sistemas digitais - princípios e aplicações [ronald j. tocci-neal s. widmer]
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Professor Assistente do Departamento de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações da Universidade do Estado do Rio de Janeiro-UERJ Professor Agregado do Departamento de Engenharia Elétrica da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro/PUC-RJ
Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica/COPPE-UFRJ Professor Assistente do Departamento de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações da Universidade do Estado do Rio de Janeiro-UERJ Professor Assistente do Departamento de Eletrônica da Escola Naval-EN
EDITOR
s
~-··-· ~h• © 1998 Reserved.
Published by arrangement with the original publisher, Prentice-Hall, Inc., a Simon & Schuster company
Brian
Direitos exclusivos para a língua portuguesa © 2000 by
- Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ - CEP 20040-040 Telefone: 21-221-9621 Fax: 21-221-3202
Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia ou outros) sem permissão expressa da Editora.
maneÍras com que
to tempo, e e uma todos que a
Este livro é um estudo bastante dos princípios e técnicas utilizados nos modernos sistemas digitais. Ele deve ser usado em cursos de e de Ciência da Com-
Embora conhecimento básico de eletrônica ajude, a maior deste material nào conhecimen- to de As partes do texto que utilizam conceitos de eletrônica podem ser omitidas sem que a com-
dos princípios lógicos seja afetada.
contém diversas melhorias em relaçào à sexta Todo o material foi revisado e atualizado quan do necessário. partes do texto foram reescritas para que ficassem mais claras e completas. Vários novos exem plos, novas questões de revisão e problemas foram adicio-
tanto as partes novas que foram introduzidas para proporcionar um melhor suporte às partes que mantidas.
TECNOLOGIA DE CIRCUITOS INTEGRADOS Esta nova continua a iniciada na última edição, de dar
maior ênfase à tecnologia CMOS como a principal tecnolo- gia a ser usada em que utilizem Cis com baixa e média escalas de Isto foi feito, e ainda assim mantivemos uma cobertura bastante extensa da lógica TTL.
DO Para auxiliar os estudantes a re- ver o que foi visto em cada capítulo, adicionamos um resu mo e uma lista de termos importantes ao final de cada um.
PROBLEl\li\S As questões e problemas no final de cada capítulo são agora classificados de acordo com o tipo. Os problemas que que o estudante utilize o material básico visto no não recebem designação especial. Além destes básicos, existem quatro outros tipos que são da maneira:
111 C (do problema desafiador. Proble- um maior grau de raciocínio e
uc~'''-'JLH0''-' básicos. Geralmente, eles '-'"""'""''"''" que o combine o que foi aprendido anteriormente com o que está sendo estudado no capí tulo.
Ili D (do problema de projeto ou modifica- de circuito. Problemas que envolvem ou o projeto
de um circuito lógico para uma aplicação particular não ~~/· ~,J~··c~~·"' no ou a mod~ficaçào ele um circui-
to visto no capítulo para que ele funcione de modo dife rente.
Ili N (do inglês, New) novo conceito ou técnica não abor dada no texto.
Ili T (do inglês, Troubleshooting) problema de depuração. Problemas que exigem que os estudantes utilizem o ra ciocínio analítico necessário ao processo de pesquisa de falhas (depuração).
Um número de novas aplicações reais foi distribuído nesta ediçào para motivar aqueles estudantes que vivem pergun tando "Por que precisamos saber isto?" Um exemplo destas novas aplicações é o seqüenciador que controla a mistura de dois líquidos e depois cozinha esta mistura. O diagrama desta aplicação (Fig. 9-28) está reproduzido na Fig. P-1. Um outro exemplo de uma aplicação real que foi acrescentado a esta edição foi o detector de congestionamento de papel em uma máquina copiadora (Fig. 4-10), reproduzido aqui na Fig. P-2. Algumas outras aplicações são o monitor de tensão da bateria de uma espaçonave, o controle de um motor de passo, um termômetro digital, um termostato di gital, um gerador de funções baseadas em ROM e o contro le microprocessado de um microondas.
Mudanças Específicas
As principais mudanças na cobertura dos assuntos são as seguintes:
Ili Cap. 4 Mais sobre PLDs, especialmente usados para implementar circuitos lógicos que foram implementados usando Cis comuns. Mais aplicações reais.
Ili Cap. 5 Foi adicionado o gerador de clock a cristal. Ili Cap. 6 Foi retirado o material sobre circuitos multiplica
dores e adicionado material sobre circuitos integrados de ULA. Também foi adicionado material sobre representa ção hexadecimal de números sinalizados.
Ili 7 Este grande capítulo foi dividido em duas partes. A PARTE I (Seções de 1 a 15) cobre de contadores assíncronos até contadores com registradores de deslo camento. A PARTE II (Seções 16 a 24) inclui material sobre aplicações, registradores e pesquisa de falhas. Também existe uma maior adesão à convenção do fluxo do sinal da esquerda para a direita. Foi aumentado o material sobre contadores síncronos.
