Sprint 3 Projeto de Sistemas Digitais ENIAC

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PROJETO DE SISTEMAS DIGITAIS 
 
 
 
1. FASE 
Os sistemas digitais consistem basicamente em conjuntos organizados de 
componentes eletrônicos que usam sinais discretos, geralmente representados 
como valores binários (0 e 1), com o intuito de armazenar e transmitir informações. 
De forma geral, esses sistemas trabalham baseados em circuitos lógicos e 
microprocessadores que executam instruções programadas. 
Os sistemas digitais estão presentes em uma ampla gama de dispositivos e 
aplicações, desde simples aplicações, até avançados sistemas de comunicação, 
equipamentos médicos, sistemas de controle industrial, entre outras aplicações. 
Sistemas digitais têm a capacidade de processar informações com alta precisão, 
confiabilidade e velocidade, tornando-os essenciais na nossa sociedade tecnológica. 
As portas lógicas são reconhecidas como blocos fundamentais na eletrônica 
digital, possuem por função base realizar operações lógicas básicas com sinais 
binários (0 e 1). Constituem se como componentes eletrônicos que recebem um ou 
mais sinais de entrada e geram um sinal de saída com base em uma regra ou tabela 
de verdade pré-estabelecida. As portas lógicas operam de acordo com princípios da 
álgebra booleana, a qual descreve a manipulação de valores, considerando as 
regras da matemática estabelecida. 
Aplicações das portas lógicas incluem: 
 Circuitos Digitais: usadas para criar circuitos digitais que realizam cálculos, 
tomam decisões e executam tarefas específicas. 
 Computadores: desempenham um papel vital na execução de operações de 
processamento, memória e controle. 
 Comunicações Digitais: usadas para codificar e decodificar informações em 
sistemas de comunicação digital, como redes de computadores e sistemas de 
telecomunicações. 
 
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 Controle Industrial: sistemas de automação e controle industrial usam portas 
lógicas para tomar decisões e controlar processos industriais, como linhas de 
produção. 
 Sistemas Embarcados: Dispositivos embarcados, como microcontroladores, 
utilizam portas lógicas para controlar dispositivos e executar funções 
específicas. 
 Eletrônica Automotiva: as portas lógicas são usadas em sistemas de controle 
e monitoramento, como sistemas de segurança, entretenimento e eficiência. 
- Tipos de Portas Lógicas existentes: 
Porta NOT (NÃO): Também chamada de inversor, esta porta lógica possui uma 
única entrada e inverte o valor de entrada. Se a entrada for 0, a saída será 1, e vice-
versa. 
Figura 1 – Porta Lógica NOT 
 
Fonte: Adaptado de Taub (1984) 
 
Operação: Inversão do valor da entrada. 
Saída: 0 se a entrada for 1, e 1 se a entrada for 0. 
Porta AND (E): Esta porta lógica possui duas ou mais entradas e produz uma saída 
1 somente quando todas as entradas forem 1. Caso contrário, a saída é 0. 
Figura 2 – Porta Lógica AND 
 
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Fonte: Adaptado de Taub (1984) 
 
 
Operação: (Multiplicação) Verificação de todas as entradas para determinar se todas 
são 1. 
Saída: 1 se todas as entradas forem 1; caso contrário, a saída é 0. 
Porta OR (OU): Assim como a porta AND, a porta OR tem duas ou mais entradas. A 
saída é 1 se pelo menos uma das entradas for 1; caso contrário, a saída é 0. 
Figura 3 – Porta Lógica OR 
 
Fonte: Adaptado de Taub (1984) 
 
Operação: (Adição) Verificação de todas as entradas para determinar se pelo menos 
uma é 1. 
Saída: 1 se pelo menos uma das entradas for 1; caso contrário, a saída é 0. 
 
