Introdução
Quando se ouve o termo “digital”, pensa-se imediatamente em “relógio
digital” ou “calculadora digital”. Provavelmente, esta associação deve
ser atribuída à popularidade que estas máquinas adquiriram devido à
queda acentuada em seus preços, tornando-as acessíveis à grande maioria
das pessoas. Apesar disso, é importante saber que as calculadoras e
computadores representam apenas uma parcela do grande leque de
aplicações dos circuitos digitais. Estes circuitos podem ser encontrados
em produtos eletrônicos, como por exemplo, videogames, fornos de
microondas, sistemas de controle automotivos e equipamentos de testes,
como medidores, geradores e osciloscópios. As técnicas digitais vieram
substituir alguns dos antigos “circuitos analógicos” usados em produtos
de consumo, como rádios, TVs e equipamentos de áudio de alta fidelidade.
Vamos ver os princípios e técnicas que são comuns a todos os sistemas
digitais. Inicialmente serão introduzidos alguns conceitos básicos
vitais na Eletrônica Digital. Novas terminologias aparecerão no início
de cada assunto, sempre que for preciso.
Representações Numéricas
Lidamos constantemente com quantidades, que são medidas, monitoradas,
gravadas, manipuladas aritmeticamente e utilizadas na maioria dos
sistemas físicos. Quando lidamos com determinadas quantidades, é de
extrema importância o conhecimento de como representar seus valores de
maneira eficiente e precisa. Basicamente, existem duas formas de
representação dos valores numéricos das quantidades: a analógica e a digital.
- Representação Analógica – Analogicamente, uma quantidade é representada por outra que é proporcional à primeira. No velocímetro de um automóvel, a deflexão do ponteiro é proporcional à velocidade do veículo. A posição angular do ponteiro representa o valor da velocidade do veículo, e qualquer variação é imediatamente refletida por uma nova posição do ponteiro. Outro exemplo é o termômetro, em que a altura da faixa de mercúrio é proporcional à temperatura do ambiente. Quando ocorrem mudanças na temperatura, a altura da coluna de mercúrio também muda proporcionalmente.
Quantidades analógicas como as que acabamos de exemplificar têm uma
característica importante: elas variam continuamente dentro de uma faixa
de valores. A velocidade do automóvel pode assumir qualquer valor entre
zero e, digamos, 100 km por hora.
- Representação Digital – Na representação digital, as quantidades são representadas por símbolos chamados dígitos, e não por valores proporcionais. Um exemplo clássico é o relógio digital, que apresenta as horas, minutos e às vezes os segundos, na forma de dígitos decimais. Como se sabe, o tempo varia continuamente, mas o relógio digital não mostra as variações de maneira contínua; pelo contrário, o valor é apresentado em saltos de um em um segundo ou minuto.
Em virtude da natureza discreta da representação digital, as leituras
neste sistema não apresentam problemas de ambigüidade, em contraposição
ao sistema analógico, em que as leituras deixam margem à interpretação
do observador.
Sistemas Digitais e Analógicos
Costuma-se dividir a Eletrônica em duas áreas: Eletrônica Analógica e
Eletrônica Digital. Uma maneira bem simples para se entender o conceito
das palavras Analógico e Digital, é a comparação de uma rampa com uma
escada. Ao se analisar a rampa, percebe-se que uma pessoa poderá ocupar
cada uma das infinitas posições existentes entre o início e o fim. No
caso da escada, a pessoa poderá estar em apenas um dos seus degraus.
Sendo assim, é correto dizer que a rampa pode representar um sistema
analógico, enquanto que a escada pode representar um sistema digital.
No voltímetro analógico o ponteiro pode ocupar infinitas posições
entre o maior e menor valor da escala, no voltímetro digital os valores
mostrados no display são discretos, isto é, existe um número finito de
valores entre o maior e o menor valor da escala. Outro exemplo pode ser
encontrado no ajuste de volume de um televisor. Ajustando o volume do
televisor através de um botão conectado a um potenciômetro, teremos
infinitas posições para escolher dentro da escala permitida. Porém, no
controle remoto observamos que a intensidade do som muda em pequenos
saltos e, em alguns modelos, aparece no vídeo o valor selecionado em uma
escala previamente definida.
