eletrônica digital

© Gustavo R. Alves IPP-ISEP-DEE

Electrónica digital

• Sistemas de numeração (binário, decimal, etc.)

• Funções e portas lógicas elementares

• Circuitos combinatórios e circuitos sequenciais

• Conversores Analógico / Digitais (A/D) eDigitais / Analógicos (D/A)


O sistema de numera ção em base 10

Cada dígito representa o coeficiente da potência debase 10 correspondente à posição que ocupa.

(da direita para a esquerda, o 2 ocupa a posição 0, o7 ocupa a posição 1 e o 5 ocupa a posição 2).

572 = 5x100 + 7x10 + 2x1

= 5x102 + 7x101 + 2x100


O sistema de numera ção em base 2

Qualquer número pode ser representado em base 2:

Tal como no sistema decimal, os números em base 2representam-se pela sequência de coeficientes daspotências de base 2 correspondentes às posiçõesque ocupam.

108 em decimal representa-se 1101100 em binário.

108 = 64 + 32 + 8 +4

= 1x64 + 1x32 + 0x16 + 1x8 + 1x4 + 0x2 + 0x1

= 1x26 + 1x25 + 0x24 + 1x23 + 1x22 + 0x21 + 0x20


A electrónica di gital - 1

A electrónica digital resulta essencialmente da combina çãodos três factores seguintes:

• A facilidade e fiabilidade do funcionamento dosdispositivos electrónicos básicos (transístores) emdois estados: condu ção e não-condu ção.

• A possibilidade de se representar qualquer quantidadepor uma sequência de dígitos com dois estadosapenas: 0 e 1 (dígitos binários).

• A importância associada à formula ção de um conjuntode rela ções lógicas com base em apenas dois estados:falso ou verdadeiro (normalmente correspondentes aosníveis lógicos 0 e 1).


A electrónica di gital - 2

• Os circuitos digitais usam sinais eléctricos comdois níveis apenas, a que correspondem na maiorparte dos casos os valores de 0 V e 5 V (em geralcorrespondentes aos níveis lógicos 0 e 1).

• Uma forma de onda digital pode deste modorepresentar-se como no exemplo seguinte:

+ 5 V

0 V


Funções ló gicas elementares - AND

A fun ção AND ("e"):

só quando todas as entradas forem verdadeiras é que asaída é verdadeira.

Tabela de verdade:(0: falso, 1: verdadeiro)

E1

E2

S

Símbolo:E1 E2 S

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1


Funções ló gicas elementares - NOT

A fun ção NOT ("não"):

complementa o valor da variável de entrada (verdadeiropassa a falso e falso passa a verdadeiro).

Tabela de verdade:(0: falso, 1: verdadeiro) E S

0 1

1 0

E S

Símbolo:


Funções ló gicas elementares - OR

A fun ção OR ("ou"):

basta que uma das entradas seja verdadeira para que asaída seja verdadeira.

E1

E2

S

Símbolo:Tabela de verdade:(0: falso, 1: verdadeiro)

E1 E2 S

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1


Outras fun ções ló gicas elementares

E1 E2 S

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 1

E1 E2 S

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

E1 E2 S

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

E1 E2 S

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

E1

E2S

E1

E2S

E1

E2S

E1

E2S

NAND NOR EX-OR EX-NOR


Circuitos combinatórios e sequenciais

• Circuitos combinatórios são circuitos em que as saídasdependem apenas do valor das entradas no instante actual(o estado anterior das entradas é irrelevante).

• Circuitos sequenciais são circuitos em que as saídasdependem do valor das entradas no instante actual, mastambém do valor que as entradas assumiram em instantesanteriores. A evolu ção de um circuito sequencial dependedo valor das entradas e do estado actual do circuito (que édeterminado pelo valor das entradas em instantesanteriores).


Circuitos sequenciais: o flip-flop

O elemento básico da maior parte dos circuitos sequenciais éo flip-flop. Entre os vários tipos de flip-flops é mais comum oflip-flop do tipo D, cujo símbolo é o seguinte:

Quando ocorre uma transi ção activa no sinal de relógio, asaída do flip-flop D toma o valor da entrada.

Dentrada (D) saída (Q)

relógio (clock)


O flip-flop do tipo D: exemplo

Dentrada (D) saída (Q)

relógio (clock)

entrada (D)

saída (Q)

clock


Circuitos sequenciais: o contador

Decimal Binário

0 000

1 001

2 010

3 011

4 100

5 101

6 110

... ...

contador descodificador dígito

clk


Circuitos sequenciais:o registo de deslocamento

Sequência de estados

(exemplo)

10000

01000

00100

00010

00001

10000

clk

leds

registo de deslocamento


VLSI e suas aplica ções - 1

• A evolu ção tecnológica permite actualmenteincluir alguns milhões de transístores numúnico circuito integrado, o que permiterealizar sistemas de grande complexidadenum único componente.

• Aliás, desde há já cerca de 20 anos que épossível integrar num único componente asfun ções principais de um computador. Aeste tipo de componente dá-se a designa çãohabitual de microprocessador (µP).


VLSI e suas aplica ções - 2

Um µP executa um programa armazenado em memória, queé composto por um conjunto de instru ções e de dados.

A execu ção do programa evolui de forma cíclica, de acordocom a seguinte sequência de passos:

i) O µP vai à memória ler o código da próxima instru çãoa executar.

ii) Se a instru ção envolver dados (operandos) residentesem memória, o µP vai buscá-los.

iii) A opera ção é realizada.

iv) Se existirem dados a armazenar em memória, o µPprocede a essa opera ção.


