do integrador for poucos milivolts maior do que GND Quando a saída do comparador for nível alto uma porta AND permite a passagem de pulsos para um contador binário Este contador conta até o overflow transbordamento Então o contador retorna para zero envia um sinal para uma chave que desconecta a tensão desconhecida e conecta uma tensão de referência e inicia a contagem novamente A polaridade da tensão de referência é oposta à da tensão de entrada Assim a tensão do integrador diminui a uma taxa proporcional à tensão de referência Quando a saída do integrador chega a zero a saída do comparador vai para nível baixo levando a entrada da AND para nível baixo e impedindo a passagem do clock Então a contagem do contador representa a medida da tensão analógica de entrada ADCs de dupla rampa têm uma excelente rejeição a ruído porque a ação de integração tira a média das contribuições negativas e positivas aleatórias ao longo de um período de amostragem Entretanto eles são muito lentos O ADC flash é muito rápido Para um conversor de n bits são necessários 2ⁿ 1 comparadores de tensão em paralelo tendo cada um a tensão de entrada analógica como uma das entradas Figura 414 Uma tensão de referência é aplicada a uma escada de resistores de forma que a tensão aplicada na outra entrada de cada comparador tenha uma amplitude que equivale a um bit em relação à tensão aplicada ao comparador anterior Portanto quando a tensão analógica é aplicada ao ADC em todos os comparadores nos quais a tensão analógica for maior que a tensão de referência deles a saída correspondente é nível alto e naqueles em que ela for menor a saída correspondente é nível baixo Estas saídas em paralelo passam por um sistema de portas lógicas que as convertem em uma palavra digital Ao considerarmos as especificações de ADCs os termos a seguir são encontrados 1 Tempo de conversão ou seja o tempo necessário para completar uma conversão do sinal de entrada Este parâmetro estabelece a frequência superior do sinal que pode ser amostrado sem aliasing a frequência máxima é 12 tempo de conversão 2 Resolução que é o valor do sinal de fundo de escala dividido por 2ⁿ em que n é o número de bits Normalmente é especificada apenas pelo número de bits 3 Erro de linearidade que é o desvio a partir de uma linha reta de zero ao valor de fundo de escala Ele é no máximo de 12 LSB A Tabela 41 apresenta algumas especificações detalhadas de ADCs de uso comum ADC Tipo Resolução bits Conversão ns Erro de linearidade LSB ZN439 SA 8 5000 12 ZN448E SA 8 9000 12 ADS7806 SA 12 20000 12 ADS7078C SA 16 20000 12 ADC302 F 8 20 12 AS aproximação sucessiva F flash 433 Amplificadores de amostragem e retenção Um ADC gasta um tempo finito para converter um sinal analógico em digital e caso este sinal varie durante o tempo de conversão podem surgir problemas Para evitar isto é usado um sistema de amostra e retenção para amostrar o sinal analógico e mantêlo enquanto a conversão ocorre O circuito básico Figura 415 consiste de uma chave eletrônica para se obter a amostra com um capacitor para reter o valor e um amplificador operacional na configuração seguidor de tensão A chave eletrônica é controlada de modo que a amostra é obtida no instante determinado pela entrada de controle Quando a chave é fechada a tensão de entrada é aplicada no capacitor e a tensão de saída passa a ter o mesmo valor Se a tensão de entrada variar enquanto a chave estiver fechada a tensão no capacitor e na saída varia da mesma forma Quando a chave é aberta o capacitor retém sua carga e a tensão de saída permanece igual à tensão de entrada no instante em que a chave foi aberta Portanto a tensão é mantida até que a chave seja fechada novamente O tempo necessário para que o capacitor carregue com o valor de uma nova amostra da tensão analógica de entrada é denominado tempo de aquisição e depende do valor da capacitância e da resistência do circuito quando a chave estiver fechada Este tempo tem valores típicos da ordem de 4 µs 44 Multiplexadores Um multiplexador é um circuito que recebe dados através dos seus vários canais de entrada e então através da seleção de um destes canais produz uma saída a partir de apenas um deles Em aplicações onde há a necessidade de se fazer medições de fontes diferentes em vez de se usar um ADC e um microprocessador para cada medição podese usar um multiplexador para selecionar uma entrada de cada vez e enviála a um ADC e um microprocessador Figura 416 O multiplexador é essencialmente um dispositivo de chaveamento eletrônico que por sua vez habilita cada uma das entradas a ser amostrada Como uma ilustração dos tipos de multiplexadores disponíveis o DG508ACJ tem oito canais de entrada com um endereço de 3 bits para fins de seleção do canal O tempo de transição entre as amostras é 06 µs Condicionadores de sinal Multiplexador ADC Saída digital Sinal amostrado Sinal de seleção do canal Figura 416 Multiplexador 441 Multiplexador digital A Figura 417 mostra o princípio básico de um multiplexador que pode ser usado para selecionar entradas de dados digitais por questão de simplicidade é mostrado apenas um sistema com dois canais de entrada O nível lógico aplicado na entrada de seleção determina qual porta AND é habilitada de modo que o dado em sua entrada passe pela porta OR para a saída veja o próximo capítulo para um estudo destas portas Diversos tipos de multiplexadores são disponibilizados em encapsulamentos integrados O tipo 151 habilita uma das oito linhas selecionáveis o tipo 153 habilita uma das quatro linhas que é selecionada pelos dados em duas outras linhas o tipo 157 habilita uma dentre duas entradas que é selecionada conforme os dados em quatro linhas 442 Multiplexação por divisão de tempo Muitas vezes é necessário que diversos dispositivos periféricos compartilhem as mesmas linhas de entradasaída de um microprocessador Para que cada periférico possa receber dados diferentes é necessário alocar cada um em um slot ou segmento de tempo durante o qual os dados são transmitidos Isto é denominado multiplexação por divisão de tempo TDM Time Division Multiplexing A Figura 418 ilustra como esta técnica pode ser usada para acionar dois displays Na Figura 418a o sistema não é multiplexado no tempo diferentemente de b Entradas Entradas de dados 1 Saída de dados Seleção Seleção Figura 417 Multiplexador de dois canais Figura 418 Multiplexação por divisão de tempo 45 Aquisição de dados O termo aquisição de dados ou DAQ data aquisition é usado no processo de obtenção de dados a partir de sensores e o envio deles a um computador para processamento Os sensores são conectados geralmente via algum condicionador de sinal em uma