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Porta XOR (OU-Exclusivo): Com duas entradas, esta porta lógica produz uma saída 
1 quando as entradas são diferentes (uma é 0 e a outra é 1). 
Figura 4 – Porta Lógica XOR 
 
Fonte: Adaptado de Taub (1984) 
 
Operação: Verificação de duas entradas para determinar se são diferentes. 
Saída: 1 se as entradas forem diferentes (uma é 0 e a outra é 1); caso contrário, a 
saída é 0. 
Porta NAND (NÃO-E): A porta NAND é uma combinação da porta AND com a porta 
NOT. Ela produz uma saída 0 somente quando todas as entradas são 1; caso 
contrário, a saída é 1. 
Figura 5 – Porta Lógica NAND 
 
Fonte: Adaptado de Taub (1984) 
 
Operação: Verificação de todas as entradas para determinar se todas são 1. 
Saída: 0 se todas as entradas forem 1; caso contrário, a saída é 1. 
Porta NOR (NÃO-OU): A porta NOR é uma combinação da porta OR com a porta 
NOT. A saída é 0 se pelo menos uma das entradas for 1; caso contrário, a saída é 1. 
 
Figura 6 – Porta Lógica NOR 
 
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Fonte: Adaptado de Taub (1984) 
 
Operação: Verificação de todas as entradas para determinar se pelo menos uma é 
1. 
Saída: 0 se pelo menos uma das entradas for 1; caso contrário, a saída é 1. 
Porta XNOR (NÃO-OU-Exclusivo): A porta XNOR produz uma saída 1 quando as 
entradas são iguais (ambas 0 ou ambas 1), e uma saída 0 quando as entradas são 
diferentes. 
Figura 7 – Porta Lógica XNOR 
 
Fonte: Adaptado de Taub (1984) 
 
Operação: Verificação de duas entradas para determinar se são iguais. 
Saída: 1 se as entradas forem iguais (ambas 0 ou ambas 1); caso contrário, a saída 
é 0. 
 
 
 
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2. FASE 
Os circuitos digitais podem ser basicamente divididos em dois tipos principais: 
circuitos combinacionais e circuitos sequenciais, cada tipo de circuito trabalha em 
função de uma base lógica diferente. 
A lógica combinacional é uma parte fundamental dos sistemas e circuitos 
digitais, que envolve o projeto e a análise de circuitos onde a saída depende apenas 
das entradas atuais. Em outras palavras, não há elementos de memória ou 
realimentação envolvidos na geração das saídas. 
Os circuitos combinacionais executam operações lógicas e aritméticas diretas 
em sinais digitais, como portas lógicas, multiplexadores, decodificadores, 
somadores, etc. O resultado de um circuito combinacional é determinado 
exclusivamente pelas entradas presentes. Desta forma, sistemas baseados em 
lógica combinacional produzem saídas apenas com base nas entradas atuais, sem 
levar em consideração estados anteriores. 
Como exemplo de aplicação da lógica combinacional temos o 
desenvolvimento de circuitos de controle, a partir do desenvolvimento de uma tabela 
da verdade na qual são representadas todas as combinações possíveis para a saída 
do sistema com relação a suas entradas, assim é possível simplificar o sistema 
algebricamente ou graficamente, uma das formas mais utilizadas para simplificar 
graficamente é a aplicação do Mapa de Karnaugh, que permite encontrar a equação 
lógica simplificada do sistema. Algebricamente existem diversos teoremas 
booleanos que podem ser utilizados na simplificação de circuitos, um dos mais 
conhecidos são os teoremas DeMorgan. 
Como exemplo da aplicação da lógica combinacional em um desenvolvimento 
prático, temos um conversor analógico-digital monitorando a tensão de uma bateria 
de 12V em um elemento móvel. A saída do conversor consiste em um número 
binário de quatro bits, ABCD, que corresponde à tensão da bateria em degraus de 
1V, sendo a variável A o MSB. As saídas binárias do conversor são as entradas de 
um circuito que vai gerar uma saída em nível lógico alto, sempre que o valor binário 
for maior que 0110, ou seja, quando a tensão da bateria for maior do que 6V. Desta 
forma o sistema é representado a partir da Figura 8. 
 