Podemos dizer então que o "botão de volume" do televisor é uma
entrada analógica, e que o ajuste de volume no controle remoto
representa uma entrada digital. Podemos concluir que a Eletrônica
Analógica processa sinais com funções contínuas e a Eletrônica Digital
processa sinais com funções discretas.
Vantagens das Técnicas Digitais
O grande crescimento da eletrônica está relacionado com o uso de
técnicas digitais para implementar funções que eram realizadas usando-se
os métodos analógicos. Os principais motivos da migração para a
tecnologia digital são:
- Os sistemas digitais são mais fáceis de ser projetados. Isso porque os circuitos utilizados são circuitos de chaveamento, nos quais não importam os valores exatos de tensão ou corrente, mas apenas a faixa – Alta (High) ou Baixa (Low) – na qual eles se encontram.
- Fácil armazenamento de informação. Técnicas de armazenamento digitais podem armazenar bilhões de bits em um espaço físico relativamente pequeno. Já a capacidade de armazenamento de um sistema analógico é extremamente limitada.
- Maior precisão e exatidão. Nos sistemas analógicos, a precisão é limitada porque os valores de tensão e corrente são diretamente dependentes dos valores dos componentes do circuito, além de serem muito afetados por ruídos.
- As operações podem ser programadas. É relativamente fácil e conveniente desenvolver sistemas digitais cuja operação possa ser controlada por um conjunto de instruções previamente armazenadas, denominado programa. Os sistemas analógicos também podem ser programados, mas a variedade e a complexidade das operações envolvidas são bastante limitadas.
- Os circuitos digitais são menos afetados por ruídos. Flutuações espúrias na tensão (ruído) não são tão críticas em sistemas digitais, desde que o ruído não tenha amplitude suficiente que dificulte a distinção entre um nível Alto e um nível Baixo.
- Os circuitos digitais são mais adequados à integração. É verdade que o desenvolvimento da tecnologia de integração (CIs) também beneficiou os circuitos analógicos, mas a sua relativa complexidade e o uso de dispositivos que não podem ser economicamente integrados (capacitores de grande capacitância, resistores de precisão, indutores, transformadores) não permitiram que os circuitos analógicos atingissem o mesmo grau de integração dos circuitos digitais.
Limitações das Técnicas Digitais
Na verdade, há apenas uma grande desvantagem ao se utilizar as
técnicas digitais: o mundo é quase totalmente analógico. Grandezas que
comprovam isso são a temperatura, a pressão, a posição, a velocidade, o
nível de um líquido e a vazão. Para obter as vantagens das técnicas
digitais quando se trabalha com entradas e saídas analógicas, três
passos devem ser seguidos:
- Converter as entradas analógicas do mundo real para o formato digital.
- Realizar o processamento da informação digital.
- Converter as saídas digitais de volta ao formato analógico.
Na Figura 1 a seguir é apresentado o diagrama de um sistema de
controle de temperatura típico. Conforme o diagrama, a temperatura
analógica é medida e o valor medido é em seguida convertido para
digital. A informação digital é processada e convertida de volta para o
formato analógico. Essa saída alimenta um controlador que comanda alguma
ação para o ajuste da temperatura.
Para simplificar ainda mais o processamento de sinais digitais,
utiliza-se a técnica de numeração binária, que usa apenas dois símbolos
para a representação de números. Esse sistema de numeração será visto
com maiores detalhes adiante. Se for utilizada a numeração binária,
ter-se-á um Conjunto Universo com apenas dois elementos distintos
para representar os sinais desejados. Isso quer dizer que num
dispositivo digital eletrônico teremos o processamento de elementos que
se apresentam em apenas dois valores. A esses conjuntos dá-se o nome de BITs (BInary DigiT) e BYTES
(conjunto de 8 bits). Ao se trabalhar com sistemas binários, são
utilizadas abreviações para certas potências de dois, como detalhadas na
Tabela 1 a seguir.