placa de aquisição de dados que é conectada a um computador Figura 419a A placa de aquisição de dados é uma placa de circuito impresso que para entradas analógicas geralmente é composta de multiplexador amplificador conversor analógicodigital registradores e circuito de controle de maneira que os sinais digitais amostrados são enviados ao sistema de computador A Figura 419b mostra os elementos básicos desta placa Um software do computador é usado para controlar a aquisição de dados via placa DAQ Quando o programa necessita de uma entrada de um determinado sensor ele ativa a placa enviando uma palavra de controle para controlar o registrador de status Esta palavra indica o tipo de operação que a placa tem que realizar Como consequência a placa comuta o multiplexador para o canal de entrada desejado A entrada do sensor conectado a este canal é então enviada ao ADC via amplificador Após a conversão o sinal digital resultante é enviado ao registrador de dados e a palavra no registrador de controle e status muda indicando que o sinal chegou Em seguida a este sinal de aviso o computador emite um sinal para que os dados Condicionamento de sinal Sensores Placa DAC Computador Entrada analógica Multiplexador Amplificador ADC Controle Registrador de controle e status Registrador de dados Conector para os circuitos do computador a b Figura 419 Sistema de aquisição de dados sejam lidos e recebidos por ele para serem processados Este sinal de aviso é necessário para garantir que o computador não fique esperando sem fazer nada a placa realizar a aquisição dos dados mas ele serve para avisar ao computador quando a aquisição está completa e desta forma o computador pode interromper o programa que está executando ler os dados do DAQ e então continuar com o programa que foi interrompido Um sistema mais rápido não envolve o computador na transferência dos dados para a memória mas transfere os dados da placa de aquisição diretamente para a memória sem envolver o computador Esta operação é denominada acesso direto da memória DMA Direct Memory Access As especificações para uma placa DAQ incluem a taxa de amostragem para entradas analógicas que pode ser de 100 kSs 100000 amostras samples por segundo O critério de Nyquist para a amostragem indica que se a máxima frequência do sinal analógico que pode ser amostrado pela placa é 50 kHz a taxa de amostragem tem que ser duas vezes a componente de maior frequência do sinal Além destas funções básicas de uma placa DAQ ela também pode fornecer saídas analógicas temporizadores e contadores que podem ser usados para fornecer sinais de disparo para o sistema do sensor A Figura 420 mostra um exemplo de uma placa multifunção de baixo custo para uso com computadores IBM Esta figura mostra a estrutura organizacional básica da placa de aquisição de dados PCLPM16 da National Instruments Esta placa tem 16 canais de entrada analógicos uma taxa de amostragem de 50 kSs uma entrada digital de 8 bits e uma saída digital de 8 bits e um contadortemporizador que pode gerar uma saída Os canais podem ser acessados em uma sequência obtendo uma leitura de cada canal por vez ou podese acessar continuamente um único canal Elemento FIFO que armazena temporariamente amostras que dependem de comando de transferência Interface com o PC FIFO ADC Amplificador Entradas analógicas Multiplexador Contador de varreduras Temporização AD Entrada para controle externo Entrada da porta Contador temporizador Entrada de clock Saída do contadortemporizador Entradasaída do computador 1 MHz Interrupção Interrupção externa Entrada digital IO digital Saída digital Conector de entradasaída Figura 420 Placa DAQ PCLPM16 451 Precisão dos dados Uma vantagem do processamento de sinais digitais é que duas faixas de tensões são usadas em vez de dois níveis de tensão para distinguir entre dois estados binários para cada bit Portanto a precisão dos dados é menos afetada pelo ruído pela deriva pela tolerância dos componentes e por outros fatores que provocam flutuações nas tensões que são críticas para transmissão como tensões analógicas Por exemplo em um sistema de 5 V a diferença entre os dois estados binários é tipicamente de 3 V no mínimo Assim dois sinais podem ser 0 e 5 V ou 1 V e 4 V e ainda ser distinguidos como 0 e 1 452 Método da paridade para a detecção de erro O movimento de dados digitais de um local para outro pode resultar em erros de transmissão em que o receptor não recebe o mesmo sinal transmitido em virtude de um ruído elétrico no processo de transmissão Muitas vezes um pulso de ruído pode ser grande o suficiente em algum ponto de forma a alterar o nível lógico do sinal Por exemplo a sequência 1001 pode ser transmitida e recebida como sendo 1101 Para detectar erros como este frequentemente é usado um bit de paridade Este é um bit extra 0 ou 1 acrescentado ao grupo de bits do código na transmissão No caso da paridade par o valor deste bit é escolhido de forma que o número total de uns no grupo incluindo o bit de paridade seja um número par Por exemplo na transmissão de 1001 o bit de paridade usado deve ser 0 resultando em 01001 que tem um número par de uns Na transmissão de 1101 o bit de paridade usado deve ser 1 resultando em 11101 que tem um número par de uns No caso da paridade ímpar o bit de paridade é escolhido de forma que o número total de uns incluindo o bit de paridade seja ímpar Portanto se no receptor o número de uns em um grupo de bits de um código não tiver a paridade esperada saberemos que há um erro podendo ser solicitada uma retransmissão Uma extensão da verificação de paridade é o sum check verificação de somas no qual blocos de código podem ser verificados enviandose uma série de bits que representam suas somas binárias A paridade e o sum check podem detectar apenas erros simples em blocos de código erros duplos não são detectados Além disso não é identificado o local do erro de forma que a correção possa ser feita pelo receptor Os métodos e as técnicas de detecção de múltiplos erros para definir os erros têm que ser projetados 46 Processamento de sinais digitais O termo processamento de sinais digitais ou processamento de sinais discretos no tempo é usado para o processamento aplicado a um sinal por um microprocessador Os sinais digitais são sinais discretos no tempo porque não são funções contínuas no tempo mas existem apenas em tempos discretos Considerando que o condicionamento de sinais analógicos requer componentes como amplificadores e circuitos de filtro o condicionamento de sinais digitais pode ser realizado por um programa aplicado a um microprocessador ou seja que processe o sinal Para alterar as características de