Ili Cap. 8 Retirado material obsoleto do método de unitária. Foi expandido e atualizado o material
2° 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2- o
3. 3-2 ~l-3 3-4 3-5 3-6 3-7
3-8
• 1
Sistemas Digitais e Analógicos 3 Sistemas de Numeração Digital 5
'-'º'-'"!J'-'VULV de Quantidades Binárias 7 Circuitos Digitais/Circuitos Lógicos 8 Transmissão Paralela e Serial 9 Memória 9
Digitais 1 O
Conversões Binário-Decimal 15 Conversões Decimal-Binário 15 Sistema de Numeração Octal 1 7 Sistema de Numeração Hexadecimal 18
BCD 20 Relacionando as Representações 21 o 21 "-"n_. ...... ,JU Alfanuméricos 22 Método da Paridade para Detecção de Erros 23 Revisão 25
Lógicas e Álgebra
Constantes e Variáveis Booleanas 30 Tabelas-Verdade 31 Operação OR com Portas OR 32
AND com Portas AND 34 NOT 36
Descrevendo Circuitos Lógicos Algebricamente 37 Determinando o Valor da Saída de Circuitos ~~-'""" 38 Implementando Circuitos a Partir de Expressões Booleanas 39 Portas NOR e Portas NAND 40 Teoremas da Álgebra Booleana 43 Teoremas de DeMorgan 45 Universalidade das Portas NAND e NOR 4 7
º"''""·""'i-""'-'"" Alternativas das Portas
3-14 Que Representação de Porta Lógica Usar 53 3-15 Símbolos Lógicos do Padrão IEEE/ ANSI 56
4 Circuitos Lógicos Combinacionais 63
4-1 Forma de Soma-de-Produtos 64 4-2 Simplificação de Circuitos Lógicos 65 4-3 Simplificação Algébrica 65 4-4 Projetando Circuitos Lógicos Combinacionais 68 4-5 Método do Mapa de Karnaugh 73 4-6 Circuitos Exclusive-OR e Exclusive-NOR 79 4-7 Circuitos Gerador e Verificador de Paridade 83 4-8 Circuitos para Habilitar/Desabilitar 84 4-9 Características Básicas de Cls Digitais 86 4-1 O Pesquisa de Falhas em Sistemas Digitais 90 4-11 Falhas Internas dos Cis Digitais 91 4-12 Falhas Externas 94 4- 13 Estudo de um Caso de Pesquisa de Falhas 95 4-14 Lógica Programável 97
CAPÍTULO 5 Flip-Flops e Dispositivos Correlatos 105
5-1 5-2 5.3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8 5.9 5-10 5-11 5-12
5-13 5-14 5-15 5-16 5-17 5-18
Latch com Portas NAND 107 Latch com Portas NOR 111 Estudo de Casos em Pesquisa de Falhas 112 Sinais de Clock e Flip-Flops com Clock 113 Flip-Flop S-C com Clock 115 Flip-Flop J-K com Clock 118 Flip-Flop D com Clock 120 Latch D (Latch Transparente) 121 Entradas Assíncronas 123 Símbolos IEEE/ANSI 125 Considerações sobre Temporização em Flip-Flops 127 Problemas Potenciais de Temporização em Circui tos com Flip-Flops 129 Flip-Flops Mestre/Escravo 130 Aplicações com Flip-Flops 130 Sincronização de Flip-Flops 130 Detectando uma Seqüência de Entrada 132 Armazenamento e Transferência de Dados 132 Transferência Serial de Dados: Registradores de Deslocamento 134
Sumário
5-19 Divisão de Freqüência e Contagem 136 5-20 Aplicação em Microcomputador 139 5-2 t Dispositivos Schmitt-Trigger 140 5-22 Multivibrador Monoestável 141 5-23 Análise de Circuitos Seqüenciais 143 5-24 Circuitos Geradores de Clock 144 5-25 Depuração de Circuitos com Flip-Flops 146
6 Aritmética Digital: 1
Adição Binária 161 Representação de Números com Sinal 161 Adição no Sistema de Complemento a 2 165 Subtração no Sistema de Complemento a 2 166 Multiplicação de Números Binários 166 Divisão Binária 16 7 Adição BCD 167 Aritmética Hexadecimal 168 Circuitos Aritméticos 170 Somador Binário Paralelo 1 71 Projeto de um Somador Completo 172
e
6-1 6-2 6-3 6-4 6-5 6-6 6-7 6-8 6-9 6-10 6-11 6-12 6-13 6-14 6-15 6-16 6-17 6-18 6-19
Soma dor Paralelo Completo com 17 4 Propagação do Carry 175 Somador Paralelo Integrado 176 Sistema de Complemento a 2 177 Somador BCD 180 Circuitos Integrados de ULAs 182 Símbolos IEEE/ANSI 185 Estudo de Caso em Pesquisa de Falhas 185
7 Contadores e 191
7-8 7-9 7-10 7-11 7-12 7-13 7-14 7-15
Contadores Assíncronos 192 Contadores de Módulo < 2 \ 194 Circuitos Integrados de Contadores Assíncronos 198 Contador Assíncrono Decrescente 202 Atraso de Propagação em Contadores Assíncronos 204 Contadores Síncronos 205 Contadores Síncronos Decrescentes e Crescentes/ Decrescentes 207 Contadores com Carga Paralela 207 O 74LS193/HC193 209 Mais sobre a Notação de Dependência IEEE/ ANSI 214 Decodificando um Contador 215 Glitches de Decodificação 218 Ligação em Cascata de Contadores BCD 219 Projeto de Contadores Síncronos 220 Contadores com Registradores de Deslocamento 226
PARTE li
7-16 Aplicações de Contadores: Freqüencímetro 230 7-17 Aplicações de Contadores: Relógio 233 7-18 Circuitos Integrados de Registradores 234 7-19 Entrada Paralela/Saída Paralela - O 74174 e o
74178 234
7-20 Entrada Serial/Saída Serial - O 473 237 7-21 Entrada Paralela/Saída Serial - O 65/
74LS165/74HC165 237 7-22 Entrada Serial/Saída Paralela - O 74164/
74LS164/74HC164 238 7-23 Símbolos IEEE/ANSI para 240 7-24 Pesquisa de Falhas 241
8-1 8-2 8-3 8-4 8-5 8-6 8-7 8-8 8-9 8-10 8-11 8-12 8-13
