Eletronica Digital - volume 2 - Newton C Braga, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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CURSO DE ELETRÔNICA

ELETRÔNICA DIGITAL - PARTE 2

Instituto NCB www.newtoncbraga.com.br contato@newtoncbraga.com.br

NEWTON C. BRAGA

ÍNDICE

 - e Monoestáveis 8 - Os Multivibradores Astáveis 

• 8.1 – Multivibradores Astáveis
• 8.2 – Astáveis com funções lógicas
• 8.3 – Circuitos Monoestáveis
• 8.4 – Astáveis e monoestáveis integrados - 8.4.1- O circuito integrado - 8.4.2 - TLC555M – O 555 CMOS - 74122 e 8.4.3 - Os circuitos integrados 74121,
• Termos em inglês
• 9 - Os Contadores Digitais
  • 9.1 – Os tipos de contadores
  • 9.2 – Contadores assíncronos
  • 9.3 – Contagem programada - (Progressivos e Regressivos) 9.4 – Contadores Up/DFown
  • 9.5 – Contadores síncronos
  • 9.6 – Contadores síncronos programáveis
  • 9.7 – Contadores TTL
  • 9.8 – Contadores e divisores CMOS
  • Termos em inglês - digitais e decodificadores 10 - Aplicações para os contadoreAplicações para os contadores
  • 10.1 – Contadores/divisores por N
  • 10.2 – Circuitos práticos
  • 10.3 – Módulos maiores e programáveis
  • 10.4 – Os Circuitos Integrados 4020 e
  • Termos em inglês: - de Deslocamento (Shift-Registers) 11 - Como Funcionam os Registradores - de deslocamento 11.1 - O que é um registrador - de deslocamento 11.2 – Tipos de registradores
  • 11.3 – Operando com binários - de deslocamento integrados 11.4 – Shift-registers ou registradores - 7495 - SHIFT REGISTER DE 4 BITS - 74164 - SHIFT REGISTER DE 8 BITS - 74165 - SHIFT REGISTER DE 8 BITS - ESTÁTICO DE 8 BITS 4014 - SHIFT REGISTER - DE 4 BITS 4015 - DOIS SHIFT REGISTERSS - 4021 - SHIFT REGISTER DE 8 BITS - 11.5 – Usando shift-registers - Termos em inglês: - Decodificadores e Displays 12 - Multiplexadores, Demultiplexadores, - Demultiplexadores 12,1 – Multiplexadores e - 12.2 – Os decodificadores - 12.2.1 - Decodificador de n para - elevado a n linhas - 7 segmentos 12.2.2 - Decodificador BCD para - 12.3 - DISPLAYS - Integrados (TTL e CMOS) 12.4 - Decodificadores e Codificadores - Termos em inglês: - 13 - Memórias, ADCs e DACs 13Memórias, ADCs e DACs - 13.1 – As memórias - 13.1.2 – Bits e Bytes - 13.2 – Tipos de Memórias - 13.2.1 - ROM - 13.2.2 - PROM - 13.2.3 - RAM - 13.2.4 – EPROM - 13.2.5 - EEPROM - 13.3 - Os Conversores A/D - 13.3.1 – Os Conversores na Prática - 13.3.2 – Quantização - A/D ou ADC 13.3.3 – Os circuitos do Conversores - ou “sample and hold”: 13.3.4 - O circuito de captura e retenção - 13.3.5 – Os sistemas de conversão - 13.4 – Os DACs - Termos em inglês:

14 - Microprocessadores, Microcontroladores, DSPs e FPGAs ...... 171 14.1 – Os microprocessadores e os microcontroladores .............................. 172 14.1.1 - Programação ....................................... 176 14.1.2 – Os Microcontroladores mais comuns ........................................ 177 14.1.3 – Linguagens de programação ............. 178 14.2 – Os Processadores de Sinal Digitais ou DSPs ........................................ 180 14.2.1 – Convertendo sinais analógicos em digitais ........................................... 181 14.2.2 – Requisitos mínimos ............................ 182 14.2.3 – Como a conversão do sinal é feita ..... 186 14.2.4 – O microprocessador ........................... 187 14.2.5 – Os DSPs comerciais ............................ 189 14.3 - FPGA ........................................................... 189 14.3.1 - As Tecnologias de Roteamento ........... 195 Termos em inglês .................................................. 198