Tabela 1 – Abreviações utilizadas para potência de 2.
(Wiki)
Até o próximo Update!
DGandra
Dando contíuidade aos nossos estudos, veremos agora os Sistemas Númericos mais utilizados nas Técnicas Digitais, paasando do binário ao Hexadecimal. Veremos Também operações com binários, e discutiremos um pouco sobre as Portas Lógicas.
Sistemas de Numeração:
- Binário:
O sistema Binário de numeração é composto por apenas dois algarismos, sendo eles o ZERO e o UM. A combinação destes algarismos geram números codificados em binário.Vejam a tabela de binários abaixo:
Vejam, assim como o sistema Decima é formado por algarismos de ZERO a NOVE, a combinação destes algarismos nos geram números de valores maiores, por exemplo o número DEZ. O mesmo ocorre com o sistemas BINÁRIO (base 2), OCTAL (base 8)e HEXADECIMAL (base 16).
- OCTAL:
O sistema OCTAL de numeração é
composto por apenas oito algarismos, estando eles compreendidos entre o ZERO e o SETE. A
combinação destes algarismos geram números codificados em OCTAL.Vejam a
tabela de octais abaixo:
- HEXADECIMAL:
O sistema HEXADECIMAL de numeração é
composto por apenas DEZESSEIS SIMBOLOS, estando eles compreendidos entre o ZERO e o NOVE, e na sequência das letras A a F. A
combinação destes algarismos geram números codificados em HEXADECIMAL.Vejam a
tabela de octais abaixo:
ONDE USO ISSO?
Esses sistemas de numeração tem uso direto em sistemas eletrônicos. Para dizer a verdade, as máquinas digitais não usam o sistema DECIMAL de numeração para realizar suas operações. Para a máquina é muito mais rápido trabalhar com sua própria lógica, usando o sistema BINÁRIO. Mas e os outros sistemas pra que servem? Também são linguagem de máquina, mas podemos dizer que são sistemas intermediários ao sistema binário, e o decimal, tornando a linguagem de máquina mais fácil de ser compreendida.
Conversão de Bases:
Decimal para BINÁRIO:
Para converter um DECIMAL para BINÁRIO, realizamos sucessivas divisões o número a ser convertido pela base 2 do binário. Essas divisões são realizadas até que o quociente da operação seja MENOR que o dividendo. Desta forma temos:
Para converter um DECIMAL para OCTAL, realizamos
sucessivas divisões o número a ser convertido pela base 8 do OCTAL.
Essas divisões são realizadas até que o quociente da operação seja MENOR
que o dividendo. Desta forma temos:
Decimal para HEXADECIMAL:
Para converter um DECIMAL para HEXADECIMAL, realizamos
sucessivas divisões o número a ser convertido pela base 16 do HEXADECIMAL.
Essas divisões são realizadas até que o quociente da operação seja MENOR
que o dividendo. Desta forma temos:
Tem algo estranho nessa conversão. Vimos anteriormente que os simbolos que compõe o Sistema Hexadecimal variam de ZERO a NOVE e uma sequência de A a F, logo, esse número 11 não pode estar no resultado. Temos que usar seu equivalente em HEXADECIMAL. O algarismo B.
Legal, mas e o processo inversso?
Aqui, vou mostrar um processo simples de conversão de qualquer base (binário, octal ou hexadecimal) para o decimal. Através de uma tabela de potências, e multiplicações e mais algumas somas chegamos ao resultado esperado. Parece complicado, mas é bem simples.
Não é tão complicado assim. Veja:
Para converter um número de qualquer base para decimal, substitui-se o valor da base na tabela acima. No campo valor, entra o resultado da potência da base escolhida. Esse resultado se multiplica pelo valor a ser convertido, dando um resultado parcial. O resultado final é dado pela soma do parcial.
Trocando em miúdos, a tabela acima mostra:
RESULTADO = 2³x1+2²x0+2¹x1+2°x1
RESULTADO = 8+0+2+1
RESULTADO = 11
Esse método funciona para todos os sistemas numéricos.
Até o próximo Update!
DGandra