 
 
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Figura 8 – Esquemático do sistema de monitoramento 
 
Fonte: Adaptado de Idoeta e Capuano (1984) 
 
A partir desses dados é possível desenvolver a tabela da verdade, referente 
ao sistema, conforme apresentado na Figura 9. 
 
Figura 9 – Tabela da verdade 
 
Fonte: Adaptado de Idoeta e Capuano (1984) 
 
 A partir da tabela da verdade, utilizando os métodos de simplificação, temos 
a equação simplificada e o circuito digital final para o exemplo tratado, conforme 
apresentado na Figura 10. 
 
Figura 10 – Circuito digital final simplificado 
 
Fonte: Adaptado de Idoeta e Capuano (1984) 
 
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A lógica sequencial envolve circuitos onde a saída depende das entradasatuais e das entradas passadas, ou seja, há um elemento de memória ou 
armazenamento envolvido. Essa lógica é essencial para sistemas que precisam 
lembrar estados anteriores e responder a padrões temporais. 
Os elementos chave da lógica sequencial são os flip-flops, que são unidades 
de armazenamento de um bit, utilizados para criar registros e memórias. Esses 
elementos permitem que os sistemas retenham informações e respondam a padrões 
temporais. Alguns exemplos de circuitos sequenciais são contadores, registradores 
de deslocamento e máquinas de estados. 
Um contador assíncrono é um exemplo de sistema que utiliza lógica 
sequencial. Este basicamente representa um circuito que conta de 0 a 9 e depois 
volta para 0, repetindo esse ciclo. Para implementar isso, é necessário utilizar flip-
flops e circuitos lógicos para atualizar o valor do contador a cada pulso de clock. A 
saída do contador não é apenas baseada nas entradas atuais, mas também no 
estado anterior do contador, representando assim a natureza sequencial do sistema. 
O contador assíncrono é um exemplo comum da aplicação da lógica 
sequencial, este possibilita a contagem de tempos, ciclos ou variações de uma 
entrada. A base do desenvolvimento dos contadores assíncronos está na aplicação 
de um sinal de clock, como referência, neste o sinal de clock é aplicado apenas ao 
primeiro Flip-Flop, onde sua saída será o clock do próximo Flip-Flop e assim 
sucessivamente, conforme apresentado na Figura 11. 
 
Figura 11 – Contador Assíncrono Crescente com limite de contagem 
 
Fonte: Do autor (2023) 
 
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Para realizar a limitação da contagem de um contador assíncrono é 
necessário utilizar um circuito lógico extra com uma porta NAND onde as entradas 
da porta serão ligadas as saídas dos Flip-Flops que formam o número que irá 
reiniciar a contagem. Em cada Flip-Flop de um contador assíncro, a frequência é a 
metade da frequência do seu clock, de forma que com 4 bits, se a frequência do 
clock de entrada for 16 KHz, na saída do último Flip-Flop será de 1 KHz. 
 