Anexos - RESPOSTAS e LINKS ................... 201 Respostas .............................................................. 201 Links ..................................................................... 201 TEMPORIZAÇÃO DE PRECISÃO COM O 4020 .................................. 203 CONHEÇA O 4017 ............................................. 212

ÍNDICE

APRESENTAÇÃO

Em 1972, já com experiência no ensino de eletrônica em cursos

presenciais, fui contratado por uma grande organização de ensino por

correspondência para renovar seu curso prático de eletrônica. Com-

pletado esse trabalho, fui trabalhar na Editora Saber em 1976 onde

passei a publicar nas páginas da Revista Saber Eletrônica o primei-

ro Curso de Eletrônica em Instrução Programada, uma novidade que

atraiu a atenção de milhares de leitores que tiveram sua formação ini-

cial totalmente apoiada nos ensinamentos que então disponibilizamos.

O sucesso desse curso fez com que em diversas ocasiões posteriores

o curso fosse repetido e atualizado nas páginas da mesma revista e na

revista Eletrônica Total. Neste intervalo publicamos a primeira edição

completa desse curso que recebeu o nome de Curso Básico de Eletrô-

nica e chegou até sua quinta edição, posteriormente sendo em 2009

transformado numa apostila. No entanto, desde a primeira edição e o

primeiro curso na revista, muita coisa mudou, e se bem que diversas

atualizações fossem feitas, chegou o momento de se fazer algo novo,

adaptado aos novos tempos da eletrônica, num formato mais atual e

com conteúdo que seja mais útil a todos que desejarem aprender o

básico da eletrônica. Desta forma o conteúdo do curso anterior foi

separado em dois, Curso Básico de Eletrônica (já publicado – Vol 1

da série) e Curso de Eletrônica Analógica (Vol 2 da série), os quais

devem ser completados com uma nova versão do Curso de Eletrônica

Digital. O Curso de Eletrônica Digital foi remodelado, sendo dividido

em dois volumes. Este é o segundo e depois do segundo teremos mais

um volume da série com uma parte prática. Assim, neste segundo vo-

lume do Curso de Eletrônica Digital, abordamos todo o conhecimento

adquirido nos volumes anteriores passando isso para esta tecnologia,

além de incluir mais informações sobre novas tecnologias, novos com-

ponentes e novas aplicações. Podemos dizer que este livro, como os

demais, podem ser considerados a plataforma de iniciação ideal para

muitos cursos, dos técnicos às disciplinas eletivas, da reciclagem de

conhecimentos até aqueles que desejam ter na eletrônica uma segunda

atividade ou precisam deles para o seu trabalho em área relacionada.

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deslocamento, Estes importantes blocos da eletrônica digital podem ser usados para converter dados da forma serial para paralela e vice- versa, consistindo em circuitos fundamentais para a comunicação de dados. Também veremos as versões que podem ser obtidas na forma de circuitos integrados TTL e CMOS.

Capítulo 12 – Multiplexadores, Demultiplexadores, Decodifi- cadores de Displays serão o centro de nossas atenções neste capítulo. Analisaremos as principais configurações e seus princípios de funcio- namento. Veremos também os principais tipos que podem ser obtidos na forma de circuitos integrados ou componentes comuns para apli- cações práticas.

Capítulo 13 – Como funcionam as memórias, os ADCs e DACs serão os temas abordados neste capítulo. Veremos como funcionam os principoais tipos de memória e também analisaremos os circuitos conversores de dados, muito utilizados hoje nos microprocessadores, microcontroladores e DSPs.