um filtro usado com sinais analógicos é necessário alterar componentes de hardware ao passo que para alterar as características de um filtro digital basta alterar o software ou seja o programa com as instruções que o microprocessador executa Em um sistema de processamento de sinais digitais há uma entrada de uma palavra que representa a amplitude do pulso e a saída de uma outra palavra O pulso de saída em um determinado instante é calculado pelo sistema como resultado do processamento do pulso de entrada juntamente com os pulsos de entrada anteriores e possivelmente saídas anteriores do sistema Por exemplo o programa usado pelo microprocessador pode ler o valor atual da entrada e somálo ao valor anterior da saída para obter uma nova saída Se considerarmos a entrada atual como sendo o pulso de ordem k na sequência de entrada de pulsos podemos representar esses pulsos como xk A saída de ordem k na sequência de pulsos pode ser representada por yk A saída anterior ou seja o pulso k 1 pode ser representado por yk 1 Portanto podemos descrever o programa que fornece uma saída obtida pela soma do valor atual de entrada com a saída anterior como a seguir yk xk yk 1 Esta equação é denominada equação de diferença Ela fornece a relação entre a saída e a entrada para um sistema discreto no tempo e é comparável com a equação diferencial que é usada para descrever a relação entre a saída e a entrada em um sistema contendo entradas e saídas que variam continuamente no tempo No caso da equação de diferença anterior suponha que temos uma entrada de uma onda senoidal amostrada com a seguinte sequência de pulos 05 10 05 05 10 05 05 10 O pulso de entrada k1 tem amplitude de 05 Se considerarmos que a saída anterior era zero então yk 1 0 e assim y1 05 0 05 O pulso de entrada k 2 tem uma amplitude de 10 e assim y2 x2 y2 1 10 05 15 O pulso de entrada k 3 tem uma amplitude de 05 e assim y3 x3 y3 1 05 15 20 O pulso de entrada k 4 tem uma amplitude de 05 e assim y4 x4 y4 1 05 20 15 O pulso de entrada k 5 tem uma amplitude de 10 e assim y5 x5 y5 1 10 15 05 Portanto a saída de pulsos é 05 15 20 15 05 Podemos continuar desta forma até obter a saída para todos os pulsos Como um outro exemplo de uma equação de diferença temos yk xk ayk 1 byk 2 A saída é o valor do pulso atual de entrada a vezes a saída anterior menos b vezes a penúltima saída Se tivermos a 1 e b 05 e considerando a entrada como o sinal senoidal amostrado apresentado anteriormente então a saída será 05 15 175 05 137 Podemos ter uma equação de diferenças que produz uma saída que é similar à que obteríamos ao integrar um sinal contínuo no tempo A integração de um sinal contínuo no tempo entre dois instantes pode ser considerada a área sob a função contínua no tempo entre os dois instantes Portanto se considerarmos dois sinais discretos no tempo xk e xk 1 ocorrendo em intervalos de tempo T entre eles Figura 421 a variação na área é 12 Txk xk 1 Portanto se a saída for a soma da área anterior com esta variação na área a equação de diferença é yk yk 1 12 Txk xk 1 Esta é conhecida como aproximação de Tustin para a integração A diferenciação pode ser aproximada pela determinação da taxa na qual a entrada varia Portanto quando a entrada varia de xk 1 a xk no tempo T a saída é yk xk xk 1T Figura 421 Integração Resumo A conversão analógicodigital envolve a conversão de sinais analógicos em palavras binárias Um clock fornece um sinal de tempo regular para um conversor analógicodigital ADC e este amostra o sinal analógico a cada pulso de clock Uma unidade de amostragem e retenção mantém o valor amostrado até que o próximo pulso ocorra Os ADCs usam métodos de conversão como aproximações sucessivas rampa dupla rampa e flash A conversão digitalanalógico envolve a conversão de uma palavra binária em um sinal analógico Os conversores digitalanalógico DACs usam métodos como resistor ponderado e escada R2R Um multiplexador é um circuito que é capaz de ter entrada de dados a partir de algumas fontes e através da seleção do canal de entrada fornece na saída o sinal de uma destas fontes O termo aquisição de dados ou DAQ é usado para o processo de obtenção de dados a partir de sensores e a transferência destes para um computador processálos O termo processamento de sinais digitais ou processamento de sinais discretos no tempo é usado para o processamento realizado sobre um sinal por um microprocessador Problemas 41 Qual é a resolução de um ADC com uma palavra de 12 bits e um sinal analógico de entrada de amplitude 100 V 42 Um sensor fornece uma saída analógica máxima de 5 V Qual é o tamanho da palavra que um ADC necessita para ter uma resolução de 10 mV 43 Uma escada R2R de resistores tem sua saída conectada a um amplificador operacional inversor com uma resistência de realimentação de 2R Se a tensão de referência for 5 V determine a resolução do conversor 44 Para um DAC com resistor ponderado quais devem ser os valores das resistências de entrada a serem ponderadas para um DAC de 4 bits 45 Qual é o tempo de conversão para um ADC de 12 bits com uma frequência de clock de 1 MHz 46 Ao monitorar a entrada de alguns sensores de termopar a sequência dos módulos apresentada a seguir é usada para cada termopar em sua interface com o microprocessador Proteção compensação da junção fria amplificação linearização amostragem e retenção conversão analógicodigital buffer multiplexação Explique a função de cada um dos módulos 47 Sugira os módulos que podem ser necessários na interface da saída de um microprocessador com um atuador 48 Para o DAC com resistor ponderado de 4 bits mostrado na Figura 45 determine a saída dos resistores para o amplificador para as entradas 0001 0010 0100 e 1000 se as entradas são 0 V para o nível lógico 0 e 5 V para o nível lógico 1 49 Se o menor resistor em um DAC de resistor ponderado de 16 bits for R qual é o valor do maior resistor 410 Um ADC do tipo rampa de 10 bits tem uma entrada de fundo de escala de 10 V Quanto tempo ele gasta para converter uma entrada de fundo de escala se o período do clock for de 15 µs 411 Para um ADC de 12 bits com uma entrada de fundo de escala entre as técnicas de aproximações sucessivas e rampa qual é o ADC mais rápido 6 Sistemas de Apresentação de Dados OBJETIVOS Ao final do estudo deste capítulo o leitor deverá ser capaz de Explicar o problema do efeito de carga nos sistemas de medição Identificar os elementos de apresentação de dados normalmente usados e descrever suas características Explicar os princípios da gravação magnética e óptica Explicar os princípios dos displays em particular os de LED de sete segmentos e os de matriz de pontos Descrever os elementos