GRA1017 SISTEMAS DIGITAIS - ATIVIDADE 4 (A4)

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Atividade 4
Questão 1
Sabe-se que contadores são circuitos pertencentes ao grupo dos sistemas lógicos sequenciais. Os contadores podem, ainda, ser classificados como contadores assíncronos e síncronos. Especificamente sobre os contadores assíncronos, podemos mencionar que eles são formados por flip-flops, tipo “JK” ou tipo “T” cascateados, ou seja, o sinal de clock de um flip-flop é obtido a partir da saída “Q” do flip-flop vizinho, motivo esse de sua denominação “assíncrono”. Por fim, sabe-se que um contador assíncrono pode realizar contagens lineares, ou seja, os termos contados devem ser subsequentes (de forma crescente ou decrescente).
Imagine que há a necessidade de exibir apenas os valores pares de uma contagem crescente. Nesse caso, suponha que o início da contagem é garantido o valor “0”. Agora, analise as alternativas a seguir.
I. A contagem de dois em dois (apenas os números pares) pode ser obtida introduzindo-se um flip-flop a mais no contador em relação à quantidade mínima necessária. Esse flip-flop adicional seria um bit inferior ao bit menos significativo da contagem. Exibe-se no display todos os flip-flops, exceto o flip-flop adicional.
II. Pode-se coletar o sinal do clock de um componente divisor de frequência, em que a frequência seria dividida por 2. Esse divisor de frequência pode ser construído com um flip-flop tipo “JK” ou tipo “T”.
III. Para exibir apenas valores pares, basta deixar o display do bit menos significativo congelado no valor lógico “0”. A contagem nos demais bits ficaria normal.
IV. Caso o display do bit menos significativo seja congelado no valor lógico “0”, fazendo a contagem apenas dos demais bits, deve-se limitar a contagem. Por exemplo, caso estejamos utilizando 3 flip-flops, a contagem deverá ser reiniciada no valor 5. O último valor válido seria “100” (valor 4 em decimal), pois acrescentando-se o display em 0, ficaria “1000” (valor 8 em decimal).
Agora, assinale a alternativa que traz apenas a(s) afirmativa(s) correta(s).
Questão 2
Contadores assíncronos podem estar presentes em várias aplicações práticas. Imagine que há a necessidade de se implementar um circuito para informar ao usuário a quantidade de batidas de seu coração por minuto. Esse circuito deve atualizar o display somente após o final de cada minuto, ou seja, ao final de cada minuto, a contagem deverá ser reiniciada para que, após o próximo minuto, o valor do display possa ser atualizado com a nova marcação.
Para a implementação do circuito, suponha que você possui os seguintes componentes:
I. Transdutor pressão-elétrico: esse componente transforma uma variação de pressão em um sinal elétrico. No nosso caso, será acoplado junto ao corpo do usuário para que, a cada batimento do coração, ele forneça um pulso (sinal já condicionado), ou seja, os níveis de tensão e de corrente já se encontram calibrados para a pronta utilização no circuito a ser implementado.
II. Oscilador com pulso a cada minuto: esse circuito emitirá um pulso a cada minuto.
III. Registrador: esse componente é capaz de armazenar uma palavra de N bits. Suponha que a quantidade N de bits seja suficiente para a sua aplicação.
IV. Contador assíncrono de N bits. Suponha que a quantidade N de bits seja suficiente para a sua aplicação. Esse contador apresenta um pino de “ reset”, quando referenciado com “1”, o valor da contagem é reiniciado com “0”.
V. Decodificadores e display de 7 segmentos. A quantidade de decodificadores e displays disponíveis são suficientes para exibir um número de três dígitos.
VI. Portas lógicas diversas.
Agora, faça a relação entre os componentes de modo que as interconexões permitam a implementação do circuito de monitoramento de batimentos cardíacos.
Questão 3
Um valor numérico binário pode ser expresso por diversas formas. Dentre as formas mais conhecidas, podemos citar: codificação “Gray”; codificação “Johnson”; e codificação “Excesso 3”. Em relação à codificação Johnson, podemos realizar sua contagem por intermédio de um registrador de deslocamento em anel torcido. Porém, essa não é a única maneira, ou seja, podemos realizar a contagem Johnson também por meio de um contador binário síncrono. Para essa questão, imagine uma contagem Johnson de apenas 3 bits (“A”, “B” e “C” - em que o bit “C” é o menos significativo). Nesse caso, teremos a seguinte contagem: 000 → 001 → 011 → 111 → 110 → 100 → volta ao estado inicial “000”.
Selecione a alternativa que contém as expressões corretas dos circuitos combinacionais relativos aos terminais “J” e “K” do flip-flop correspondente ao bit “C” (menos significativo).
Questão 4
Na informática, adota-se o formato binário de representação numérica devido aos possíveis estados de um bit: 0 ou 1. Porém, dentro da representação binária, podemos encontrar vários formatos, dentre os quais destacamos as representações Gray, Johnson e o “2 entre 5”. Particularmente em relação ao código Gray, podemos mencionar que sua principal característica consiste na variação de apenas 1 bit de seus valores entre as linhas subsequentes. Para essa questão, implemente um contador Gray de 3 bits, utilizando um contador síncrono. Manipulando 3 bits (“A”, “B” e “C”), a contagem será: 000, 001, 011, 010, 110, 111, 101, 100.