3. FASE 
A tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) é uma das 
tecnologias mais amplamente usadas na fabricação de circuitos integrados, 
incluindo microprocessadores, memórias e outros dispositivos eletrônicos. Ela 
oferece várias vantagens importantes, que são fundamentais para o funcionamento 
eficiente e de baixo consumo de energia dos dispositivos digitais modernos. Na 
tecnologia CMOS são utilizados exclusivamente transistores MOSFET do tipo 
enriquecimento, os quais são basicamente dimensionados como chaves do tipo 
on/off, o que simplifica a formação de sistemas lógicos. Dentre as principais 
características da tecnologia CMOS, temos: 
a) Baixo Consumo de Energia: Na tecnologia CMOS os transistores consomem 
energia apenas quando estão alternando de um estado para outro, minimizando o 
consumo estático. Como um exemplo de aplicação podemos citar os smartphones, 
onde os componentes CMOS garantem que a bateria dure por um período 
significativo, mesmo com uso intenso. 
b) Alta Integração: Na tecnologia CMOS é possível realizar a integração de um 
grande número de transistores em um único chip de silício. Isso possibilita a criação 
de circuitos complexos em um espaço físico relativamente pequeno. Desta forma um 
processador moderno, que contém bilhões de transistores CMOS pode ser 
desenvolvido a partir de uma única peça de silício. 
c) Imunidade a Ruídos: Os transistores CMOS operam em níveis de tensão bem 
definidos, o que os torna menos suscetíveis a variações de ruído do que outras 
tecnologias. Este fato proporciona uma maior imunidade a interferências 
eletromagnéticas. 
 
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d) Baixa Tensão de Alimentação: Os transistores CMOS podem operar em baixas 
tensões de alimentação, o que contribui para o baixo consumo de energia. Isso é 
particularmente importante em dispositivos alimentados por baterias ou fontes de 
energia limitadas. 
e) Compatibilidade com Lógica Bipolar: A tecnologia CMOS é complementar à 
tecnologia bipolar, o que significa que pode ser facilmente integrada com outros 
tipos de tecnologias semicondutoras. Isso permite a criação de circuitos mais 
eficientes, onde os transistores CMOS controlam circuitos de alta potência, como em 
amplificadores de potência. Uma aplicação possível são os sistemas de áudio e 
componentes de sistemas de comunicação. 
f) Compatibilidade com Fabricação em Massa: A fabricação de circuitos CMOS é 
altamente automatizada e bem estabelecida, o que torna a produção em massa 
eficiente e econômica. Isso contribui para a disponibilidade generalizada de 
dispositivos eletrônicos acessíveis. Um exemplo é a ampla gama de produtos 
eletrônicos disponíveis no mercado, desde dispositivos móveis até eletrônicos de 
consumo e sistemas de controle industrial. 
Essas características fazem da tecnologia CMOS uma escolha popular para 
uma ampla variedade de aplicações digitais, graças combinação de características 
relacionadas ao baixo consumo de energia, alta integração e desempenho confiável. 
Existem outras tecnologias de desenvolvimento de sistemas digitais, uma das mais 
reconhecidas é a tecnologia TTL (Transistor Transistor Logic), esta tecnologia é 
caracterizada por circuitos compostos por transistores Bipolar de junção (TBJ) dos 
tipos NPN e PNP e Resistores. A Figura 12 apresenta uma relação comparativa 
entre as diferenças entre as tecnologias CMOS e TTL. 
 
Figura 12 – Comparação entre as tecnologias TTL e CMOS 
 
Fonte: Adaptado de Agner (2008) 
 
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 A partir dos dados apresentados na Figura 12, é possível analisar que a 
tecnologia CMOS possui circuitos integrados com maior range para tensão de 
alimentação do que a tecnologia TTL, a utilização de transistores com tecnologia 
FET torna os circuitos integrados da tecnologia CMOS mais robustos em 
comparação a tecnologia TTL. 
Quanto as características de consumo e velocidade, a tecnologia CMOS 
possui a vantagem de consumir uma menor corrente, e consequentemente uma 
menor potência elétrica, além de possuir um tempo de resposta mais alto mantendo 
sem alternância na estabilidade do sistema. 
O Fan-Out ou Fator de Carga corresponde basicamente ao parâmetro 
correspondente ao número máximo de entradas ou terminais de um dispositivo 
lógico que uma saída pode alimentar de maneira confiável. Neste aspecto a 
tecnologia CMOS possui a vantagem em relação a TTL, visto que possui em geral 
circuitos digitais com Fan-Out mais elevado, o que auxilia na integração no 
desenvolvimento de circuitos lógicos. 
 