básicos dos sistemas de aquisição de dados e instrumentos virtuais 61 Displays Este capítulo aborda como os dados podem ser apresentados por exemplo como dígitos em um display de LEDs ou exibidos em uma tela de computador e armazenados por exemplo em um disco rígido ou CD Os sistemas de medida consistem de três elementos sensor condicionador de sinal e display ou elemento de apresentação de dados veja a Seção 14 Existe uma grande variedade de elementos que podem ser usados para a apresentação de dados Tradicionalmente eles são classificados em dois grupos indicadores e gravadores Os indicadores fornecem uma saída visual imediata da variável que o sensor mede enquanto que os registradores gravam o sinal de saída ao longo de um período de tempo e fornecem automaticamente uma gravação permanente Este capítulo também pode ser considerado como o complemento do grupo de capítulos relacionados aos sistemas de medição ou seja sensores condicionamento de sinais e agora display Desta forma este capítulo é usado para reunir os itens ao considerar exemplos de sistemas de medição completos 611 Efeito de carga Um ponto geral a ser levado em consideração quando se interliga qualquer sistema de medição é o efeito de carga ou seja o efeito da conexão de uma carga nos terminais de saída de qualquer elemento de um sistema de medição A conexão de um amperímetro em um circuito para medir a corrente altera a resistência do circuito e consequentemente a corrente A tentativa de fazer esta medição provoca uma alteração no circuito que altera a corrente que está sendo medida Quando um voltímetro é conectado em um resistor efetivamente temos duas resistências em paralelo e se a resistência do voltímetro não for consideravelmente maior que a do resistor a corrente através do resistor é perceptivelmente alterada e assim a tensão medida é diferente da real A tentativa desta medição modifica a tensão que está sendo medida Esta ação é denominada efeito de carga O efeito de carga também pode ocorrer dentro de um sistema de medição quando a conexão de um elemento a outro modifica as características do elemento anterior Considere por exemplo um sistema de medição que consiste de um sensor um amplificador e um display que é elemento de apresentação da medida Figura 61 O sensor tem uma tensão de saída em circuito aberto de Vs e uma resistência Rs O amplificador tem uma resistência de entrada de Rin Portanto esta é a resistência conectada ao sensor Assim a tensão de entrada proveniente do sensor é dividida de modo que a diferença de potencial na carga e portanto a tensão de entrada Vin do amplificador é VinVsRinRsRin Se o amplificador tem um ganho de tensão de G então a tensão de saída em circuito aberto dele é GVin Se o amplificador tem uma resistência de saída de Rout então a tensão de saída do amplificador é dividida de forma que a diferença de potencial Vd no elemento de apresentação resistência Rd é VdGVinRdRoutRdGVsRinRdRoutRdRsRinGVsRoutRd1RsRin1 Figura 61 Efeito de carga em um sistema de medição Portanto para que os efeitos de carga sejam desprezíveis é necessário que Rout Rd e Rs Rin 62 Elementos de apresentação de dados Esta seção apresenta uma abordagem geral de exemplos de elementos de apresentação de dados 621 Medidores analógicos e digitais Um medidor de bobina móvel é um indicador analógico com um ponteiro que se move sobre uma escala O galvanômetro básico é um microamperímetro CC com shunts resistências de desvio em paralelo multiplicadores e retificadores usados para se obter outras faixas de medição de corrente e tensão contínua e alternada Nos casos de correntes e tensões alternadas o instrumento é restrito às frequências entre 50 Hz e 10 kHz A precisão deste medidor depende de alguns fatores dentre eles a temperatura a presença de campos magnéticos próximos ou materiais ferrosos a maneira com que o medidor é montado fricção do mancal imprecisões na escala no processo de fabricação etc Além disso existem erros que envolvem a leitura do medidor por exemplo erros de paralaxe em que a leitura do medidor com o ponteiro sobre a escala é feita em um ângulo que não é reto em relação à escala e erros que surgem da estimativa do posicionamento do ponteiro entre marcas na escala Em geral a precisão é da ordem de 01 a 05 O tempo gasto para que um medidor de bobina móvel alcance a deflexão estacionária é tipicamente de alguns segundos A baixa resistência do medidor pode apresentar problemas de efeito de carga O voltímetro digital apresenta sua leitura na forma de uma sequência de dígitos Um display desta forma elimina os erros de paralaxe e interpolação e pode apresentar precisões tão altas quanto 0005 O voltímetro digital é essencialmente uma unidade de amostragem e retenção conectada a um conversor analógicodigital cuja saída é a contagem de um contador Figura 62 Ele tem uma alta resistência da ordem de 10 MΩ e desta forma os seus efeitos de carga são bem menores em comparação a um medidor de bobina móvel com uma resistência menor Portanto se a especificação de um voltímetro digital inclui a afirmação taxa de amostragem de aproximadamente 5 leituras por segundo então isto significa que a cada 02 s a tensão de entrada é amostrada Este é o tempo para o instrumento processar o sinal e fornecer a leitura Portanto se a tensão de entrada variar a uma taxa que resulte em variações significativas durante 02 s então a leitura do voltímetro pode apresentar erro Um voltímetro digital de baixo custo tem tipicamente uma taxa de amostragem de 3 por segundo e uma impedância de entrada de 100 MΩ Figura 62 Princípio do voltímetro digital 622 Registradores gráficos analógicos Os registradores gráficos analógicos registram os dados em papel através de penas com pontas de fibra à base de tinta através do impacto de uma ponta que pressiona uma fita de carbono contra o papel através do uso de um papel termicamente sensível que muda de cor quando uma ponta aquecida se move sobre ele através de um feixe de luz ultravioleta que incide em um papel sensível a essa luz e através de um fio de tungstênio que se move sobre a superfície de um papel especialmente coberto de uma fina camada de alumínio sobre uma tinta colorida e uma descarga elétrica que remove o alumínio expondo a tinta Em muitas aplicações eles foram substituídos por instrumentos virtuais abordados mais adiante neste capítulo 623 Osciloscópio de raios catódicos O osciloscópio de raios catódicos é um instrumento de medição de tensão que é capaz de mostrar sinais de frequências extremamente altas Um instrumento deste de propósito geral pode responder a sinais de até 10 MHz enquanto que instrumentos mais específicos podem