8-15 8-16 8- 7 8-18 8-19 8-20 8-21 8-22 8-23
Padrão 263 265
\Jl",L•ll•'-''llAJ para TTL 268 Outras 271 Conectando Saídas TTL Juntas 273 Tristate para TTL 276 A Família ECL de Cis 279 Circuitos MOS 282 O MOSFET 282 Circuitos com MOSFETs 283 Características da MOS 285
MOS 286 Características da Série CMOS 288
vvlJIVIU'C;::lCT de Baixa Tensão Saídas CMOS de Dreno Aberto Porta de Transmissão CMOS Interfaceamento de Cls 297 TTL Acionando CMOS 298 CMOS Acionando TTL 299
de Tensão 301 de Falhas 302
31 9-1 9-2 9-3 9.4 9.5 9-6 9-7 9-8 9-9 9-10 9-11 9-12 9-13 9- 4 9-15 9-16
Decodificadores 315 Decodificadores/Drivers BCD
de Falhas 329
0-3 Circuitos Conversores D/A 383
73
295
340
L'ºr'º"'i:-'"'''"'º"' de Conversores D/A 387 10-5 Circuito de Conversor D/A 388 10-6 de Conversores D/A 389 0-7 de Falhas em Conversores D/A 390
10-8 Conversão 391 10-9 Conversor A/D de Digital 391 t 0-1 O de Dados 394 1 O- 1 Conversor A/D de Sucessivas 396 10-12 Conversor A/D Flash 401 1 O- 3 Outros Métodos de Conversão fVD 401 10-14 Voltímetro 404 10-15 Circuitos e (Sample-and-
406
407 409
da Memória 422 Conexões - Memória 424 Memórias Somente de Leitura 425
-5 da ROM 426 -6 da ROM 428 -7 de
1 Memória Flash 436 1 -9 das ROMs 439 11-10 de 11-1 RAM Semicondutora 44 7 11-12 da RAJVI 44 7 11. 13 RAM Estática 449
-14 Dinâmica 453
418
441
1 -15 Estrutura e da RAM Dinâmica 454 1 - t 6 Ciclos de da RAM Dinâmica 458
- 7 Refresh da Rl\M Dinâmica 458 1 -18 da RAM Dinâmica 462
-19 do Tamanho da Palavra e da Capacidade 463 11 -20 da Memória 468 11-21 de Falhas em Sistemas com Rl\M 4 70 11-22 Teste de ROM 477
12-1 12-2 12-3 12-4
GAL 16V8A (Arranjo Lógico Genérico) 488 Programando PLDs 498 Software de Desenvolvimento 499 Compilador Universal para Lógica Programável (CUPL) 499 Comentários Finais 507
13 Introdução ao Microprocessador e ao Microcomputador 51 O
13-1 O que É um Computador Digital? 511 13-2 Como os Computadores "Pensam"? 511 13-3 Secreto 89 512 13-4 Organização de um Sistema Computacional
Básico 513 t 3-5 Elementos Básicos de um Microcomputador (µ,C) 515 13-6 Palavras 516 13-7 Instruções 517 13-8 Executando um Programa em Linguagem de
"°"''-'''-! UUHA 519 13-9 Estrutura Típica de um Microcomputador 522 13-1 O Comentários Finais 525
Folhas de Características do Fabricante de CI 7
Glossário 560
Cis 580
TEOREMAS BOOLEANOS
1. X·Ü o 2. X 1 =X 3. X· X= X
4. X X= o 5. X Ü =X 6. X + 1 = 1
7. X+X=X 8. X+ X= 1 9. x+y y +X
10. X y = y X 11 . x + (y + z) = (x + y) + z = x + y + z 12. x (yz) = (xy)z = xyz
13a. x(y + z) = xy + xz 13b. (w + x) (y + z) = wy + xy + wz + xz 14. X XY = X
15. X+ XY x+y 16. + =XY 17. XY =X+ y
TABELAS-VERDADE DAS PORTAS
OR NOR ANO A B A+B A+B A·B o o o 1 o o 1 o 1 o o o
o o o o 1 o 1 o o
SÍMBOLOS DAS PORTAS
o
o
:=[] o
Q
1
t do CLK não tem efeito em O
t do CLK não tem efeito em O
e Q
0=0 1 Inválido
t do CLK não tem efeito em O
• .. ·•·
*O segue a entrada D enquanto EN está em ALTO
Q*
Sem efeito: FF pode responder a J, K e CLK O= O independente do estado das entradas síncronas O= 1 independente do estado das entradas síncronas Ambíguo (não usado)
*CLK pode estar em qualquer estado
dutórios s 1 •
1-2 Sistemas Digitais e Analógicos Lógicos
1-3 Sistemas de Numeração Digital 1-6 Transmissão Paralela e Serial
1-4 Representação de Quantidades 1-7 Memória
Binárias 1-8 Computadores Digitais
OBJETIVOS
• Distinguir entre representações analógicas e digitais.
• Relacionar as vantagens e desvantagens das técnicas digitais quando comparadas com as analógicas.
• Compreender a necessidade de utilização de conversores analógico-digitais (conversores conversores digital-analógicos (conversores
• Converter números decimais em binários e vice-versa.
• Identificar sinais digitais típicos.
• Identificar um diagrama de tempo.
• Enumerar as diferenças entre transmissão e serial.
• Descrever a propriedade de memória.
• Descrever as principais partes de um computador digital e compreender suas funções.
• Fazer a distinção entre microcomputadores, microprocessadores e microcontroladores.
INTRODUÇÃO
No mundo atual, o termo digital tornou-se do nosso vocabulário no dia-a-dia por causa da maneira profunda qual os circuitos e as técnicas digitais tornaram-se ampla mente utilizados em quase todas as áreas de nossas vidas, como: computadores, automação, robôs, medicina, trans portes, entretenimento, exploração do espaço etc. Você prestes a começar uma excitante jornada, na desco brirá os princípios fundamentais, os conceitos e as opera-
que são comuns a todos os sistemas desde a mais simples chave liga-desliga até o mais com- putador. Se este livro for bem-sucedido, você adquirirá um profundo conhecimento de como os sistemas funci onam e deverá estar apto a aplicar este conhecimento na análise e manutenção de qualquer sistema digital.