Capítulo 14 – Os dispositivos digitais mais avançados com que podemos contar em nossos dias são os microprocessadores, microcon- troladores, DSPs e FPGAs. Neste capítulo daremos uma introdução ao funcionamento destes dispositivos, deixando para o leitor o aper- feiçoamento dos conhecimentos através de cursos específicos, dada a complexidade do assunto.

Enfim, o conteúdo estudado pode ser considerado como mais um degrau de uma escada que levará os interessados a um mundo de conhecimento técnico capaz de significar sua realização profissional e muito mais que isso, a satisfação pessoal de dominar as mais impor- tantes tecnologias de nosso tempo.

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No capítulo anterior aprendemos como funcionam os principais tipos de flip-flops, verificando que, dependendo dos recursos que cada um tem, eles podem ser empregados de diversas formas. Também vi- mos quais são as entradas que estes dispositivos podem conter para poder melhorar seu desempenho em determinadas aplicações como, por exemplo, nos computadores, controles a automatismos indus- triais, robótica, instrumentos de medida, etc. Vimos também que os flip-flops podem tanto ser usados como divisores de freqüência, como células de memória. Tudo isso nos leva à necessidade de contar com esta função na forma de circuitos integrados. De fato, existem muitos circuitos integrados tanto TTL como CMOS contendo flip-flops dos tipos estudados os quais vimos no capítulo anterior. Também fala- remos de algumas configurações que em lugar de dois estados está- veis possuem apenas um, além das configurações que não possuem nenhum estado estável. Estes circuitos denominados multivibradores astáveis e monoestáveis também são muito importantes em muitas aplicações relacionadas com a eletrônica digital. Este capítulo é for- mado pelos seguintes itens:

Itens: 8.1 – Multivibradores astáveis 8.2 – Astáveis com funções lógicas 8.3 – Circuitos monoestáveis 8.4 – Astáveis e monoestáveis integrados

Objetivos: · Entender como funciona um multivibrador astável e calcular sua frequência · Aprender como funciona um multivibrador monoestável e calcular seu tempo de acionamento · Saber quais são os circuitos integrados das principais famílias que contam com multivibradores · Fornecer alguns circuitos práticos de multivibradores

» Os Multivibradores Astáveis

e Monoestáveis CAPÍTULO

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Analisemos melhor como funciona a configuração mostrada na figura 1. Quando a alimentação é estabelecida um dos transistores con- duz mais do que outro e, inicialmente, podemos ter, por exemplo, Q saturado e Q2 cortado. Com Q1 saturado o capacitor C1 carrega-se via R1 de modo que a tensão no capacitor sobe gradualmente até o ponto em que, estando carregado, o transistor Q2 é polarizado no sen- tido de conduzir. Quando isso ocorre, Q2 tem um dos seus terminais aterrado e descarrega-se. Nestas condições Q1 vai ao corte e Q2 satura. Agora é a vez de C2 carregar-se até que ocorra novamente uma comutação dos transistores e um novo ciclo de funcionamento ocorra. As formas de onda geradas neste circuito são mostradas na figu- ra 2, observando-se o ciclo de carga e descarga dos capacitores.

Figura 2 – Formas de onda no circuito da figura 1

O leitor pode perceber então que o tempo de carga e descarga dos capacitores e, portanto, das oscilações geradas por este circuito dependem tanto dos valores dos capacitores, como dos resistores de base através dos quais ocorrem as descargas. Também podemos observar que os sinais gerados são retangu- lares, pois ocorre uma comutação rápida dos transistores de tal forma que a tensão em seus coletores sobe e desce rapidamente. Da mesma forma que no caso dos flip-flops, podemos elaborar multivibradores astáveis tanto usando válvulas como transistores de efeito de campo. Podemos também ter osciladores RC que geram sinais com boa estabilidade com menos componentes. Estes osciladores podem ser elaborados com funções lógicas, e para isso temos diversas possibi- lidades.