responder a até 1 GHz Os osciloscópios de duplo feixe permitem que dois traços independentes sejam mostrados simultaneamente na tela Os osciloscópios de memória são capazes de manter o traço na tela após o sinal ter cessado sendo removido apenas por uma ação que apaga o traço na tela Os osciloscópios de memória digital digitalizam o sinal de entrada e armazenam o sinal digital em uma memória Então o sinal pode ser analisado e manipulado e mostrado na tela do osciloscópio no formato analógico sendo este obtido a partir da reconstrução do sinal analógico A memorização permanente do traço pode ser feita com o uso de câmeras de aplicação especial fixadas diretamente no osciloscópio Um osciloscópio de propósito geral tem geralmente deflexão vertical ou seja deflexão em Y sensibilidade que varia entre 5 mV e 20 V por divisão da escala Para que as componentes CA possam ser visualizadas na presença de tensões CC altas podese comutar um capacitor de bloqueio da componente CC na linha de entrada Quando o amplificador está em modo ca sua largura de banda se estende de 2 Hz a 10 MHz e quando em modo CC tem extensão desde CC a 10 MHz A impedância da entrada Y é tipicamente em torno de 1 MΩ com um capacitor shunt de 20 pF Quando é conectado um circuito externo na entrada Y os problemas devido ao efeito de carga e interferência podem distorcer o sinal de entrada Apesar da interferência poder ser reduzida com o uso de cabo coaxial a capacitância deste cabo e de qualquer ponta de prova conectada a ele pode ser suficiente particularmente em baixas frequências para introduzir uma impedância relativamente baixa na impedância de entrada do osciloscópio e desta forma introduzir um efeito de carga significativo Existem várias pontas de prova para conexão com o cabo de entrada que são projetadas para aumentar a impedância de entrada evitando este problema de efeito de carga Uma ponta de prova de tensão passiva normalmente usada tem um atenuador de 10 para 1 Figura 63 Esta tem um resistor de 9 MΩ e um capacitor variável na extremidade da ponta Entretanto isto reduz não apenas a carga capacitiva mas também a sensibilidade de tensão e por isso é frequente o uso de uma ponta de prova ativa que emprega um FET Figura 63 Ponta de prova de tensão passiva 624 Unidade de apresentação de dados Cada vez mais os dados de saída são apresentados usandose uma unidade de apresentação de dados VDU Visual Display Unit No caso da tela de um tubo de raios catódicos a imagem é formada pelo movimento de um feixe de elétrons em uma série de linhas de varredura horizontal percorrendo uma após a outra até a parte de baixo da tela A imagem é formada através da variação da intensidade do ponto luminoso na tela à medida que cada linha é percorrida Esta imagem formada por linhas é denominada não entrelaçada Figura 64a Para reduzir os efeitos de flicker cintilação são usadas duas varreduras percorrendo a tela de cima para baixo para gerar uma imagem completa Na primeira varredura da tela todas as linhas ímpares são percorridas e na segunda todas as linhas pares Esta técnica é denominada de varredura entrelaçada Figura 64b A tela de uma unidade de apresentação de dados é coberta com uma grande quantidade de pontos de fósforo que formam os pixels Este termo é usado para o menor ponto endereçável em um dispositivo display Um caractere de texto ou um diagrama é produzido na tela iluminandose seletivamente estes pontos luminosos A Figura 65 mostra em uma matriz 7 5 como os caracteres são gerados através de um feixe de elétrons que se move em ziguezague percorrendo a tela de cima para baixo Os dados de entrada da unidade de apresentação de dados são geralmente digitais e no padrão ASCII American Standard Code for Infor Figura 64 a Display não entrelaçado b entrelaçado Matriz de pixels 7 5 1 2 3 4 5 6 7 Linhas de varredura da tela Figura 65 Caractere construído através de pontos luminosos mation Interchange Código Padrão Americano para Troca de Informações Este é um código de 7 bits e pode ser usado para representar 2⁷ 128 caracteres Ele permite que todos os caracteres de um teclado padrão sejam convertidos bem com algumas funções de controle como RETURN que é usada para indicar o retorno do final de uma linha para o início da próxima A Tabela 61 mostra uma lista abreviada deste código 625 Impressoras As impressoras têm a função de gravar uma informação em papel Existem vários tipos de impressoras a de matriz de ponto a de jato de tinta e a laser A impressora de matriz de ponto tem um cabeçote de impressão Figura 66 que consiste de 9 ou 24 pinos em uma linha vertical Cada pino é controlado por um eletroímã que quando acionado impulsiona o pino contra a fita tintada Isto transfere uma pequena gota da tinta para o papel atrás da fita Um caractere é formado movendose o cabeçote de impressão em linhas horizontais de um lado para outro sobre o papel e acionandose os pinos apropriados A impressora jato de tinta usa uma tinta condutiva que é forçada a passar por um pequeno bico para produzir um jato de gotas de tinta muito pequenas de diâmetro constante em uma frequência também constante Com isto formase um fluxo constante de tinta que passa ao longo de um tubo e é pulsado para formar finas gotas por um cristal piezoelétrico que vibra em uma frequência de aproxima Tabela 61 Código ASCII Caractere ASCII Caractere ASCII Caractere ASCII A 100 0001 N 100 1110 0 011 0000 B 100 0010 O 100 1111 1 011 0001 C 100 0011 P 101 0000 2 011 0010 D 100 0100 Q 101 0001 3 011 0011 E 100 0101 R 101 0010 4 011 0100 F 100 0110 S 101 0011 5 011 0101 G 100 0111 T 101 0100 6 011 0110 H 100 1000 U 101 0101 7 011 0111 I 100 1001 V 101 0110 8 011 1000 J 100 1010 W 101 0111 9 011 1001 K 100 1011 X 101 1000 L 100 1100 Y 101 1001 M 100 1101 Z 101 1010 Mola de retorno Agulha de impressão Martelo Tubo guia Fita tintada Papel Mola de sobreposição Figura 66 Mecanismo do cabeçote de impressora matricial Gotas de tinta Cristal piezoelétrico Tinta Figura 67 Produção de uma série de gotas mente 100 kHz Figura 67 Um outro tipo usa um pequeno aquecedor no cabeçote de impressão com tinta vaporizada em um tubo capilar produzindo assim bolhas de gás que expulsam gotas de tinta Figura 68 Em uma outra versão de impressora cada gota de tinta recebe uma carga elétrica como resultado da passagem através de um eletrodo carregado e estas gotas carregadas são defletidas ao passarem entre placas entre as quais é mantido um campo elétrico em outra versão uma pilha de agulhas é usada e cada jato é ligado ou desligado conforme a necessidade As impressoras jato de tinta podem imprimir em cores através do uso de um sistema de três jatos de tinta