Vamos começar introduzindo alguns conceitos básicos que são a parte vital da tecnologia digital; estes conceitos serão complementados mais adiante, à medida que setor nar necessário. Também introduziremos termos, importantes para iniciarmos o estudo nesta nova área de conhecimento, assim como acrescentaremos, a cada
novos termos àqueles já estudados.
1 ... 1
Na ciência, na tecnologia, nos negócios e na verdade em qualquer outro campo, estamos constantemente lidando com quantidades. Quantidades são medidas, monitoradas, gra-
vadas, manipuladas ou de al- outro modo utilizadas na maioria dos sistemas físicos.
importante que ao lidarmos com diversas jamos capazes de representar seus valores ente e exato. Existem basicamente duas formas de repre sentar o valor numérico de a e a
é proporcional ao valor de uma tensão ou corrente, ou ain da de uma medida de movimento. Um disso é o velocímetro de um automóvel, no qual a deflexão do pon teiro é proporcional à velocidade do automóvel. angular do ponteiro indica o valor da velocidade móvel, inclusive acompanhando que ocorrer na velocidade do automóvel ao ser acelerado ou freado.
Um outro exemplo é o termostato utilizado para contro lar a temperatura de uma sala, no a curvatura de uma lâmina bimetálica é proporcional à temperatura ambiente. À medida que a temperatura na sala se a curvatura da lâmina também se altera ~~--~---·~·--~·"
Ainda um outro exemplo de pode ser encontrado no conhecido microfone de áudio. Neste dispositivo, a tensão de saída é proporcional à amplitude das ondas sonoras que o microfone. As na tensão de saída as mesmas variações das ondas sonoras na entrada.
Quantidades na forma ~'"Á''-':"-' aquelas citadas anteriormente possuem uma característica: elas podem variar em zmz determinado in tervalo continuo de valores. velocidade de um automó vel pode assumir qualquer valor no intervalo entre zero e,
160 km/h. De modo a tensão de saída de um microfone estar em qualquer ponto de um intervalo de zero a 10 m V (por 1 m V. 9.9999 mV).
"
digital das horas do varia em passos /11'C1"r'oTíH'
comparada com a fornecida por um analógico, em que as no mostrador ocorrem de modo contínuo.
entre as formas de rr->r'lrr-><..:Pt<f
analógica e digital pode então ser da da maneira:
==contínua digital == discreta a
Por causa da natureza cHscreta da representação digital, não existe na leitura de uma quantidade represen- tada nesta enquanto na representação analógica a
EXEMPLO
Chave de dez posições corrente elétrica na tomada na parede
A de uma sala areia na
Velocímetro de automóvel
uma vez que o número de grãos pode assumir apenas um determinado número de valores discretos (inteiros) e não qualquer valor possível dentro de um intervalo contínuo. '-'"'"'--'"'"''--~'·se o velocímetro for do tipo de ponteiro; di
Uv'•"·''-'" um mostrador numérico.
E
Um sistema é uma combinação de dispositivos pro- para lidar com informações lógicas ou com quantida-
des físicas de forma digital, isto é, estas quan- tidades só assumir valores discretos. Estes dispositi-
eletrônicos, mas também podem ser 111'-'-'.llll'-V·" 11 . .L<.<>"-.ll'-U'-\JL) ou pneumáticos. Dentre os sistemas
mais comuns podemos citar computadores e calcula- '-''J"-H' ... "'· '--''-1'-''1'-''..L".l\. .. ULU de aúdio e vídeo digital e o sis
o maior sistema digital no mundo. Um sistema contém dispositivos que podem
quantidades físicas que são representadas de ""~"-'""'~~. Em um sistema analógico, as quantidades
físicas podem variar sobre um intervalo contínuo de valo res. Por exemplo: a amplitude do sinal de saída de um re ceptor de rádio pode ter qualquer valor entre zero e o limi te máximo. Outros sistemas analógicos bastante comuns são
de aúdio, equipamento de gravação e de fita e um simples interruptor do
tipo dimmer.
respostas das quesrôes de revisào podem ser encontradas no fim de cada capítulo.
Conceitos Introdutórios 3
Uma crescente maioria das aplicações na eletrônica, bem como em muitas outras áreas, utiliza técnicas digitais para realizar operações anteriormente realizadas através de mé todos analógicos. As principais razões ela mudança para téc nicas digitais são:
1. Sistemas digitais gerabnente sào mais.fáceis de projetar. Isto se deve ao fato de que os circuitos utilizados são circuitos de chaveamento, em que os valores exatos de tensão ou corrente não são importantes, mas apenas o intervalo ou BAIXO) no qual eles se localizam.
2. Fácil armazenamento de informação. Isto é alcançado por circuitos de chaveamento especiais, capazes de cap turar a informação e guardá-la pelo tempo que for ne cessário.
3. Maior exatidào e precisão. Sistemas digitais podem ma nipular quantos dígitos ele precisão forem necessários, para o que basta adicionar um número maior de circui tos de chaveamento. Em sistemas analógicos, a precisão está geralmente limitada a três ou quatro dígitos, porque os valores de corrente e tensão são diretamente depen dentes dos valores dos componentes dos circuitos e tam bém são afetados por flutuações randômicas (ruído).