Assinale a alternativa que contém os valores dos terminais “J” e “K” correspondentes ao bit menos significativo (bit “C” - bit mais à direita).
Questão 5
Em diversas situações, surge a necessidade de se alternar entre as contagens crescentes e as decrescentes. Um exemplo é a implementação de um gerador de ondas do tipo triangular. Em outras situações, por questão de economia (de custos e de espaço utilizado), um único circuito integrado já integra as duas funcionalidades, mas, para tanto, deve existir um pino cuja função é permitir ao usuário/desenvolvedor optar pela contagem crescente ou pela decrescente. Assim, por exemplo, quando esse pino (UP/DOWN) estiver no nível lógico “0”, a contagem será crescente; caso contrário (valor lógico “1”), a contagem será realizada de forma decrescente.
Para essa questão, analise as afirmativas a seguir.
I. Para permitir a troca da funcionalidade do contador, pode ser inserido um MUX na entrada do clock dos flip-flops, selecionando a saída Q ou a saída ~Q do flip-flop anterior. O bit de seleção do MUX será o próprio pino “UP/DOWN”.
II. Para permitir uma contagem crescente ou decrescente, basta conectar as saídas Q e ~Q às entradas de uma porta “OR”. A saída da porta “OR” corresponderá a um bit da palavra de saída do contador.
III. Para permitir a troca da funcionalidade do contador, pode ser inserido um MUX para a obtenção da saída da contagem. Esse MUX receberá como entradas a saída Q ou a saída ~Q do flip-flop. O bit de seleção do MUX será o próprio pino “UP/DOWN”.
IV. Para permitir a troca da funcionalidade, basta conectar as saídas Q e ~Q às entradas de uma porta “AND”. A saída da porta “AND” corresponderá a um bit da palavra de saída do contador.
Agora, assinale a alternativa que traz apenas a(s) afirmativa(s) correta(s).
Questão 6
Na matemática, podemos realizar multiplicações utilizando somas sucessivas. Por exemplo 4*3 = 4 + 4 + 4 = 12. Para essa questão, imagine que você tenha a necessidade de implementar um circuito capaz de realizar multiplicação de dois números (“A” e “B”) de 3 bits cada - em que “A” denota o multiplicando e “B” o multiplicador. Porém, infelizmente, você não tem, em sua bancada, circuitos ou componentes que fazem, especificamente, a operação de multiplicação.
Para essa questão, analise as afirmativas a seguir.
I. Para realizar uma operação de multiplicação com somas sucessivas, temos que ter um circuito somador (“S”), um registrador (“R”), um circuito contador (“C”) e uma porta “AND”. As entradas de “S” são o multiplicando e a saída de “R”. O registrador “R” recebe a saída de “S” e, como clock, a saída da porta “AND”. A porta “AND” recebe como entradas o sinal de clock e a indicação se o contador “C” realizou a contagem até atingir o valor do multiplicador, tendo iniciado com o valor “0”.
II. Para saber seo contador de passos realizou o número de iterações equivalente ao multiplicador, basta associar, por meio de uma porta “XNOR”, cada bit do contador com cada bit do multiplicador. Todas as saídas das portas “XNOR” serão conectadas às entradas de uma porta “OR”.
III. Quando o contador de passos finalizar a sua contagem, deve-se bloquear o clock do registrador e o seu próprio clock por meio, por exemplo, de portas “AND”. Esse mesmo sinal servirá para indicar que a operação de multiplicação por meio das somas sucessivas foi finalizada.
IV. Para realizar uma operação de multiplicação com somas sucessivas, temos que ter um circuito somador (“S”), um registrador de deslocamento (“R”), um circuito contador (“C”) e uma porta “AND”. As entradas de “S” são o multiplicando e a saída de “R”. O registrador “R” recebe a saída de “S” e, como clock, a saída da porta “AND”. A porta “AND” recebe como entradas o sinal de clock e a indicação se o contador “C” realizou a contagem até atingir o valor do multiplicador, tendo iniciado com o valor “0”. A cada pulso de clock, o registrador também fará um deslocamento para a esquerda.
Agora, assinale a alternativa que traz apenas a(s) afirmativa(s) correta(s).
Questão 7
Dentro dos circuitos lógicos sequenciais, podemos encontrar os contadores assíncronos. Contadores assíncronos são circuitos capazes de realizar uma contagem crescente ou decrescente em que a variação dos valores de contagem é realizada mediante o pulso de um sinal de clock. Sua implementação poderá ser realizada pela utilização de flip-flops tipo “JK” ou flip-flops tipo “T”. Analise as afirmativas a seguir e assinale com “V” as verdadeiras e com “F” a(s) falsa(s).
( ) Contadores assíncronos permitem apenas contagens em que os elementos contados são subsequentes, ou seja, o novo valor representa o acréscimo ou decréscimo de uma unidade a cada pulso de clock.
( ) Contadores assíncronos podem apresentar valores errôneos transientes de contagem, que duram enquanto as transições dos sinais de clock estiverem sendo realizadas.
( ) Contadores assíncronos possuem a implementação mais complexa em relação aos contadores síncronos.
( ) Para realizar a contagem decrescente, basta usar a lógica positiva para o sinal do clock.
Agora, assinale a alternativa com a sequência correta.
Questão 8
Suponha que você tem que implementar um circuito para controlar o acendimento dos LEDs de um giroflex de uma viatura oficial (como um carro de polícia, uma ambulância ou um veículo do corpo de bombeiros). Assim, projete um circuito para controlar o conjunto de LED S, de modo que se tenha a sequência de acendimentos a seguir:
  