colorida O tamanho das gotas é tão pequeno que as impressoras podem produzir mais de 600 pontos por polegada A impressora laser tem um tambor fotossensível coberto com um material sensível à luz à base de selênio Figura 69 No escuro o selênio tem uma alta resistência e consequentemente se torna eletricamente carregado à medida que passa próximo a um fio com carga e tensão Um feixe de luz percorre o tambor ao longo do seu comprimento através de um pequeno espelho de rotação de oito faces Quando a luz atinge o selênio a resistência deste cai não permanecendo mais carregado Através do controle da intensidade do feixe de luz pontos no tambor podem ser descarregados ou deixados carregados À medida que o tambor passa pelo reservatório de toner as áreas com carga atraem partículas do toner que aderem às áreas que não foram expostas à luz diferentemente do que acontece com as áreas expos tas Aquecedor Tinta Aquecedor desligado Bolha de vapor Aquecedor ligado com uma bolha de vapor sendo produzida A bolha de vapor estoura ejetando uma gota de tinta Figura 68 Princípio do jato de bolhas Fio corona Tambor coberto de selênio Espelho rotativo Laser Toner Fio carregado Toner transferido para o papel Papel Rolete de fusão que fixa o toner no papel Figura 69 Elementos básicos de uma impressora laser à luz O papel recebe uma carga elétrica à medida que passa próximo a um outro fio carregado denominado fio corona de forma que ao passar próximo ao tambor ele atrai o toner do tambor Um rolete de fusão aquecido é então usado para derreter as partículas do toner de forma que após passar entre os roletes elas aderem firmemente ao papel Em geral as impressoras laser são capazes de produzir impressões com 1200 pontos por polegada 63 Gravação magnética A gravação magnética é usada para armazenamento de dados em discos flexíveis e discos rígidos de computadores Os princípios básicos compreendem um cabeçote de gravação que responde a um sinal de entrada e produz padrões magnéticos correspondentes em uma fina camada de material magnético e um cabeçote de leitura que força uma saída convertendo os padrões magnéticos sobre o material magnético em sinais elétricos Além destes cabeçotes é necessário um sistema de transporte que move o material magnético de forma controlada sob os cabeçotes A Figura 610a mostra os elementos básicos do cabeçote de gravação ele consiste de um núcleo de material ferromagnético que tem um entreferro Quando os sinais elétricos acionam a bobina que está em torno do núcleo um fluxo magnético é produzido no núcleo A proximidade do disco plástico coberto magneticamente com o entreferro faz com que o fluxo magnético percorra um caminho através do núcleo e da parte da cobertura magnética na região próxima ao entreferro Quando há um fluxo magnético passando na região do disco com a cobertura magnética esta se torna permanentemente magnetizada Portanto uma gravação magnética é produzida por um sinal elétrico de entrada A inversão da direção da corrente inverte a direção do fluxo O cabeçote de leitura Figura 610b tem uma construção similar ao de gravação Quando uma parte da cobertura magnética do disco reduz o entreferro então um fluxo magnético é induzido no núcleo As variações de fluxo no núcleo induzem forças eletromotrizes fems na bobina em torno do núcleo Portanto a saída da bobina é um sinal elétrico que está relacionado à gravação magnética na superfície do disco Material ferromagnético Corrente de magnetização na bobina de gravação Circuito magnético Entreferro Linhas de fluxo magnético Cobertura magnética Base de plástico Material ferromagnético Tensão induzida na bobina de leitura Circuito magnético Entreferro Linhas de fluxo magnético Cobertura magnética Áreas locais de magnetismo Base de plástico a b Figura 610 a Princípio da gravação magnética b cabeçote de leitura magnética 631 Códigos de gravação magnética A gravação digital envolve a gravação de sinais como uma combinação codificada de bits Uma célula de bit é o elemento da superfície magnética em que o magnetismo é saturado completamente em uma direção ou na direção contrária A saturação ocorre quando o campo de magnetização foi aumentado de tal forma que o material magnético atinge o seu fluxo magnético máximo e aumentos adicionais na corrente de magnetização não produzem variações As células de bit na superfície magnética podem ser como mostra a Figura 611 Um método óbvio de colocar os dados no material magnético pode ser fazendose uso do fluxo magnético em uma direção para representar um 0 e na direção contrária para representar um 1 Entretanto é necessário ler cada célula e assim fazemse necessário pontos de temporização precisos para indicar exatamente quando a amostragem deve ocorrer Problemas podem surgir se for usado algum clock externo para gerar os sinais de temporização como um pequeno erro entre os sinais de temporização e a taxa na qual a superfície magnética se move sob o cabeçote de leitura pode resultar talvez em uma célula não lida ou lida duas vezes O sincronismo é essencial Este é conseguido usandose as próprias células de bit para gerar os sinais da amostragem Um método é usar as transições na superfície magnética a partir das mudanças nos sentidos de saturação ou seja onde a demarcação entre dois bits for claramente evidente para sinalizar para a geração do sinal de temporização a fim de ajustálo de forma a ter sincronismo com as células de bit Se a reversão de fluxo não ocorrer em uma frequência suficiente este método de sincronismo ainda pode resultar na ocorrência de erros Uma forma de superar este problema é usar uma forma de codificação Os métodos a seguir são alguns dos mais usados 1 Sem retorno para zero NRZ NonReturntoZero Com este sistema o fluxo é gravado no disco de modo que nenhuma variação no fluxo representa um 0 e uma variação representa um 1 Figura 612a Entretanto ele não tem clock próprio Figura 611 Células de bit As células Saturação positiva Saturação negativa 0 1 1 1 1 0 a As células Bits 0 0 1 0 1 Saturação positiva Saturação negativa b As células Bits 1 1 0 0 Saturação positiva Saturação negativa c As células Bits 1 1 0 0 Saturação positiva Saturação negativa d Figura 612 Modulação a sem retorno para zero NRZ b de fase PE c de frequência FM d de frequência modificada MFM 2 Codificação de fase PE Phase Encoding A codificação de fase tem a vantagem de ter clock próprio sem a necessidade de um sinal de clock externo Cada célula é dividida em duas sendo metade com fluxo de saturação positivo e a outra metade negativo Então um dígito 0 é gravado como uma saturação positiva de meio bit seguida de uma saturação negativa na outra metade