4. A operaçào do sistema pode ser programada. É bastante simples projetar sistemas digitais cuja operação pode ser controlada por um conjunto de instruções, constituindo um programa. À medida que a tecnologia avança, a pro gramação ele sistemas vem se tornando cada vez mais simples. Sistemas analógicos também podem ser progra mados; entretanto, a variedade e a complexidade das operações disponíveis são…
Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica/COPPE-UFRJ Professor Assistente do Departamento de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações da Universidade do Estado do Rio de Janeiro-UERJ Professor Assistente do Departamento de Eletrônica da Escola Naval-EN
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~-··-· ~h• © 1998 Reserved.
Published by arrangement with the original publisher, Prentice-Hall, Inc., a Simon & Schuster company
Brian
Direitos exclusivos para a língua portuguesa © 2000 by
- Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ - CEP 20040-040 Telefone: 21-221-9621 Fax: 21-221-3202
Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia ou outros) sem permissão expressa da Editora.
maneÍras com que
to tempo, e e uma todos que a
Este livro é um estudo bastante dos princípios e técnicas utilizados nos modernos sistemas digitais. Ele deve ser usado em cursos de e de Ciência da Com-
Embora conhecimento básico de eletrônica ajude, a maior deste material nào conhecimen- to de As partes do texto que utilizam conceitos de eletrônica podem ser omitidas sem que a com-
dos princípios lógicos seja afetada.
contém diversas melhorias em relaçào à sexta Todo o material foi revisado e atualizado quan do necessário. partes do texto foram reescritas para que ficassem mais claras e completas. Vários novos exem plos, novas questões de revisão e problemas foram adicio-
tanto as partes novas que foram introduzidas para proporcionar um melhor suporte às partes que mantidas.
TECNOLOGIA DE CIRCUITOS INTEGRADOS Esta nova continua a iniciada na última edição, de dar
maior ênfase à tecnologia CMOS como a principal tecnolo- gia a ser usada em que utilizem Cis com baixa e média escalas de Isto foi feito, e ainda assim mantivemos uma cobertura bastante extensa da lógica TTL.
DO Para auxiliar os estudantes a re- ver o que foi visto em cada capítulo, adicionamos um resu mo e uma lista de termos importantes ao final de cada um.
PROBLEl\li\S As questões e problemas no final de cada capítulo são agora classificados de acordo com o tipo. Os problemas que que o estudante utilize o material básico visto no não recebem designação especial. Além destes básicos, existem quatro outros tipos que são da maneira:
111 C (do problema desafiador. Proble- um maior grau de raciocínio e
uc~'''-'JLH0''-' básicos. Geralmente, eles '-'"""'""''"''" que o combine o que foi aprendido anteriormente com o que está sendo estudado no capí tulo.
Ili D (do problema de projeto ou modifica- de circuito. Problemas que envolvem ou o projeto
de um circuito lógico para uma aplicação particular não ~~/· ~,J~··c~~·"' no ou a mod~ficaçào ele um circui-
to visto no capítulo para que ele funcione de modo dife rente.
Ili N (do inglês, New) novo conceito ou técnica não abor dada no texto.
Ili T (do inglês, Troubleshooting) problema de depuração. Problemas que exigem que os estudantes utilizem o ra ciocínio analítico necessário ao processo de pesquisa de falhas (depuração).
Um número de novas aplicações reais foi distribuído nesta ediçào para motivar aqueles estudantes que vivem pergun tando "Por que precisamos saber isto?" Um exemplo destas novas aplicações é o seqüenciador que controla a mistura de dois líquidos e depois cozinha esta mistura. O diagrama desta aplicação (Fig. 9-28) está reproduzido na Fig. P-1. Um outro exemplo de uma aplicação real que foi acrescentado a esta edição foi o detector de congestionamento de papel em uma máquina copiadora (Fig. 4-10), reproduzido aqui na Fig. P-2. Algumas outras aplicações são o monitor de tensão da bateria de uma espaçonave, o controle de um motor de passo, um termômetro digital, um termostato di gital, um gerador de funções baseadas em ROM e o contro le microprocessado de um microondas.
Mudanças Específicas
As principais mudanças na cobertura dos assuntos são as seguintes:
Ili Cap. 4 Mais sobre PLDs, especialmente usados para implementar circuitos lógicos que foram implementados usando Cis comuns. Mais aplicações reais.
Ili Cap. 5 Foi adicionado o gerador de clock a cristal. Ili Cap. 6 Foi retirado o material sobre circuitos multiplica
dores e adicionado material sobre circuitos integrados de ULA. Também foi adicionado material sobre representa ção hexadecimal de números sinalizados.
Ili 7 Este grande capítulo foi dividido em duas partes. A PARTE I (Seções de 1 a 15) cobre de contadores assíncronos até contadores com registradores de deslo camento. A PARTE II (Seções 16 a 24) inclui material sobre aplicações, registradores e pesquisa de falhas. Também existe uma maior adesão à convenção do fluxo do sinal da esquerda para a direita. Foi aumentado o material sobre contadores síncronos.