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS 
A partir do desenvolvimento da pesquisa bibliográfica e exploratória proposta, 
foi possível verificar as principais bases de aplicações dos sistemas digitais. Os 
sistemas digitais possuem sua base de funcionamento a partir de sinais discretos, 
representados a partir da lógica booleana. Esses sistemas possuem a capacidade 
de processar informações com alta precisão, confiabilidade e velocidade, o que os 
torna essenciais em diversas aplicações e equipamentos comerciais e industriais. 
No desenvolvimento dos sistemas digitais, como elementos base de 
aplicação temos as portas lógicas, que basicamente permitem o desenvolvimento de 
operações lógicas por circuitos digitais, estas operam a partir dos princípios da 
álgebra booleana. 
Desta forma os circuitos digitais formados a partir das portas lógicas podem 
ser classificados como combinacionais ou sequenciais. Os circuitos digitais 
combinacionais produzem sinais de saídas apenas com base nas entradas atuais, 
sem levar em consideração estados anteriores, a partir de operações lógicas e 
aritméticas definidas pelas portas lógicas utilizadas. Os circuitos digitais sequenciais 
produzem saídas dependentes das entradas atuais e das entradas passadas, ou 
 
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seja, há um elemento de memória ou armazenamento envolvido, esses circuitos são 
baseados em célulaschamadas Flip-Flops, as quais internamente são formadas por 
uma combinação de portas lógicas. Os circuitos combinacionais são muito aplicados 
em decodificadores e circuitos de controle específicos, os circuitos sequenciais 
digitais são muito aplicados no desenvolvimento de sistemas de contagem de tempo 
e circuitos de memórias. 
No desenvolvimento de projetos para sistemas digitais, se faz necessário a 
utilização de circuitos integrados comerciais, estes são encontrados classificados de 
acordo a tecnologia de fabricação utilizada. A tecnologia CMOS é amplamente 
utilizada no desenvolvimento de sistemas digitais, visto que possui uma combinação 
positiva de características referentes ao baixo consumo de energia, alta integração e 
desempenho confiável, o que favorece o desenvolvimento de projetos em sistemas 
digitais. 
 
5. FONTES CONSULTADAS 
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 14724: 
informação e documentação: trabalhos acadêmicos: apresentação. Rio de Janeiro: 
ABNT, 2011. Disponível em: 
http://site.ufvjm.edu.br/revistamultidisciplinar/files/2011/09/NBR_14724_atualizada_a
br_2011.pdf. Acesso em: 16 de Julho de 2020. 
 
AGNER, Flávio Rech; REIS, André Inácio; RIBAS, Renato Perez. Fundamentos de 
circuitos digitais. Porto Alegre, RS: Bookman: Instituto de Informática da UFRGS, 
2008. 166 p. (Livros Didáticos; v. 17). 
 
CARRO, Luigi. Projeto e Prototipação de Sistemas Digitais, 1ª ed. Editora UFRGS, 
2001. 
 
GARCIA, Paulo Alves; MARTINI, José Sidnei Colombo. Eletrônica digital: teoria e 
laboratório. 2.ed. São Paulo (SP): Érica, 2010. 182 p. 
 
IDOETA, Ivan Valeije; CAPUANO, Francisco G. Elementos de eletrônica digital. 41 
ed. São Paulo, SP: Érica, 2014. 
 
POLONSKI, Mikhail M., Introdução à Robótica e Mecatrônica. 2. ed. Caxias do Sul: 
EDUCS, 1997. 
 
TAUB, Herbert. Circuitos digitais e microprocessadores. São Paulo (SP): McGraw-
Hill, 1984. 510 p 
 
TOCCI, Ronald J.; WIDMER, Neal S.; MOSS, Gregory L. Sistemas digitais: 
princípios e aplicações. 11 ed. Rio de Janeiro (RJ): LTC, 2011.