Sinais Retangulares e Quadrados Nos documentos técnicos de origem inglesa é co- mum encontrarmos o ter- mo “square” (quadrado) para indicar a forma de onda gerada por circuitos como os multivibradores. No entanto, não pode- mos falar exatamente em “quadrado” para uma for- ma de onda em que as dimensões nos sentidos vertical e horizontal não são as mesmas. No senti- do vertical temos amplitu- de e no sentido horizontal, tempo. Assim, por uma questão de conveniência, é comum que em portu- guês usemos o termo re- tangular para especificar um sinal do tipo gerado por um multivibrador, e eventualmente usar o ter- mo “quadrado” quando o ciclo ativo é 50%, ou seja, quando o tempo no nível alto é igual ao tempo no nível baixo. Neste curso, usaremos o termo “retan- gular” para especificar os sinais gerados pelos mul- tivibradores e usados nos circuitos digitais em geral.

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8.2 – Astáveis com funções lógicas

Como já explicamos em lições anteriores, é possível construir praticamente qualquer tipo de função mais complexa, usando os blo- cos básicos que são as portas. Isso também é válido para o caso dos multivibradores, tanto astáveis como monoestáveis. Podemos partir de funções lógicas co- muns, e com a utilização de alguns componentes externos passivos como resistores e capacitores, para determinar freqüência e ciclo ati- vo, podemos obter diversos tipos de multivibradores. Vejamos alguns deles:

a) Astável usando inversores Um primeiro tipo de oscilador RC ou astável pode ser elaborado com base em dois inversores utilizando-se a configuração mostrada na figura 3.

Figura 3 – Astável usando inversores

Neste circuito R e C determinam a frequência de operação. O princípio de funcionamento pode ser resumido da seguinte forma: quando o inversor F2 está com a saída no nível alto, a saída de F1 es- tará no nível baixo o que fará com que o capacitor se carregue via R. Quando a tensão em C atinge o valor que provoca a comutação de F2, ele troca de estado e sua saída vai ao nível baixo. Nestas condi- ções a saída de F1 vai ao nível alto. A partir desse momento o capaci- tor é “invertido” começando sua carga, mas com polaridade oposta até que novamente tenhamos o reconhecimento do nível de comutação e um novo ciclo tenha início. A frequência de operação deste circuito é dada com aproxima- ção pela fórmula:

f = 1/(2 x 3,14 x R x C)

Onde: 3,14 é o“PI” (p) que é constante. C deve ser expresso em farads, R em ohms para que tenhamos a frequência em hertz.

Fórmulas O comportamento de qualquer circuito pode ser previsto através de fórmu- las. Existem basicamente dois tipos de fórmulas que podemos usar no nosso trabalho.

a) Fórmulas exatas - são fórmulas que levam em conta todos os parâ- metros que determinam determinada condição de um circuito e que, por- tanto, levam a resultados exatos.

b) Fórmulas empíricas - são fórmulas aproximadas e, portanto, simplificadas, em que alguns elementos que não influem de modo decisivo no funcionamen- to de um circuito, são des- prezados. Elas também levam em conta a pre- cisão dos componentes usados. Pouco adiante incluir numa fórmula um parâmetro que influi em 0,1% no resultado final de um cálculo quando a tole- rância dos componentes usados na prática é muito maior que isso.

Na prática, para simplifi- car os cálculos é comum fazermos o uso de fórmu- las empíricas no projeto de um circuito. Nos cursos avançados, como os de engenharia, trabalha-se com as fórmulas exatas.

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seja muito pequeno, menor que 10 k ohms dadas às características do circuito. Como o tempo de carga e descarga do capacitor é o mesmo o sinal produzido tem forma de onda retangular com um ciclo ativo de aproximadamente 50%, ou seja, o tempo em que ele permanece no nível alto é o mesmo do nível baixo, conforme mostra a figura 6. Podemos dizer que este circuito gera um sinal “quadrado”, con- forme já explicamos anteriormente.