Ili Cap. 8 Retirado material obsoleto do método de unitária. Foi expandido e atualizado o material
2° 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2- o
3. 3-2 ~l-3 3-4 3-5 3-6 3-7
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Sistemas Digitais e Analógicos 3 Sistemas de Numeração Digital 5
'-'º'-'"!J'-'VULV de Quantidades Binárias 7 Circuitos Digitais/Circuitos Lógicos 8 Transmissão Paralela e Serial 9 Memória 9
Digitais 1 O
Conversões Binário-Decimal 15 Conversões Decimal-Binário 15 Sistema de Numeração Octal 1 7 Sistema de Numeração Hexadecimal 18
BCD 20 Relacionando as Representações 21 o 21 "-"n_. ...... ,JU Alfanuméricos 22 Método da Paridade para Detecção de Erros 23 Revisão 25
Lógicas e Álgebra
Constantes e Variáveis Booleanas 30 Tabelas-Verdade 31 Operação OR com Portas OR 32
AND com Portas AND 34 NOT 36
Descrevendo Circuitos Lógicos Algebricamente 37 Determinando o Valor da Saída de Circuitos ~~-'""" 38 Implementando Circuitos a Partir de Expressões Booleanas 39 Portas NOR e Portas NAND 40 Teoremas da Álgebra Booleana 43 Teoremas de DeMorgan 45 Universalidade das Portas NAND e NOR 4 7
º"''""·""'i-""'-'"" Alternativas das Portas
3-14 Que Representação de Porta Lógica Usar 53 3-15 Símbolos Lógicos do Padrão IEEE/ ANSI 56
4 Circuitos Lógicos Combinacionais 63
4-1 Forma de Soma-de-Produtos 64 4-2 Simplificação de Circuitos Lógicos 65 4-3 Simplificação Algébrica 65 4-4 Projetando Circuitos Lógicos Combinacionais 68 4-5 Método do Mapa de Karnaugh 73 4-6 Circuitos Exclusive-OR e Exclusive-NOR 79 4-7 Circuitos Gerador e Verificador de Paridade 83 4-8 Circuitos para Habilitar/Desabilitar 84 4-9 Características Básicas de Cls Digitais 86 4-1 O Pesquisa de Falhas em Sistemas Digitais 90 4-11 Falhas Internas dos Cis Digitais 91 4-12 Falhas Externas 94 4- 13 Estudo de um Caso de Pesquisa de Falhas 95 4-14 Lógica Programável 97
CAPÍTULO 5 Flip-Flops e Dispositivos Correlatos 105
5-1 5-2 5.3 5-4 5-5 5-6 5-7 5-8 5.9 5-10 5-11 5-12
5-13 5-14 5-15 5-16 5-17 5-18
Latch com Portas NAND 107 Latch com Portas NOR 111 Estudo de Casos em Pesquisa de Falhas 112 Sinais de Clock e Flip-Flops com Clock 113 Flip-Flop S-C com Clock 115 Flip-Flop J-K com Clock 118 Flip-Flop D com Clock 120 Latch D (Latch Transparente) 121 Entradas Assíncronas 123 Símbolos IEEE/ANSI 125 Considerações sobre Temporização em Flip-Flops 127 Problemas Potenciais de Temporização em Circui tos com Flip-Flops 129 Flip-Flops Mestre/Escravo 130 Aplicações com Flip-Flops 130 Sincronização de Flip-Flops 130 Detectando uma Seqüência de Entrada 132 Armazenamento e Transferência de Dados 132 Transferência Serial de Dados: Registradores de Deslocamento 134
Sumário
5-19 Divisão de Freqüência e Contagem 136 5-20 Aplicação em Microcomputador 139 5-2 t Dispositivos Schmitt-Trigger 140 5-22 Multivibrador Monoestável 141 5-23 Análise de Circuitos Seqüenciais 143 5-24 Circuitos Geradores de Clock 144 5-25 Depuração de Circuitos com Flip-Flops 146
6 Aritmética Digital: 1
Adição Binária 161 Representação de Números com Sinal 161 Adição no Sistema de Complemento a 2 165 Subtração no Sistema de Complemento a 2 166 Multiplicação de Números Binários 166 Divisão Binária 16 7 Adição BCD 167 Aritmética Hexadecimal 168 Circuitos Aritméticos 170 Somador Binário Paralelo 1 71 Projeto de um Somador Completo 172
e
6-1 6-2 6-3 6-4 6-5 6-6 6-7 6-8 6-9 6-10 6-11 6-12 6-13 6-14 6-15 6-16 6-17 6-18 6-19
Soma dor Paralelo Completo com 17 4 Propagação do Carry 175 Somador Paralelo Integrado 176 Sistema de Complemento a 2 177 Somador BCD 180 Circuitos Integrados de ULAs 182 Símbolos IEEE/ANSI 185 Estudo de Caso em Pesquisa de Falhas 185
7 Contadores e 191
7-8 7-9 7-10 7-11 7-12 7-13 7-14 7-15
Contadores Assíncronos 192 Contadores de Módulo < 2 \ 194 Circuitos Integrados de Contadores Assíncronos 198 Contador Assíncrono Decrescente 202 Atraso de Propagação em Contadores Assíncronos 204 Contadores Síncronos 205 Contadores Síncronos Decrescentes e Crescentes/ Decrescentes 207 Contadores com Carga Paralela 207 O 74LS193/HC193 209 Mais sobre a Notação de Dependência IEEE/ ANSI 214 Decodificando um Contador 215 Glitches de Decodificação 218 Ligação em Cascata de Contadores BCD 219 Projeto de Contadores Síncronos 220 Contadores com Registradores de Deslocamento 226
PARTE li
7-16 Aplicações de Contadores: Freqüencímetro 230 7-17 Aplicações de Contadores: Relógio 233 7-18 Circuitos Integrados de Registradores 234 7-19 Entrada Paralela/Saída Paralela - O 74174 e o
74178 234
7-20 Entrada Serial/Saída Serial - O 473 237 7-21 Entrada Paralela/Saída Serial - O 65/
74LS165/74HC165 237 7-22 Entrada Serial/Saída Paralela - O 74164/
74LS164/74HC164 238 7-23 Símbolos IEEE/ANSI para 240 7-24 Pesquisa de Falhas 241
8-1 8-2 8-3 8-4 8-5 8-6 8-7 8-8 8-9 8-10 8-11 8-12 8-13