Conversores Analó gico-Di gitais

• Factores de selec ção– Primários (não admitem compromissos)

» Nível de precisão pretendido» Número de bits de resolução necessários» Natureza do sinal de entrada analógico» Velocidade de operação do conversor (velocidade de conversão)» Condições ambientais

– Secundários (admitem alguma flexibilidade)» Existência / necessidade de vários canais

» Referência de tensão interna ou externa

» Requisitos do amplificador de entrada

» Requisitos da interface digital (formato da saída digital)



• Nível de precisão– Regra prática - escolher um conversor com uma

precisão cinco a dez vezes superior ao nível deprecisão do sistema completo

– Análise das especificações-chave em termos deprecisão estática (em relação à função de transferênciaideal)

» Erro de offset

» Erro de ganho

» Não linearidade diferencial

» Não linearidade integracional



• Função detransferênciaideal de umconversorA/D

000

001

010

011

100

101

110

111

1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 f.d.eEntradaanalógica

Códigode saída

Erro



• Erro de offset de 1 LSB ( Least Significative Bit )

001

010

011

100

101

110

111


Códigode saída

Função detransferênciaideal

Actual



• Erro de ganho (positivo)

001

010

011

100

101

110

111


Códigode saída Erro de ganho ideal

Declive = 1

Erro de ganhoactual



• Não linearidade diferencial

001

010

011

100

101

110

111


Códigode saída

Códigoinexistente

1.5 LSB

0.5 LSB



• Resolu ção– Um conversor A/D de n bits converte um número infinito

de valores de entrada analógicos num conjunto discretode valores digitais de saída de dimensão igual a 2 n-1.

Valor do LSB (bit menos significativo) BITS CÓDIGOS ESCALA 20V ESCALA 5V ESCALA 2V8 256 78.1mV 19.5mV 7.81mV10 1024 19.5mV 4.88mV 1.95mV12 4096 4.88mV 1.22mV 488µV14 16384 1.22mV 305µV 122µV16 65536 305µV 76.3µV 30.5µV18 262144 76.3µV 19.1µV 7.63µV20 1048576 19.1µV 4.78µV 1.91µV



• Velocidade de conversão– Largura de banda do sinal analógico de entrada

» Seguir a regra de Nyquist: a velocidade de amostragem doconversor deve ser (no mínimo) duas vezes superior à largura debanda do sinal de entrada. Existem no entanto técnicas desubamostragem (ver literatura) e sobreamostragem ( Σ∆).

» Assegurar uma boa margem de segurança para evitar distorçõesintroduzidas pelo mecanismo de amostragem ou o efeito dealiasing (presença de harmónicos).

– Taxa de actualiza ção da conversão



• Natureza do sinal analógico de entrada– Sinal do tipo a.c. ou d.c.

– Amplitude do sinal

– Presen ça de ruído no sinal

– Características de impedância da fonte do sinal

– Existências de descontinuidades no sinal



• Condi ções ambientais– As características dos conversores são definidas para

condi ções ambientais pré-definidas.– Exemplo: comparação de erros dependentes da temperatura entre

um conversor com e sem auto-calibração (ADS7803 e ADS7804).

PARÂMETRO ADS7803PB 1 ADS7804PB

Gama de temperatura -40ºC a +85ºC -40ºC a +85ºCErro de ganho 0.25 LSB 1.0 LSBVariação do ganho 0.2ppm típico 5ppm típicoErro de offset 0.25 LSB 2 LSBVariação do offset 0.2ppm típico 2ppm típicoErro de Não Linearidade Diferencial 0.5 LSB 0.45 LSB1 Após um ciclo de calibração.



• Tipos existentes– APROXIMAÇÕES SUCESSIVAS– INTEGRADOR– RAMPA– SIGMA-DELTA ( Σ∆)– FLASH– …

• Análise comparativa– Vantagens– Desvantagens



MSB

MSB

LSB

LSB

SAÍDA DIGITAL

REGISTADOR (n bits)

ACUMULADOR (n bits)

CONVERSOR D/A

RELÓGIO

CONTROLADOR

COMPARADOR

Vi

COMANDO DE INÍCIO DE

CONVERSÃO

• Aproxima ções sucessivas (esquema interno)



• Aproxima çõessucessivasPrincípio defuncionamento

Entradaanalógica

1 2 3 4 5 6 7 8

Ciclo derelógio

É inferior, fica em 1

É inferior, fica em 1

É superior, fica em 0

É superior, fica em 0

Meio de escala(valor inicial)

Valor analógicoexterior


• IntegradorEsquema interno

Conversores Analógico-Digitais


• IntegradorPrincípio defuncionamento


Tempo constantet

V

Tempo medido

Tensão à saídado integrador

Declive impostopor Vref (sempreo mesmo)

Declive imposto pelatensão de entrada



• Sigma-Delta ( Σ∆)– Trabalha com o princípio da sobreamostragem. Garante uma boa

resolução para sinais de baixa-média frequência. Utilizaçãocrescente devido a vários factores.

Integrador Quantificador(comparador)

Sinal de entrada(analógico)

Sinal de saída(digital)

Modulador de 1ª ordem

∫∑+

-

ConversorD/A de 1 bit

Filtrodecimador

m bits



• Compara ção entre alguns conversores A/D

Aproximaçõessucessivas

Integrador Σ∆ Flash

• Boa velocidade deconversão

• Necessita de N+1ciclos de relógiopara N bits

• Baixo custo• Bastante utilizado

comµprocessadores

• Maior velocidadede conversão eprecisão emrelação aoanterior

• Maior imunidadeao ruído

• Baixo custo

• Precisão eresoluçãoelevadas

• Velocidade deconversãomédio-elevado

• Baixo custo• Facilmente

integrável

• Velocidade deconversãoelevada

• Custo elevado• Baixa imunidade

ao ruído• Pouco utilizados

eminstrumentação

eletrônica digital

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