um dígito 1 é representado por uma saturação negativa em meio bit seguida por uma saturação positiva na outra metade A transição no meio da célula do positivo para o negativo indica um 0 e do negativo para o positivo indica um 1 Figura 612b 3 Modulação de frequência FM Frequency modulation Este tem um clock próprio e é similar à codificação de fase porém sempre há uma inversão direcional no fluxo no início de cada célula Figura 612c No caso do bit 0 não há uma inversão de fluxo adicional durante a célula Esta característica é contrária à do bit 1 4 Modulação de frequência modificada MFM Modified Frequency Modulation Esta é uma modificação do código de modulação de frequência A diferença é que a reversão de fluxo no início de cada código de bit existe apenas se os bits atual e anterior forem 0 Figura 612d Isto significa que apenas uma inversão de fluxo é necessária para cada bit Este e o código de comprimento limitado são os mais usados em discos magnéticos 5 Comprimento limitado RLL Run Length Limited Este é um grupo de códigos com clock próprio que especifica uma distância mínima e máxima ou seja a duração entre fluxos reversos A duraçã máxi ma é curta o suficiente para garantir que os fluxos reversos sejam suficientemente frequentes para o código ter clock próprio Uma forma normalmente usada deste código é a RLL27 em que 27 significa que a distância mínima entre reversões de fluxo é de 2 bits e a máxima é de 7 A sequência de códigos é descrita como uma sequência de códigos S e códigos R Um código S código de espaço não tem reversões de fluxo enquanto que o código R código de reversão tem uma reversão durante o bit Dois códigos SR são usados para representar cada bit Os bits são agrupados em sequências de 2 3 e 4 bits e um código é associado a cada grupo sendo os códigos mostrados a seguir Sequência de bits Sequência do código 10 SRSS 11 RSSS 000 SSSRSS 010 RSSRSS 011 SSRSSS 0010 SSRSSRSS 0011 SSSSRSSS A Figura 613 mostra a codificação para a sequência 0110010 sendo dividida nos grupos 011 e 0010 e assim representada por SSRSSSSRSSRSS Há pelos menos dois códigos S entre códigos R e não pode haver mais de sete códigos S entre códigos R O código ótimo é aquele que permite que os bits sejam empacotados tão próximos quanto possível e que possam ser lidos sem erro Os cabeçotes de leitura podem localizar inversões muito facilmente mas eles não podem estar muito próximos um do outro O código RLL tem a vantagem de ser mais compacto que os outros sendo os códigos PE e FM os que ocupam o maior espaço Os códigos MFM e NRZ ocupam o mesmo espaço O NRZ tem a desvantagem de diferentemente dos outros códigos não ter clock próprio 632 Discos magnéticos A gravação digital frequentemente é feita em discos rígidos Os dados digitais são armazenados na superfície do disco ao longo de círculos concêntricos denominados trilhas Em um disco simples cabem muitas trilhas É usado um cabeçote de leituraescrita único para cada superfície de disco e eles são movidos através de um atua Figura 613 Código RLL dor mecânico para frente e para trás para ter acesso às diferentes trilhas O disco é girado por um acionador e os cabeçotes de leituraescrita leem ou escrevem dados em uma trilha Os discos rígidos Figura 614a são unidades hermeticamente fechadas com os dados armazenados na superfície ao longo de círculos concêntricos Um disco rígido é constituído por mais de um disco e os dados são armazenados nos dois lados de cada disco Estes são rotacionados em alta velocidade e as trilhas são acessadas pelo movimento dos cabeçotes de leituraescrita Uma grande quantidade de dados pode ser armazenada em discos como estes capacidades de armazenamentos de centenas de gigabytes são comuns atualmente A superfície do disco é dividida em setores Figura 614b e desta forma uma unidade de informação no disco tem um endereço que consiste de um número de trilha e um número de setor Um disco flexível tem normalmente de 8 a 18 setores e cerca de 100 trilhas Um disco rígido pode ter cerca de 2000 trilhas por superfície e 32 setores Para procurar um dado o cabeçote tem que ser movido ao longo da trilha desejada e o tempo gasto para isto é denominado de tempo de busca então ele espera que o setor desejado passe sob ele sendo este tempo denominado de latência Para que um endereço possa ser identificado é necessário que uma informação seja gravada no disco para identificar os segmentos e as trilhas A gravação destas informações é denominada formatação e tem que ser feita antes que os dados sejam armazenados no disco Geralmente a técnica usada é armazenar a informação desta localização nas trilhas de modo que quando os dados são armazenados a sequência da informação na trilha seja marca de índice cabeçalho do setor 0 dados do setor 0 reboque do setor 0 cabeçalho do setor 1 dados do setor 1 reboque do setor 1 cabeçalho do setor 2 dados do setor 2 reboque do setor 2 etc A marca de índice contém o número da trilha com o cabeçalho que identifica o setor O reboque do setor contém informação ou seja verificação de redundância cíclica que pode ser usada para verificar que um setor foi lido corretamente Figura 614 Disco rígido a arranjo de discos b trilhas e setores 64 Gravação óptica Assim como os discos magnéticos os CDROMs armazenam os dados ao longo de suas trilhas Diferentemente de um disco magnético que tem uma série de trilhas concêntricas um CDROM tem uma trilha espiral A superfície de gravação é coberta com alumínio e é altamente reflexiva A informação é então armazenada em uma trilha de cerca de 06 µm de largura como uma série de pequenas covas pits gravadas em relevo na superfície através de um feixe de luz laser com diâmetro de cerca de 1 µm Isto resulta em uma reflexão intensa se a luz incide em uma área da superfície sem depressão ou ausência de reflexão se a luz incide em uma depressão na superfície do disco Os dados são lidos como uma sequência de pulsos de luz refletida e não refletida A gravação óptica usa métodos similares de codificação aos usados na gravação magnética sendo a codificação RLL a mais usada Devido às gravações ópticas serem facilmente corrompidas por arranhões ou obstrução por sujeira do feixe laser usado na leitura do disco métodos têm que ser usados para detectar e corrigir erros Um método é a verificação de paridade Com este método os grupos de bits são ampliados com um bit extra o de paridade que pode ser 0 ou 1 conforme o número total de bits 1 no grupo seja ímpar ou par Quando a informação é lida se um dos bits foi corrompido então o número de bits 1 é alterado e detectado como um erro 65 Displays Muitos sistemas de display usam indicadores luminosos