8-15 8-16 8- 7 8-18 8-19 8-20 8-21 8-22 8-23
Padrão 263 265
\Jl",L•ll•'-''llAJ para TTL 268 Outras 271 Conectando Saídas TTL Juntas 273 Tristate para TTL 276 A Família ECL de Cis 279 Circuitos MOS 282 O MOSFET 282 Circuitos com MOSFETs 283 Características da MOS 285
MOS 286 Características da Série CMOS 288
vvlJIVIU'C;::lCT de Baixa Tensão Saídas CMOS de Dreno Aberto Porta de Transmissão CMOS Interfaceamento de Cls 297 TTL Acionando CMOS 298 CMOS Acionando TTL 299
de Tensão 301 de Falhas 302
31 9-1 9-2 9-3 9.4 9.5 9-6 9-7 9-8 9-9 9-10 9-11 9-12 9-13 9- 4 9-15 9-16
Decodificadores 315 Decodificadores/Drivers BCD
de Falhas 329
0-3 Circuitos Conversores D/A 383
73
295
340
L'ºr'º"'i:-'"'''"'º"' de Conversores D/A 387 10-5 Circuito de Conversor D/A 388 10-6 de Conversores D/A 389 0-7 de Falhas em Conversores D/A 390
10-8 Conversão 391 10-9 Conversor A/D de Digital 391 t 0-1 O de Dados 394 1 O- 1 Conversor A/D de Sucessivas 396 10-12 Conversor A/D Flash 401 1 O- 3 Outros Métodos de Conversão fVD 401 10-14 Voltímetro 404 10-15 Circuitos e (Sample-and-
406
407 409
da Memória 422 Conexões - Memória 424 Memórias Somente de Leitura 425
-5 da ROM 426 -6 da ROM 428 -7 de
1 Memória Flash 436 1 -9 das ROMs 439 11-10 de 11-1 RAM Semicondutora 44 7 11-12 da RAJVI 44 7 11. 13 RAM Estática 449
-14 Dinâmica 453
418
441
1 -15 Estrutura e da RAM Dinâmica 454 1 - t 6 Ciclos de da RAM Dinâmica 458
- 7 Refresh da Rl\M Dinâmica 458 1 -18 da RAM Dinâmica 462
-19 do Tamanho da Palavra e da Capacidade 463 11 -20 da Memória 468 11-21 de Falhas em Sistemas com Rl\M 4 70 11-22 Teste de ROM 477
12-1 12-2 12-3 12-4
GAL 16V8A (Arranjo Lógico Genérico) 488 Programando PLDs 498 Software de Desenvolvimento 499 Compilador Universal para Lógica Programável (CUPL) 499 Comentários Finais 507
13 Introdução ao Microprocessador e ao Microcomputador 51 O
13-1 O que É um Computador Digital? 511 13-2 Como os Computadores "Pensam"? 511 13-3 Secreto 89 512 13-4 Organização de um Sistema Computacional
Básico 513 t 3-5 Elementos Básicos de um Microcomputador (µ,C) 515 13-6 Palavras 516 13-7 Instruções 517 13-8 Executando um Programa em Linguagem de
"°"''-'''-! UUHA 519 13-9 Estrutura Típica de um Microcomputador 522 13-1 O Comentários Finais 525
Folhas de Características do Fabricante de CI 7
Glossário 560
Cis 580
TEOREMAS BOOLEANOS
1. X·Ü o 2. X 1 =X 3. X· X= X
4. X X= o 5. X Ü =X 6. X + 1 = 1
7. X+X=X 8. X+ X= 1 9. x+y y +X
10. X y = y X 11 . x + (y + z) = (x + y) + z = x + y + z 12. x (yz) = (xy)z = xyz
13a. x(y + z) = xy + xz 13b. (w + x) (y + z) = wy + xy + wz + xz 14. X XY = X
15. X+ XY x+y 16. + =XY 17. XY =X+ y
TABELAS-VERDADE DAS PORTAS
OR NOR ANO A B A+B A+B A·B o o o 1 o o 1 o 1 o o o
o o o o 1 o 1 o o
SÍMBOLOS DAS PORTAS
o
o
:=[] o
Q
1
t do CLK não tem efeito em O
t do CLK não tem efeito em O
e Q
0=0 1 Inválido
t do CLK não tem efeito em O
• .. ·•·
*O segue a entrada D enquanto EN está em ALTO
Q*
Sem efeito: FF pode responder a J, K e CLK O= O independente do estado das entradas síncronas O= 1 independente do estado das entradas síncronas Ambíguo (não usado)
*CLK pode estar em qualquer estado
dutórios s 1 •
1-2 Sistemas Digitais e Analógicos Lógicos
1-3 Sistemas de Numeração Digital 1-6 Transmissão Paralela e Serial
1-4 Representação de Quantidades 1-7 Memória
Binárias 1-8 Computadores Digitais
OBJETIVOS
• Distinguir entre representações analógicas e digitais.
• Relacionar as vantagens e desvantagens das técnicas digitais quando comparadas com as analógicas.
• Compreender a necessidade de utilização de conversores analógico-digitais (conversores conversores digital-analógicos (conversores
• Converter números decimais em binários e vice-versa.
• Identificar sinais digitais típicos.
• Identificar um diagrama de tempo.
• Enumerar as diferenças entre transmissão e serial.
• Descrever a propriedade de memória.
• Descrever as principais partes de um computador digital e compreender suas funções.
• Fazer a distinção entre microcomputadores, microprocessadores e microcontroladores.
INTRODUÇÃO
No mundo atual, o termo digital tornou-se do nosso vocabulário no dia-a-dia por causa da maneira profunda qual os circuitos e as técnicas digitais tornaram-se ampla mente utilizados em quase todas as áreas de nossas vidas, como: computadores, automação, robôs, medicina, trans portes, entretenimento, exploração do espaço etc. Você prestes a começar uma excitante jornada, na desco brirá os princípios fundamentais, os conceitos e as opera-
que são comuns a todos os sistemas desde a mais simples chave liga-desliga até o mais com- putador. Se este livro for bem-sucedido, você adquirirá um profundo conhecimento de como os sistemas funci onam e deverá estar apto a aplicar este conhecimento na análise e manutenção de qualquer sistema digital.