Fonte: Elaborada pelo autor, 2019.
 
Na figura acima, temos, inicialmente, apenas os LEDs das extremidades acesos e os demais apagados. Sabendo-se que esse projeto pode ser desenvolvido com contadores síncronos, para essa questão, desenvolva as expressões relativas aos terminais “J” e “K” do primeiro LED (o LED mais à esquerda). Lembrando que os dois lados são simétricos, ou seja, temos dois conjuntos simétricos de quatro LEDs cada. Assim, o acendimento do último LED corresponderá ao acendimento do primeiro, o penúltimo corresponde ao segundo e assim por diante. Suponha que os LEDs sejam denominados “A”, “B”, “C” e “D” e associados à saída “Q” do flip-flop correspondente do contador síncrono. Imagine que o circuito já é iniciado no estado correspondente à primeira linha da figura.
Assinale a alternativa que contém as expressões de “J” e “K” do LED mais à esquerda do giroflex apresentado.
Questão 9
Em diversas situações, surge a necessidade de utilizarmos circuitos contadores. Por exemplo, nas análises clínicas, temos os contadores, para que sejam levantadas quantidades de microrganismos; no controle de acesso a um show, temos que verificar quantas pessoas estão presentes; e no computador, quantos ticks de clock foram efetuados. Para tanto, existem os circuitos contadores binários assíncronos e os circuitos contadores síncronos.
Analise as afirmativas a seguir e assinale com “V” as verdadeiras e com “F” a(s) falsa(s).
( ) Contadores síncronos são implementados somente com flip-flops tipo “T”.
( ) Contadores síncronos permitem uma contagem não linear. Porém, para se conseguir tal característica, deve-se criar lógicas combinacionais para cada entrada “J” e “K” dos flip-flops envolvidos.
( ) Dá-se o nome de contadores síncronos, pois todos os flip-flops recebem o mesmo sinal de clock, simultaneamente.
( ) Com os contadores síncronos, evita-se o problema de ruídos que poderiam ocorrer nos contadores assíncronos.
Agora, assinale a alternativa com a sequência correta.
Questão 10
Circuitos contadores binários assíncronos podem ser utilizados para gerar formas de onda. Para tanto, conecta-se os seus terminais de saída a um componente denominado “conversor digital-analógico” (DAC - Digital-analogic Converter). Um DAC é capaz de receber, em suas entradas, uma palavra digital e convertê-la para um sinal analógico. Assim, sua saída terá uma variação de voltagem correspondente ao valor binário digital inserido em sua entrada. 
Na figura a seguir temos, em (a) uma onda “dente de serra” obtida a partir de um contador assíncrono crescente. Em (b), a onda “dente de serra” é gerada utilizando-se um contador assíncrono decrescente. Em (c), temos a figura de uma onda “triangular”.
 
Fonte: elaborada pelo autor, 2019.
 
Analise as afirmativas a seguir e assinale com “V” as verdadeiras e com “F” a(s) falsa(s).
( ) Um gerador de onda triangular pode ser obtido com um contador do tipo crescente/decrescente, cuja funcionalidade varia automaticamente.
( ) Não é possível implementar um gerador de onda triangular utilizando-se contadores binários assíncronos. Devem ser usados apenas contadores binários síncronos.
( ) A funcionalidade crescente/decrescente pode ser trocada automaticamente por meio da utilização de um flip-flop do tipo “JK”, com os seus terminais “J” e “K” conectados aos nível lógico “1”. O clock do flip-flop “JK” é obtido quando a contagem chegar ao seu valor limite (por exemplo, em um contador de 3 bits, valor 7 na contagem crescente e valor 0 na decrescente).
( ) A funcionalidade crescente/decrescente pode ser trocada automaticamente por meio da utilização de um flip-flop do tipo “JK”, com os seus terminais “J” e “K” conectados aos nível lógico “1”. O clock do flip-flop “JK” é obtido utilizando-se um outro contador que gera um pulso toda vez que o seu bit mais significativo realizar a transição de “1” para “0”, ou seja, quando a contagem for reiniciada.
Assinale a alternativa que traz a sequência correta.