Figura 6 – Forma do sinal gerado

Na maioria das aplicações que envolvem o uso de circuitos di- gitais, são necessários circuitos de clock que tenham ciclos ativos de 50%. No entanto existem aplicações especiais em que um ciclo ativo diferente pode ser necessário. Para se modificar o ciclo ativo, o recurso mais comum consiste em se agregar componente para fornecer percursos diferentes para a corrente de carga e descarga do capacitor, o que pode ser conseguido facilmente com o concurso de diodos de uso geral. Assim, para o circuito que tomamos como exemplo, é possível modificar o ciclo ativo da maneira indicada na figura 7.

Figura 7 – Alterando o ciclo ativo com o uso de diodos

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O capacitor vai carregar-se via R1 e descarregar-se via D2, o que significa tempos diferentes para a saída no nível alto e baixo. Estes tempos, que dependem dos capacitores, é dado pelas fór- mulas junto ao diagrama. Para se obter um ajuste do ciclo ativo pode-se agregar um po- tenciômetro ou trimpot ao circuito que vai determinar os percursos para as correntes de carga e descarga do capacitor, conforme mostra a figura 8.

Figura 8 – Controlando o ciclo ativo

A posição do cursor do potenciômetro determina o ciclo ativo, observando-se que na posição central este ciclo será de 50%. Observamos finalmente que inversores podem ser obtidos com a ligação de portas NOR ou NAND, com as entradas em paralelo, conforme mostra a figura 9.

Figura 9 – Astável com inversores obtidos a partir de funções NOR

Assim, a configuração indicada pode ser elaborada com portas NAND ficando com a disposição da figura 10.

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Figura 12 – Característica de histerese do 4093

Esta característica mostra que, quando o circuito reconhece o nível lógico necessário à comutação, a saída passa de um nível a ou- tro numa velocidade muito grande, ou seja, há uma comutação muito rápida. Veja que isso não ocorre com as funções equivalentes, “não dis- paradores”, que possuem uma transição mais lenta de níveis lógicos. Por outro lado, o nível lógico de entrada que faz novamente a comutação para que a saída volte ao estado anterior não ocorre com a mesma tensão “de ida”. Em outras palavras, o sinal de saída oscila do nível alto para o baixo e vice-versa com tensões diferentes de entrada. Estas diferentes tensões determinam uma faixa denominada “histerese” e que é mos- trada na curva da figura 12. Esta característica de histerese é muito importante, pois garante que o circuito comute com segurança tanto “na ida” como “na volta” dos sinais, e que, além disso, possam ser usados em osciladores de bom desempenho. Para termos um oscilador com uma porta NAND disparadora, como a do circuito integrado CMOS 4093, precisamos de apenas dois componentes externos na configuração mostrada na figura 13.

Figura 13 – Oscilador com o 4093

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Neste circuito, o capacitor se carrega através do resistor quando a saída da porta (ligada como inversor) está no nível alto, e se descar- rega quando está no nível baixo, produzindo um sinal com ciclo ativo bem próximo de 50%. Também observamos que essa forma de onda sofre um “arre- dondamento”, à medida que nos aproximamos do limite de operação do circuito integrado, o qual depende da tensão de alimentação. Para um 4093, esse limite está em torno de 12 MHz para uma alimentação de 15 V, caindo para 4 MHz com 5 V. A entrada do circuito, ligada entre o capacitor e o resistor, não drena nem fornece corrente já que é de alta impedância, apenas senso- riando o nível de tensão neste ponto para fazer a comutação. As formas de onda obtidas neste circuito são mostradas na figu- ra 14.

Figura 14 – Formas de onda no circuito oscilador com o 4093

Da mesma forma que nos circuitos anteriores, também podemos modificar o ciclo ativo do sinal gerado, modificando o percurso da corrente de carga e descarga do capacitor o que pode ser conseguido através de diodos. Temos então na figura 15 um circuito com ciclo ativo diferente de 50% usando diodos.

Figura 15 – Alterando o ciclo ativo do oscilador com o 4093

Neste circuito, quando a saída do disparador está no nível alto, o capacitor carrega-se via D1 e R1. Esses componentes determinam então o tempo de saída alto. Quando o circuito comuta e a saída do