Vamos começar introduzindo alguns conceitos básicos que são a parte vital da tecnologia digital; estes conceitos serão complementados mais adiante, à medida que setor nar necessário. Também introduziremos termos, importantes para iniciarmos o estudo nesta nova área de conhecimento, assim como acrescentaremos, a cada
novos termos àqueles já estudados.
1 ... 1
Na ciência, na tecnologia, nos negócios e na verdade em qualquer outro campo, estamos constantemente lidando com quantidades. Quantidades são medidas, monitoradas, gra-
vadas, manipuladas ou de al- outro modo utilizadas na maioria dos sistemas físicos.
importante que ao lidarmos com diversas jamos capazes de representar seus valores ente e exato. Existem basicamente duas formas de repre sentar o valor numérico de a e a
é proporcional ao valor de uma tensão ou corrente, ou ain da de uma medida de movimento. Um disso é o velocímetro de um automóvel, no qual a deflexão do pon teiro é proporcional à velocidade do automóvel. angular do ponteiro indica o valor da velocidade móvel, inclusive acompanhando que ocorrer na velocidade do automóvel ao ser acelerado ou freado.
Um outro exemplo é o termostato utilizado para contro lar a temperatura de uma sala, no a curvatura de uma lâmina bimetálica é proporcional à temperatura ambiente. À medida que a temperatura na sala se a curvatura da lâmina também se altera ~~--~---·~·--~·"
Ainda um outro exemplo de pode ser encontrado no conhecido microfone de áudio. Neste dispositivo, a tensão de saída é proporcional à amplitude das ondas sonoras que o microfone. As na tensão de saída as mesmas variações das ondas sonoras na entrada.
Quantidades na forma ~'"Á''-':"-' aquelas citadas anteriormente possuem uma característica: elas podem variar em zmz determinado in tervalo continuo de valores. velocidade de um automó vel pode assumir qualquer valor no intervalo entre zero e,
160 km/h. De modo a tensão de saída de um microfone estar em qualquer ponto de um intervalo de zero a 10 m V (por 1 m V. 9.9999 mV).
"
digital das horas do varia em passos /11'C1"r'oTíH'
comparada com a fornecida por um analógico, em que as no mostrador ocorrem de modo contínuo.
entre as formas de rr->r'lrr-><..:Pt<f
analógica e digital pode então ser da da maneira:
==contínua digital == discreta a
Por causa da natureza cHscreta da representação digital, não existe na leitura de uma quantidade represen- tada nesta enquanto na representação analógica a
EXEMPLO
Chave de dez posições corrente elétrica na tomada na parede
A de uma sala areia na
Velocímetro de automóvel
uma vez que o número de grãos pode assumir apenas um determinado número de valores discretos (inteiros) e não qualquer valor possível dentro de um intervalo contínuo. '-'"'"'--'"'"''--~'·se o velocímetro for do tipo de ponteiro; di
Uv'•"·''-'" um mostrador numérico.
E
Um sistema é uma combinação de dispositivos pro- para lidar com informações lógicas ou com quantida-
des físicas de forma digital, isto é, estas quan- tidades só assumir valores discretos. Estes dispositi-
eletrônicos, mas também podem ser 111'-'-'.llll'-V·" 11 . .L<.<>"-.ll'-U'-\JL) ou pneumáticos. Dentre os sistemas
mais comuns podemos citar computadores e calcula- '-''J"-H' ... "'· '--''-1'-''1'-''..L".l\. .. ULU de aúdio e vídeo digital e o sis
o maior sistema digital no mundo. Um sistema contém dispositivos que podem
quantidades físicas que são representadas de ""~"-'""'~~. Em um sistema analógico, as quantidades
físicas podem variar sobre um intervalo contínuo de valo res. Por exemplo: a amplitude do sinal de saída de um re ceptor de rádio pode ter qualquer valor entre zero e o limi te máximo. Outros sistemas analógicos bastante comuns são
de aúdio, equipamento de gravação e de fita e um simples interruptor do
tipo dimmer.
respostas das quesrôes de revisào podem ser encontradas no fim de cada capítulo.
Conceitos Introdutórios 3
Uma crescente maioria das aplicações na eletrônica, bem como em muitas outras áreas, utiliza técnicas digitais para realizar operações anteriormente realizadas através de mé todos analógicos. As principais razões ela mudança para téc nicas digitais são:
1. Sistemas digitais gerabnente sào mais.fáceis de projetar. Isto se deve ao fato de que os circuitos utilizados são circuitos de chaveamento, em que os valores exatos de tensão ou corrente não são importantes, mas apenas o intervalo ou BAIXO) no qual eles se localizam.
2. Fácil armazenamento de informação. Isto é alcançado por circuitos de chaveamento especiais, capazes de cap turar a informação e guardá-la pelo tempo que for ne cessário.
3. Maior exatidào e precisão. Sistemas digitais podem ma nipular quantos dígitos ele precisão forem necessários, para o que basta adicionar um número maior de circui tos de chaveamento. Em sistemas analógicos, a precisão está geralmente limitada a três ou quatro dígitos, porque os valores de corrente e tensão são diretamente depen dentes dos valores dos componentes dos circuitos e tam bém são afetados por flutuações randômicas (ruído).
4. A operaçào do sistema pode ser programada. É bastante simples projetar sistemas digitais cuja operação pode ser controlada por um conjunto de instruções, constituindo um programa. À medida que a tecnologia avança, a pro gramação ele sistemas vem se tornando cada vez mais simples. Sistemas analógicos também podem ser progra mados; entretanto, a variedade e a complexidade das operações disponíveis são…