© 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)
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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
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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
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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).
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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
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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
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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:
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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
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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
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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).
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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)
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O flip-flop do tipo D: exemplo
Dentrada (D) saída (Q)
relógio (clock)
entrada (D)
saída (Q)
clock
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Circuitos sequenciais: o contador
Decimal Binário
0 000
1 001
2 010
3 011
4 100
5 101
6 110
... ...
contador descodificador dígito
clk
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Circuitos sequenciais:o registo de deslocamento
Sequência de estados
(exemplo)
10000
01000
00100
00010
00001
10000
clk
leds
registo de deslocamento
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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).
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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.
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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)
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Conversores Analó gico-Di gitais
• 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
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Conversores Analó gico-Di gitais
• 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
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Conversores Analó gico-Di gitais
• Erro de offset de 1 LSB ( Least Significative Bit )
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
Função detransferênciaideal
Actual
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Conversores Analó gico-Di gitais
• Erro de ganho (positivo)
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 de ganho ideal
Declive = 1
Erro de ganhoactual
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Conversores Analó gico-Di gitais
• Não linearidade diferencial
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
Códigoinexistente
1.5 LSB
0.5 LSB
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Conversores Analó gico-Di gitais
• 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
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Conversores Analó gico-Di gitais
• 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
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Conversores Analó gico-Di gitais
• 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
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Conversores Analó gico-Di gitais
• 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.
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Conversores Analó gico-Di gitais
• Tipos existentes– APROXIMAÇÕES SUCESSIVAS– INTEGRADOR– RAMPA– SIGMA-DELTA ( Σ∆)– FLASH– …
• Análise comparativa– Vantagens– Desvantagens
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Conversores Analó gico-Di gitais
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)
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Conversores Analó gico-Di gitais
• 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
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• IntegradorEsquema interno
Conversores Analógico-Digitais
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• IntegradorPrincípio defuncionamento
Conversores Analógico-Digitais
Tempo constantet
V
Tempo medido
Tensão à saídado integrador
Declive impostopor Vref (sempreo mesmo)
Declive imposto pelatensão de entrada
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Conversores Analógico-Digitais
• 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
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Conversores Analógico-Digitais
• 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