para mostrar estados onoff ou mostrar caracteres alfanuméricos O termo alfanumérico é uma contração dos termos alfabeto e numérico e descreve displays que mostram as letras do alfabeto e os números de 0 a 9 com vírgula decimal Um display deste tipo envolve sete segmentos de luz para gerar caracteres alfabéticos e numéricos A Figura 615 mostra os segmentos e a Tabela 62 mostra como um código binário de 4 bits pode ser usado para gerar entradas para acionar os segmentos Um outro formato de display usa uma matriz de pontos 7 5 ou 9 7 Figura 616 Os caracteres são gerados pela ativação dos pontos apropriados Os indicadores luminosos para estes displays podem ser de lâmpadas néon lâmpadas incandescentes diodos emissores de luz LEDs LightEmitting Diodes ou displays de cristal líquido LCD Liquid Crystal Displays As lâmpadas néon precisam de tensões altas e baixas correntes e podem ser alimentadas diretamente a partir da tensão principal mas produzem apenas luz ver Figura 615 Display de sete segmentos melha As lâmpadas incandescentes podem ser usadas em uma ampla faixa de tensões mas necessitam comparativamente de uma corrente alta Elas emitem luz branca e a partir do uso de lentes podese obter a cor desejada A principal vantagem delas é o brilho 651 Diodos emissores de luz Os LEDs necessitam de baixas tensões e baixas correntes e são baratos Esses diodos quando polarizados diretamente emitem luz em uma faixa de comprimentos de onda A Figura 617 mostra a forma básica de um LED a luz emitida a partir do diodo sendo concentrada em uma direção com o uso de refletores Os materiais normalmente usados nos LEDs são o arsenieto de gálio fosfeto de gálio e ligas de arsenieto de gálio com fosfeto de gálio Os LEDs normalmente usados fornecem luz vermelha amarela ou verde Nos sistemas microprocessados os LEDs são indicadores mais comuns Geralmente é necessário um resistor de limitação de corrente para que a corrente no LED seja abaixo da corrente máxima especificada que é cerca de 10 a 30 mA Tipicamente um LED tem uma queda de tensão de 21 V quando a corrente é limitada em 20 mA Assim quando digamos uma Figura 617 LED tensão de 5 V for aplicada a queda de tensão no resistor em série será de 29 V Isto significa que uma resistência de 290020 145 Ω é necessária e que um resistor padrão de 150 Ω deve ser usado Alguns LEDs são fornecidos com resistores internos de modo que eles podem ser conectados diretamente a sistemas microprocessados Os LEDs são disponibilizados na forma de indicadores luminosos simples display alfanuméricos de sete e dezesseis segmentos no formato de matriz de pontos e de bar graph barra de LEDs em formatos diversos A Figura 618a mostra como sete LEDs que formam um display de sete segmentos como o da Figura 616 podem ser conectados a um circuito de acionamento de modo que quando a linha for acionada em nível baixo uma tensão é aplicada e o LED conectado àquela linha é ligado A tensão tem que estar acima de um valor mínimo de operação antes que o LED emita uma luz significativa tipicamente esta tensão é de cerca de 15 V Esta configuração é conhecida como anodo comum visto que todos os anodos dos LEDs são conectados juntos Uma configuração alternativa é o catodo comum Figura 618b Os elementos na configuração anodo comum são ativados através de uma entrada em nível baixo e no tipo catodo comum através de uma entrada em nível alto Geralmente é escolhido o tipo anodo comum pois a direção da corrente e a sua intensidade são mais apropriadas Exemplos destes tipos de displays de sete segmentos de 76 mm e 109 mm da Hewlett Packard estão disponíveis nas configurações anodo comum e catodo comum Além dos sete segmentos que formam os caracteres há ainda o ponto decimal à esquerda ou à direita Com a iluminação de segmentos variados podemse formar todos os dígitos numéricos e uma pequena quantidade de caracteres do alfabeto Normalmente a saída do circuito acionador não está no formato binário normal mas em decimal codificado em binário BCD BinaryCoded Decimal veja o Apêndice B Em BCD cada dígito decimal é decodificado separadamente em binário Por exemplo o número decimal 15 tem o 1 codificado como 0001 e o 5 como 0101 resultando no código BCD 0001 0101 A saída do circuito acionador tem que ser decodificada no formato que o display de LEDs necessita O 7447 é normalmente usado para decodificar e acionar displays Figura 619 A Figura 620 mostra a forma básica usada para um display de LEDs de matriz de pontos O arranjo consiste de cinco conexões de coluna sendo que cada uma reúne a conexão dos anodos de sete LEDs Cada linha conecta os catodos de cinco LEDs Para ligar um determinado LED a alimentação é aplicada em sua coluna e sua linha é aterrada Este tipo de display pode mostrar todos os caracteres ASCII 652 Displays de cristal líquido Os displays de cristal líquido não produzem luz própria mas contam com a luz refletida ou transmitida O material cristal líquido é composto por longas moléculas em forma de barra e colocado entre duas folhas de polímero contendo ranhuras microscópicas As folhas inferior e superior são ranhuradas em direções que formam 90 uma em relação à outra As moléculas do cristal líquido se alinham com as ranhuras no polímero e adotam uma suave rotação de 90 entre elas Figura 621 Quando uma luz polarizada plana incide no cristal líquido seu plano de polarização é rotacionado conforme passa pelo material Portanto se o material está entre duas folhas do polarizador com suas direções de transmissão em ângulo reto a rotação permite que a luz seja transmitida e assim o material se mostra claro Entretanto se um campo elétrico for aplicado no material as moléculas se tornam alinhadas com o campo e a luz passa pelo polarizador superior e por não ser rotacionada não pode passar pelo polarizador inferior sendo absorvida O material então se mostra escuro Esta estrutura é colocada entre duas folhas de vidro que possuem eletrodos transparentes na forma do display de sete segmentos e desta forma a aplicação de tensões nos elementos do display resulta em uma aparência escura em contraste com o display claro nas áreas onde não há campo elétrico Este é o tipo de display usado em dispositivos que funcionam com bateria como relógios e calculadoras Também é disponível o tipo matriz de pontos de 57 Conectores das colunas Números dos pinos Conectores das linhas Figura 620 Display de matriz de pontos Direção do polarizador Rotação de moléculas Luz transmitida Direção do polarizador Direção do polarizador Tensão aplicada Direção do polarizador Moléculas alinhadas Nenhuma luz transmitida Figura 621 Cristal líquido a sem campo elétrico b com campo elétrico